在機械加工中，許多零件的長(cháng)度與直徑之比大于20～25（L/D≥20～25），如車(chē)床光桿、絲桿、材料力學(xué)試驗臺（本中心的主推產(chǎn)品）中的吊桿（見(jiàn)圖1）等，這類(lèi)零件統稱(chēng)為細長(cháng)軸。細長(cháng)軸零件剛性差、抗彎能力弱，在車(chē)削過(guò)程中因受到切削力、重力及切削熱等因素的影響而易發(fā)生彎曲變形，使零件形成錐度、腰鼓形、水波紋及竹節紋等狀況，不僅導致加工表面質(zhì)量嚴重惡化，還縮短了機床和刀具壽命。

圖1  材力架吊桿

1.細長(cháng)軸車(chē)削時(shí)產(chǎn)生變形的原因分析

在加工中，車(chē)削細長(cháng)軸彎曲變形原因主要有：

（1）切削力導致變形。在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力可分解為：軸向切削力Ff、徑向切削力Fp和主切削力Fz。不同的切削力對細長(cháng)軸產(chǎn)生的彎曲變形影響是不一樣的。

軸向切削力Ff影響。軸向切削力是平行作用在細長(cháng)軸軸線(xiàn)方向的力，當軸向切削力超過(guò)一定數值時(shí)，就會(huì )把細長(cháng)軸壓彎，從而使工件發(fā)生縱向彎曲變形（一般短軸類(lèi)加工可忽略，它對工件彎曲變形的影響不是十分大）。

徑向切削力Fp影響（見(jiàn)圖2）。徑向切削力是垂直作用在通過(guò)細長(cháng)軸軸線(xiàn)水平平面內的，由于細長(cháng)軸的剛性差，徑向力將會(huì )把細長(cháng)軸頂彎，使其在水平面內發(fā)生彎曲變形。

（2）切削熱產(chǎn)生的影響。車(chē)削時(shí)，由于切削熱的影響，土工布工件隨溫度升高而逐漸伸長(cháng)變形，這種現象叫熱變形。

工件長(cháng)度熱伸長(cháng)量公式為：ΔL=α×Δt×L

式中，ΔL為工件長(cháng)度熱伸長(cháng)量（mm）；α為材料線(xiàn)性膨脹系數（可從有關(guān)書(shū)中查閱），如鑄鐵：１×10-5/℃，鋼：1.17×10-5/℃，黃銅：1.7×10-5/℃；L為工件總長(cháng)（mm）；Δt為工件升高溫度（Δt=工件加工時(shí)溫度－未加工時(shí)工件溫度）。

例如吊桿加工：長(cháng)度L=760mm，直徑14mm，材料45鋼，切削熱影響使工件升溫30℃，則加工時(shí)細長(cháng)軸熱變形量ΔL=1.17×10-5×30×760=0.267mm

通過(guò)上式可看出，工件吊桿在加工時(shí)會(huì )伸長(cháng)0.267mm。而在車(chē)削時(shí)，卡盤(pán)和尾架是固定的，這樣兩者之間的距離也是不變的，由于細長(cháng)軸受熱后伸長(cháng)量受到限制，從而導致細長(cháng)軸受到擠壓產(chǎn)生彎曲變形。因此，提高細長(cháng)軸的加工精度，要解決工藝系統的受力和受熱變形。

2.解決細長(cháng)軸車(chē)削過(guò)程中變形的工藝方法

單位的教學(xué)產(chǎn)品材料力學(xué)多功能試驗臺中有一根吊桿長(cháng)760mm、直徑14mm（見(jiàn)圖3），是一個(gè)比較典型的細長(cháng)軸零件。在初的加工過(guò)程中由于加工工藝的不合理，車(chē)出的工件很難達到圖樣的要求，使零件產(chǎn)生錐度、水波紋及竹節紋等（見(jiàn)圖4）缺陷。通過(guò)改進(jìn)裝夾方式、調整切削用量、改變切削方式等加工工藝的變化，終加工出合格零件。

 （ａ）水波紋

（ｂ）竹節紋

圖4  材力架吊桿加工中產(chǎn)生的缺陷

（1）采用一夾一頂方式。如果用普通，受切削熱影響，工件肯定受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形，所以采用彈性活（見(jiàn)圖5），使細長(cháng)軸受熱后可以自由伸長(cháng)，提高加工精度。同時(shí)在卡盤(pán)卡爪與細長(cháng)軸之間墊入一個(gè)約3～5mm的開(kāi)口鋼圈，減小卡爪與細長(cháng)軸的軸向接觸長(cháng)度，消除裝夾時(shí)的過(guò)定位，從而減小彎曲變形（見(jiàn)圖6）。      

采用滾珠接觸的跟刀架。生產(chǎn)中我們用跟刀架輔助支撐，以增加工件剛性和穩定性。普通跟刀架兩爪支承，但由于工件本身的向下重力和工件校直不理想，車(chē)削時(shí)瞬時(shí)離開(kāi)支承爪，接觸支承爪時(shí)就產(chǎn)生振動(dòng)，易形成水波紋。終選擇用滾珠接觸的三爪跟刀架，使工件上下左右移動(dòng)受限制，只能繞軸線(xiàn)旋轉，減小車(chē)削振動(dòng)和工件變形，而且滾珠接觸的跟刀架將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可減小摩擦阻力。

使用跟刀架時(shí)注意：①主軸轉速不能過(guò)高，給支撐爪上潤滑油，防止過(guò)度磨損。②各爪支撐力要調整合理，過(guò)松不能支撐，過(guò)緊影響工件形狀精度，容易出現竹節形而影響加工質(zhì)量。

采用一夾一頂方式，方法簡(jiǎn)潔，不需過(guò)多的輔助工具和其他輔助加工。

（2）采用反向切削法車(chē)削細長(cháng)軸。切削時(shí)車(chē)刀由卡盤(pán)向尾架方向進(jìn)給，稱(chēng)為反向切削法（見(jiàn)圖7）。這時(shí)在加工中產(chǎn)生的軸向切削力使細長(cháng)軸承受拉力，消除軸向切削力引起的變形。 

反向切削法在加工時(shí)，需預先加工出一段過(guò)度軸，但不能保證其與加工軸同軸，所以決定不采用。

（3）采用雙刀車(chē)削。雙刀車(chē)削（見(jiàn)圖8）是采用前后兩把車(chē)刀同時(shí)進(jìn)行車(chē)削。兩把車(chē)刀徑向相對，前刀正裝，后刀反裝。車(chē)削時(shí)兩把刀產(chǎn)生的徑向切削力相互抵消，因此工件受力變形、振動(dòng)都很小，加工的精度好。但需要改裝車(chē)床中滑板，增加后置刀架，所以成本變高，只適用于專(zhuān)業(yè)大批量生產(chǎn)。

（4）合理選擇切削用量。切削速度（v）的選擇。圖9所示為切削速度與振動(dòng)強度及穩定性的關(guān)系曲線(xiàn)。

從圖9中可看出，車(chē)削時(shí)v一般在30～70m/min的速度范圍內，容易產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)相應的振幅值較大；高于或低于這個(gè)范圍，振動(dòng)呈現減弱趨勢。所以當加工直徑＜15mm時(shí)，取v≤30m/min；當加工直徑＞15mm時(shí)，取v≥70m/min。

進(jìn)給量f的選擇。在機床功率剛性許可情況下選大進(jìn)給量。根據經(jīng)驗，粗車(chē)時(shí)取f=0.15mm/ｒ，    半精車(chē)時(shí)f=0.1mm/ｒ，精車(chē)f=0.06mm/ｒ。

背吃刀量ap（切削深度）的選擇。隨著(zhù)切削深度的增大，車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的切削力、切削熱隨之增大，引起細長(cháng)軸的受力、受熱變形也增大，因此在細長(cháng)軸加工時(shí)，應盡量減少切削深度。根據經(jīng)驗，

粗車(chē)時(shí)ap=1mm，半精車(chē)ap=0.5mm，精車(chē)時(shí)ap=0.25mm。

（5）合理選擇刀具角度。刀具幾何角度中前角、主偏角和刃傾角對切削力的影響。

前角ro。前角大小直接影響切削力、切削溫度。增大前角可使被切削金屬層的切削變形減小，通過(guò)試驗可知，當前角ro增加10°，徑向分力Fp可減小30%。實(shí)際加工前角一般取ro=15°～30°，車(chē)刀前刀面磨斷屑槽，寬2～4mm，使得出屑流暢，卷屑性能好。

主偏角Kr。主偏角增大，徑向切削力減小，主偏角Kr= 75°～90°（裝刀時(shí)裝成85°～88°），

刃傾角。影響車(chē)削過(guò)程中切削流向，刃傾角增大，徑向切削力減小，一般在－10°～ +10°范圍內。細長(cháng)軸加工時(shí)，采用+3°～+10°，使切削流向待加工表面，從而保護已加工面。

（6）細長(cháng)軸螺紋的加工。細長(cháng)軸螺紋（M12以下）在機床上難以加工，通常采取的方式是用板牙直接套出來(lái)（見(jiàn)圖10）。

（a）

（b）

1.工裝套 2.未加工細長(cháng)軸 3.定位孔4.緊固螺釘 5.板牙 6.已加工好的螺紋 7.板牙架 8.刀臺

加工時(shí)用普通板牙裝置套螺紋，發(fā)現容易產(chǎn)生半邊切削，造成牙尖損壞、質(zhì)量差、效率低和廢品率高的現象?，F改裝普通板牙套如圖10所示，以彌補存在的不足，提高細長(cháng)軸螺紋的加工精度。

超長(cháng)螺桿套絲夾具包括工裝套、板牙架和緊固頂絲。工裝套前面有保證超長(cháng)螺桿加工精度的圓孔（圓孔主要起導向作用）和用來(lái)聯(lián)接圓孔的保持架，后面有固定板牙圓套，圓套上有兩個(gè)螺紋孔（一個(gè)用來(lái)聯(lián)接支撐桿，另一個(gè)用來(lái)旋轉緊固螺釘，使板牙固定在圓套上）。在加工超長(cháng)螺桿時(shí)，將棒料一端夾緊，另一端放在定位圓孔內（棒料直徑比圓孔直徑小0.05～0.15mm），棒料旋轉，超長(cháng)螺桿套絲夾具向前走，棒料經(jīng)過(guò)超長(cháng)螺桿套絲夾具內板牙的加工，可加工出高精度的超長(cháng)螺桿。

（7）材力架吊桿的車(chē)削方法。通過(guò)上述試驗分析，決定采用以下方法解決生產(chǎn)中出現的問(wèn)題。

首先對機床進(jìn)行了兩方面的調整：①車(chē)床主軸的調整：車(chē)床主軸過(guò)松，很容易造成在車(chē)削過(guò)程中的振動(dòng)，因此要把機床主軸適當調緊，從而防止機床跳動(dòng)和竄動(dòng)對零件加工的不利影響。②尾座的調整：如果尾座的中心線(xiàn)和主軸的中心線(xiàn)不在一條水平線(xiàn)上，產(chǎn)生同軸度誤差，車(chē)出的工件一定會(huì )出現錐度。

其次對零件的加工工藝進(jìn)行分析，確定了加工工藝（見(jiàn)附表）。

經(jīng)過(guò)上述辦法可解決吊桿生產(chǎn)中出現的問(wèn)題，使產(chǎn)品合格（見(jiàn)圖11）。

圖11  合格的吊桿

3.結語(yǔ)

通過(guò)對車(chē)削加工中影響細長(cháng)軸加工質(zhì)量因素進(jìn)行分析，將剛性差、抗彎能力弱及受熱彎曲變形等問(wèn)題，用調整機床的精度、改善裝卡方式、正確刃磨刀具角度和選擇合理切削用量等方法加以解決，從而有效地提高細長(cháng)軸的加工質(zhì)量，確保其加工精度。