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基于细长轴车削加工的探讨
Dec 26, 2012  来源:  作者:健雄职业技术学院 施建浩

      在机械加工过程中,我们把零件的长径比大于或等于25 的轴类零件称为细长轴,如车床上的光杆或丝杆等。在车削过程中,由于其刚性差,在切削力和切削热的作用下,细长轴很容易产生弯曲变形,这样就破坏了刀具和零件相对运动的准确性,使加工出来的细长轴呈现中间粗、两头细的形状,严重影响零件的加工精度。

 

      1、细长轴类零件的工艺特点

 

      1.1 刚性差

 

      细长轴长径比较大,其刚度极差。车削时极易受到切削力、自重、离心力等作用使其产生弯曲变形。

 

      1.2 热变形大

 

      车削过程中,细长轴会因为产生的切削热而伸长,当工件两端顶紧时易产生弯曲变形,并使细长轴的刚度进一步降低,从而加剧工件的变形。

 

 

      2、影响细长轴加工精度的因素

 

      2.1 切削力

 

      在切削过程中产生的力,称为切削力。切削力可以分解为轴向切削力Px、径向切削力Py 及切向切削力Pz。不同的切削力对车削细长轴产生的影响是不同的。

 

      2.1.1 径向切削力Py 的影响

 

      径向切削力是垂直作用在细长轴轴线水平平面内的,由于细长轴的刚性较差,径向力将会把细长轴顶弯,使其在水平面内发生弯曲变形。

 

      2.1.2 轴向切削力Px 的影响

 

      轴向切削力是平行作用在细长轴轴线方向上的,它对工件形成一个弯矩。对于一般的车削加工,轴向切削力对工件弯曲变形的影响并不大,可以忽略。但对细长轴而言其刚性较差、稳定性也较差,当轴向切削力超过一定数值时,会把细长轴压弯而发生纵向弯曲变形。

  

     

      3、提高细长轴加工精度的措施

 

      在细长轴加工过程中,为提高其加工精度,要根据不同的生产条件,采取不同的措施。

 

      3.1 选择合适的装夹方法

 

      细长轴加工通常采用一夹一顶的装夹方式。此装夹方式中,如果顶尖顶得太紧,除了可能将细长轴顶弯外,还能阻碍车削时细长轴的受热伸长,导致细长轴受到轴向挤压而产生弯曲变形。另外卡爪夹紧面与顶尖孔可能不同轴,装夹后会产生过定位,也能导致细长轴产生弯曲变形。因此采用一夹一顶装夹方式时,顶尖应采用弹性活顶尖,使长轴受热后可以自由伸长,减少其受热弯曲变形;同时可在卡爪与长轴之间垫入一个开口钢丝圈,以减少卡爪与长轴的轴向接触长度,消除安装时的过定位,减少弯曲变形。

 

      3.2 直接减小细长轴受力变形

 

      3.2.1 采用轴向拉夹法车削长轴

 

      采用跟刀架和中心架,虽然能够增加工件的刚度,基本消除径向切削力对工件的影响。但还不能解决轴向切削力把工件压弯的问题,特别是对于长径比大的长轴,这种弯曲变形更为明显。因此可以采用轴向拉夹法车削长轴。

 

      轴向夹拉车削是指在车削长轴过程中,长轴的一端由卡盘夹紧,另一端由专门设计的夹拉头夹紧,夹拉头给长轴施加轴向拉力。在车削过程中,细长轴始终受到轴向拉力,解决了轴向切削力把细长轴压弯的问题。同时在轴向拉力的作用下,会使细长轴由于径向切削力引起的弯曲变形程度减小,补偿了因切削热而产生的轴向伸长量,提高了细长轴的刚性和加工精度。

 

      3.2.2 采用双刀切削法车削细长轴

 

      采用双刀车削细长轴改装车床中溜板,增加后刀架,采用前后两把车刀同时进行车削。两把车刀,径向相对,前车刀正装,后车刀反装。两把车刀车削时产生的径向切削力相互抵消,工件受力变形和振动小,加工精度高,适用于批量生产。

 

      3.2.3 采用反向切削法车削细长轴

 

      反向切削法是指在细长轴的车削过程中,车刀由主轴卡盘开始向尾架方向进给。这样在加工过程中产生的轴向切削力使细长轴受拉,消除了轴向切削力引起的弯曲变形。同时,采用弹性的尾架顶尖,可以有效地补偿刀具至尾架一段的工件的受压变形和热伸长量,避免工件被压弯变形。

 

      3.3 选择合理的刀具角度

 

      为了减小车削细长轴产生的弯曲变形,要求车削时产生的切削力越小越好,而在刀具的几何角度中,前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响最大。

 

      3.3.1 前角(γ0)

 

      前角(γ0)大小直接着影响切削力、切削温度和切削功率。增大前角,可以使被切削金属层的塑性变形程度减小,切削力明显减小。所以在细长轴车削中,在保证车刀有足够强度的前提下,尽量使刀具的前角增大,前角一般取γ0=15°~30°。

 

      3.3.2 主偏角(kr)

 

      由于细长轴刚性差,为减少细长轴弯曲,要求径向切削力越小越好,而刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素, 在不影响刀具强度情况下,应尽量增大车刀主偏角。车刀的主偏角取kr=80°~93°。3.3.3 刃倾角(λs)

 

      刃倾角(λs)影响着车削过程中切屑的流向、刀尖的强度及3个切削分力的比例关系。随着刃倾角的增大,径向切削力明显减小,但轴向切削力和切向切削力却有所增大。刃倾角在-10°~10°范围内,3个切削分力的比例关系比较合理。在车削细长轴时,常采用正刃倾角3°~10°,以使切屑流向待加工表面。

 

      3.4 合理控制切削用量

 

      不同的切削用量的选择,切削过程中产生的切削力的大小、切削热的多少也是不同的,因此对车削细长轴时引起的变形也是不同的。车削细长轴时,一般在长径比及材料韧性大时,选用较小的切削用量,即多走刀,切深小,以减少振动,增加刚性。

 

      4、结论

 

      细长轴的车削加工是机械加工中比较常见的一种加工方式。由于细长轴刚性差,车削时产生的受力、受热变形较大,很难保证细长轴的加工质量要求。通过采用合适的装夹方式和先进的加工方法,选择合理的刀具角度和切削用量等措施,可以保证细长轴的加工质量要求。

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