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【内容摘要】在细长轴类工件的加工过程中，经常会出现加工精度低、形状误差大等缺陷。本文通过对细长轴类工件在加工过程中的受力分析，就如何提高细长轴类工件加工精度，从装夹方法、加工方法、进给量、刀具几何角度选择等方面提出解决措施。
【关键词】细长轴；受力分析；加工技巧
【中图分类号】G710
在机械加工过程中，经常会碰到工件的长度与直径之比L/D>25，例如：印刷机的滚筒、粮油机械、传送机械等，通常把这类工件称之为细长轴，一般在车床上进行加工。这类工件在车削过程中，由于其刚性差，在切削力和切削热的作用下，很容易产生变形，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中间粗、两头细，严重影响零件的加工精度。同时，细长轴产生变形后，还会引起工艺系统的振动，影响零件的粗糙度。现就产生变形的具体原因加以探讨，以便掌握其加工的技巧。
一、细长轴产生变形的原因分析
在车床上车削细长轴，产生的变形主要有弯曲变形和热变形两种，这与其装夹方法密切相关。传统的装夹方式主要有"一夹一顶式"和"两顶尖式"两种。
（一）细长轴的弯曲变形
轴类工件在车削过程中，产生的切削力可以分解为轴向切削力Fx、径向切削力Fy及切向切削力Fz。不同的切削力对车削细长轴时产生弯曲变形的影响是不同的。下面主要分析"一夹一顶"装夹方式对细长轴变形的影响。
1.径向切削力Fy的影响
径向切削力是垂直作用在细长轴轴线的水平平面内，由于细长轴的刚性较差，车刀施加的径向力将会把细长轴顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形，形状上造成两端小，中间大。
2.轴向切削力Fx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。但是由于细长轴的刚性较差，其稳定性也较差，当轴向切削力超过一定数值时，将会把细长轴压弯而发生纵向弯曲变形。
（二）细长轴的热变形
工件在车削过程中，由于工件和刀具间的挤压、摩擦等相互作用，导致切削热的大量产生，从而使工件的温度升高。工件的温度升高后，就会引起工件热伸长，导致刚度和稳定性的降低。所以，在车削细长轴类工件时，一定要考虑到热变形的影响，工件热变形伸长量可按下式计算：
△L=aLΔt
式中△L--工件热变形伸长量，mm；
A--材料膨胀系数，钢a=11.5X10-6（1/℃）
L--工件的总长（mm）；
Δt--工件升高的温度（℃）
所以，车削细长轴时，采用以下措施可减少热变形的影响：
1.使用弹性活动顶尖，可有效的补偿工件的热变形伸长，使工件不易弯曲，车削即可顺利进行。
2.刀刃应经常保持锋利，刀具磨出较大前角，刀刃锋利，减少切削热和切削力。
3.充分使用冷却液进行冷却，降低切削温度，减少热变形。
4.采用左偏刀反向进给车削，使进给切削力Fx作用在后顶尖，工件不承受轴向压力，可以减小加工变形。采用一夹一顶装夹细长轴时，可以在卡爪与工件外圆之间加入开口钢丝圈，以减少工件装夹变形。
二、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，以提高细长轴的加工精度。
（一）选择合适的装夹方法
在车床上车削细长轴，若采用"两顶尖"装夹，工件定位准确，容易保证同轴度，但细长轴的刚性较差，弯曲变形较大，而且容易产生振动，因此只适宜于安装长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高的工件；若采用"一夹一顶"的装夹方式，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"装夹时，顶尖应采用弹性活顶尖，使细长轴受热后可以自由伸长，减少其受热弯曲变形，同时可在卡爪与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈，以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度，消除安装时的过定位，减少弯曲变形。
（二）直接减少细长轴受力变形
1.采用跟刀架和中心架车削细长轴
采用"一夹一顶"装夹方式车削细长轴，为减少径向切削力对细长轴弯曲变形的影响，传统上采用跟刀架和中心架。车削细长轴时，使用中心架可以增加工件的安装支撑点，提高工件的刚性，改善切削条件，车削细长轴的端面、钻中心孔和车削较长套筒的内孔、内螺纹时，都可以用一端夹住工件一端搭中心架的方法，这种装夹刚性好，应用较普遍；使用跟刀架的目的是为了平衡切削时产生的切削力，提高工件的加工刚性，减小工件的弯曲变形，提高工件的形状精度、尺寸精度和减小表面粗糙度值，跟刀架使用时是安装在床鞍上随车刀一起移动，主要适用于车削无阶台的细长轴和长丝杆类工件。
2.采用轴向拉夹法车削细长轴
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，特别是对于长径比较大的细长轴，这种弯曲变形更为明显。因此，可以采用轴向拉夹法车削细长轴。軸向拉夹车削是指在车削细长轴过程中，细长轴的一端由卡盘夹紧，另一端由专门设计的夹拉头夹紧，夹拉头给细长轴施加轴向拉力。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.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，如图5所示。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，可以有效补偿刀具至尾架一段的工件受压变形和热伸长量，避免工件的压弯变形。 4.采用磁力切削法车削细长轴
磁力切削法的原理与反向切削法原理基本相同。在车削过程中，细长轴由于受到磁力拉伸的作用，可以减少细长轴加工时的弯曲变形，提高细长轴加工精度。
（三）合理地控制切削用量
切削用量选择是否合理，对切削过程中产生切削力的大小、切削热的多少是不同的，因此，对车削细长轴时引起的变形也是不同的。
1.背吃刀量a
在工艺系统刚度确定的前提下，随着背吃刀量的增大，车削时产生的切削力、切削热随之增大，引起细长轴的受力、受热变形也增大。因此，在车削细长轴时，应尽量减少背吃刀量。一般粗车时，背吃刀量asp=1.5mm～2mm；精车时，背吃刀量asp=0.5mm～1mm。
2.进给量f
进给量增大会使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此细长轴的受力变形系数有所下降。如果从提高切削效率的角度来看，增大进给量比增大切削深度有利。一般粗车时，进给量f=0.3mm/r～0.4mm/r；精车时，进给量f=0.08mm/r～0.12mm/r。
3.切削速度v
提高切削速度有利于降低切削力。因为随着切削速度的增大，切削温度提高，刀具与工件之间的摩擦力减小，细长轴的受力变形减小。但切削速度过高容易使细长轴在离心力作用下出现弯曲，破坏切削过程的平稳性，所以，切削速度应控制在一定范围。对长径比较大的工件，切削速度要适当降低。一般粗车时，切削速度vc=50m/min～60m/min；精车时，切削速度vc=60m/min～100m/min。
（四）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。因为工件刚性差，车刀的几何形状如果选择不当，就不可能得到理想的切削效果。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。
1.前角r
前角r的大小直接影响着切削力、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。增大前角可以降低切削力，所以在细长轴车削中，在保证车刀有足够强度前提下，尽量使刀具的前角增大，前角一般取r=15°～30°。
2.主偏角kr
主偏角kr的大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。随着主偏角的增大，径向切削力明显减小，切向切削力在主偏角为60°～90°时却有所增大，在主偏角为60°～75°范围内时，3个切削分力的比例关系比較合理。在车削细长轴时，一般采用大于60°的主偏角。
3.刃倾角λs
刃倾角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°左右，以使切屑流向待加工表面，确保已加工表面的切削精度。
细长轴的车削加工在机械加工中比较常见的。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，可以确保细长轴的加工精度。
参考文献
[1]唐大鹏，《车工工艺学》，重庆市劳动和社会保障局职业技能开发处，重庆市技工教育研究室，2004
[2]王启平.《机械制造工艺学》，哈尔滨工业大学出版社，1999
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【关键词】细长轴；受力分析；加工技巧
【中图分类号】G710
在机械加工过程中，经常会碰到工件的长度与直径之比L/D>25，例如：印刷机的滚筒、粮油机械、传送机械等，通常把这类工件称之为细长轴，一般在车床上进行加工。这类工件在车削过程中，由于其刚性差，在切削力和切削热的作用下，很容易产生变形，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中间粗、两头细，严重影响零件的加工精度。同时，细长轴产生变形后，还会引起工艺系统的振动，影响零件的粗糙度。现就产生变形的具体原因加以探讨，以便掌握其加工的技巧。
一、细长轴产生变形的原因分析
在车床上车削细长轴，产生的变形主要有弯曲变形和热变形两种，这与其装夹方法密切相关。传统的装夹方式主要有"一夹一顶式"和"两顶尖式"两种。
（一）细长轴的弯曲变形
轴类工件在车削过程中，产生的切削力可以分解为轴向切削力Fx、径向切削力Fy及切向切削力Fz。不同的切削力对车削细长轴时产生弯曲变形的影响是不同的。下面主要分析"一夹一顶"装夹方式对细长轴变形的影响。
1.径向切削力Fy的影响
径向切削力是垂直作用在细长轴轴线的水平平面内，由于细长轴的刚性较差，车刀施加的径向力将会把细长轴顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形，形状上造成两端小，中间大。
2.轴向切削力Fx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。但是由于细长轴的刚性较差，其稳定性也较差，当轴向切削力超过一定数值时，将会把细长轴压弯而发生纵向弯曲变形。
（二）细长轴的热变形
工件在车削过程中，由于工件和刀具间的挤压、摩擦等相互作用，导致切削热的大量产生，从而使工件的温度升高。工件的温度升高后，就会引起工件热伸长，导致刚度和稳定性的降低。所以，在车削细长轴类工件时，一定要考虑到热变形的影响，工件热变形伸长量可按下式计算：
△L=aLΔt
式中△L--工件热变形伸长量，mm；
A--材料膨胀系数，钢a=11.5X10-6（1/℃）
L--工件的总长（mm）；
Δt--工件升高的温度（℃）
所以，车削细长轴时，采用以下措施可减少热变形的影响：
1.使用弹性活动顶尖，可有效的补偿工件的热变形伸长，使工件不易弯曲，车削即可顺利进行。
2.刀刃应经常保持锋利，刀具磨出较大前角，刀刃锋利，减少切削热和切削力。
3.充分使用冷却液进行冷却，降低切削温度，减少热变形。
4.采用左偏刀反向进给车削，使进给切削力Fx作用在后顶尖，工件不承受轴向压力，可以减小加工变形。采用一夹一顶装夹细长轴时，可以在卡爪与工件外圆之间加入开口钢丝圈，以减少工件装夹变形。
二、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，以提高细长轴的加工精度。
（一）选择合适的装夹方法
在车床上车削细长轴，若采用"两顶尖"装夹，工件定位准确，容易保证同轴度，但细长轴的刚性较差，弯曲变形较大，而且容易产生振动，因此只适宜于安装长径比不大、加工余量较小、同轴度要求较高的工件；若采用"一夹一顶"的装夹方式，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"装夹时，顶尖应采用弹性活顶尖，使细长轴受热后可以自由伸长，减少其受热弯曲变形，同时可在卡爪与细长轴之间垫入一个开口钢丝圈，以减少卡爪与细长轴的轴向接触长度，消除安装时的过定位，减少弯曲变形。
（二）直接减少细长轴受力变形
1.采用跟刀架和中心架车削细长轴
采用"一夹一顶"装夹方式车削细长轴，为减少径向切削力对细长轴弯曲变形的影响，传统上采用跟刀架和中心架。车削细长轴时，使用中心架可以增加工件的安装支撑点，提高工件的刚性，改善切削条件，车削细长轴的端面、钻中心孔和车削较长套筒的内孔、内螺纹时，都可以用一端夹住工件一端搭中心架的方法，这种装夹刚性好，应用较普遍；使用跟刀架的目的是为了平衡切削时产生的切削力，提高工件的加工刚性，减小工件的弯曲变形，提高工件的形状精度、尺寸精度和减小表面粗糙度值，跟刀架使用时是安装在床鞍上随车刀一起移动，主要适用于车削无阶台的细长轴和长丝杆类工件。
2.采用轴向拉夹法车削细长轴
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，特别是对于长径比较大的细长轴，这种弯曲变形更为明显。因此，可以采用轴向拉夹法车削细长轴。軸向拉夹车削是指在车削细长轴过程中，细长轴的一端由卡盘夹紧，另一端由专门设计的夹拉头夹紧，夹拉头给细长轴施加轴向拉力。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.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，如图5所示。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，可以有效补偿刀具至尾架一段的工件受压变形和热伸长量，避免工件的压弯变形。 4.采用磁力切削法车削细长轴
磁力切削法的原理与反向切削法原理基本相同。在车削过程中，细长轴由于受到磁力拉伸的作用，可以减少细长轴加工时的弯曲变形，提高细长轴加工精度。
（三）合理地控制切削用量
切削用量选择是否合理，对切削过程中产生切削力的大小、切削热的多少是不同的，因此，对车削细长轴时引起的变形也是不同的。
1.背吃刀量a
在工艺系统刚度确定的前提下，随着背吃刀量的增大，车削时产生的切削力、切削热随之增大，引起细长轴的受力、受热变形也增大。因此，在车削细长轴时，应尽量减少背吃刀量。一般粗车时，背吃刀量asp=1.5mm～2mm；精车时，背吃刀量asp=0.5mm～1mm。
2.进给量f
进给量增大会使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此细长轴的受力变形系数有所下降。如果从提高切削效率的角度来看，增大进给量比增大切削深度有利。一般粗车时，进给量f=0.3mm/r～0.4mm/r；精车时，进给量f=0.08mm/r～0.12mm/r。
3.切削速度v
提高切削速度有利于降低切削力。因为随着切削速度的增大，切削温度提高，刀具与工件之间的摩擦力减小，细长轴的受力变形减小。但切削速度过高容易使细长轴在离心力作用下出现弯曲，破坏切削过程的平稳性，所以，切削速度应控制在一定范围。对长径比较大的工件，切削速度要适当降低。一般粗车时，切削速度vc=50m/min～60m/min；精车时，切削速度vc=60m/min～100m/min。
（四）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。因为工件刚性差，车刀的几何形状如果选择不当，就不可能得到理想的切削效果。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。
1.前角r
前角r的大小直接影响着切削力、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。增大前角可以降低切削力，所以在细长轴车削中，在保证车刀有足够强度前提下，尽量使刀具的前角增大，前角一般取r=15°～30°。
2.主偏角kr
主偏角kr的大小影响着3个切削分力的大小和比例关系。随着主偏角的增大，径向切削力明显减小，切向切削力在主偏角为60°～90°时却有所增大，在主偏角为60°～75°范围内时，3个切削分力的比例关系比較合理。在车削细长轴时，一般采用大于60°的主偏角。
3.刃倾角λs
刃倾角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°左右，以使切屑流向待加工表面，确保已加工表面的切削精度。
细长轴的车削加工在机械加工中比较常见的。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，可以确保细长轴的加工精度。
参考文献
[1]唐大鹏，《车工工艺学》，重庆市劳动和社会保障局职业技能开发处，重庆市技工教育研究室，2004
[2]王启平.《机械制造工艺学》，哈尔滨工业大学出版社，1999
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