细长轴车削加工形变原因及对策

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摘要：当前，轴类零部件被广泛应用于各种机械装置，轴类零件的加工质量在一定程度上影响着机器装置装配的精度以及日常的使用情况。细长轴刚性偏低，整体加工难度偏高，是当前相关生产领域亟需解决的一个难点。为此，文章以轴类零部件加工过程中的注意事项为切入点，分析了细长轴车削加工过程中出现弯曲形变的原因，并提出了对策，以供参考。

关键词：细长轴车削；机械加工；形变研究

轴即在机械内部做旋转等运动的长度超过直径的圆柱形零件，而长度是直径的20倍～25倍（L/D＞20～25），更长的轴被称为细长轴。在机械加工工作中，细长轴车削加工技术属于当前应用较为广泛的一类加工工艺，但是细长轴的刚性较差，且车削时受热变形与受力形变的现象较为明显，会因为自重以及离心力等发生弯曲与变形，所以细长轴在实际加工过程中的加工水平与质量很难得到有效保证[1]。

1轴类零部件加工的注意事项

通常情况下，轴类零件往往会被应用到支撑传动、传递扭矩以及承受荷载等部件之中，在使用轴类零件时一般都需要回转。因此，在对轴类零件进行加工时一定要注意以下技术要求，即强度、尺寸的进度、位置的进度、刚度、形状的进度以及零件表面的粗糙程度等。除此之外，在结构方面还需要确保轴上零件的定位准确可靠，也应当便于进行拆卸与维修调整等处理。

2细长轴车削加工过程中弯曲形变的原因

通过实际的加工作业经验开展相关的研究与分析可以发现，在细长轴车削加工作业之中，导致细长轴产生弯曲形变的关键原因主要包括以下几点。1）因切削力引起的变形。在车削作业之中形成的切削力相对较多，在对这些力进行分解之后可以发现三向力是其中的主要部分，即轴向与切向以及径向力。由于切削力不同，因此在细长轴车削作业过程中对于弯曲形变产生的具体作用也不尽相同[2-3]。一方面是径向切削力产生的影响。对于径向切削力而言，它最主要的作用即发出垂直型的力，该力会直接通过细长轴进而作用在轴线的水平面内，因为细长轴的刚性相对较弱，所以径向力会使得其产生弯曲形变，从而导致处于水平面之内的车削细长轴发生不同程度的损坏。相较于其他因素，径向切削力所导致的细长轴弯曲形变问题较为显著。另一方面是轴向切削力产生的影响。不同于径向切削力，轴向切削力是水平型，工件在该力作用之下也会产生弯曲形变。在常规的车削加工作业过程中，轴向的切削力所导致的弯曲形变问题相对较小，甚至可以在某种程度上进行忽视处理。但是由于细长轴的刚性极差且稳定程度较低，因此轴向切削力往往会大于定量的数值，而这就会导致细长轴因为受力而产生弯曲，进而使得纵向弯曲形变问题的出现。2）切削热造成的影响。在加工作业时往往会出现切削热，当工件受热之后也会出现形变伸长等问题。在开展车削作业时，尾架以及卡盘由于被固定而无法进行移动，并且二者间的距离也保持恒定不变。在这种状态下，细长轴因为受热而形成的轴向的伸长距离也受到了一定限制，从而导致细长轴由于轴向挤压等作用出现弯曲形变等问题。由此看来，要确保细长轴车削加工的作业精准度，最关键的一个操作即控制工艺系统的受力以及受热等相关因素，预防形变问题。

3细长轴车削加工过程中弯曲形变的应对对策

3.1提升细长轴车削加工技术的精度。在对细长轴进行加工时，需要按照生产的实际条件和情况等，选择最佳的优化方案，从而让细长轴加工的精度得到有效提升。在细长轴中，顶尖孔属于定位的基准，通常在开展精加工处理之前需要先修整中心孔，让两端的中心孔保持同轴状态，同时中心孔的圆度、角度以及表面的粗糙度等要都需要满足对应的定位标准，一般出现弯曲度不符合标准这一问题的原因主要是毛坯料的内应力过大，在进行了粗加工之后会发生应力回弹的现象，进而使零件产生弯曲形变，因此最好挑选应力较小且适宜的毛坯料，倘若条件允许，还可以进行材料退火[4]。3.2避免热变形伸长。在车削加工过程中，由于切削热传递给了工件，因此工件的温度会出现显著升高，并且工件也会随之发生伸长与形变，例如在车削直径φ为50mm、长度L为1500mm的细长轴时，所选用的材料是45#钢，在进行车削加工时会由于切削热等因素影响，让工件的温度相较于室温升高约30℃，此时细长轴的热形变伸长量为L=11.59×10-6×1500×30=0.522mm。在开展细长轴的车削加工处理时，通常采用两顶尖以及用一端来夹住而另一端顶住等方式进行加工处理，细长轴轴向的位置会处于固定状态；倘若热形变的伸长量是0.522mm，那么工件便只能自身弯曲，而一旦细长轴出现弯曲之后，后续的加工工作便很难顺利进行。因此在对细长轴进行加工时，必须采取科学且有效的措施来避免工件发生热形变等问题。首先，可以借助弹性回转顶尖的方式对热形变伸长进行补偿。通过实践证明，借助弹性回转顶尖的方式对细长轴进行加工，可以有效补偿工件热形变伸长，由于此类方式加工的零件很难发生弯曲，因此车削加工进行得相对顺畅。其次，借助反向进给的方式进行细长轴车削加工，可以有效预防弯曲形变。反向进给即刀具以卡盘向尾架的方向当作切削的运动方向，一般的切削方向同尾架顶紧轴向力以及切削的轴向力的方向保持一致，从而进一步加剧了原本细长轴工件弯曲的程度。通常情况下，反向进给力的方向会指向尾架，与工件温升的伸长量方向保持一致，一同向弹性顶尖进行压缩。总之，要想取得一个较为理想的效果，最好将反向进给与弹性活顶尖进行搭配使用。最后，要对切削液进行充分浇筑。当开展细长轴车削加工时，不管是进行低速的切削，或者是进行高速切削，所使用的切削液都需要进行科学的冷却处理，只有经过了冷却处理，其才可以有效抑制工件的温度发生急剧升高，进而防止受热变形[5-6]。3.3挑选适宜的装夹模式。在对细长轴进行加工时，一夹一顶式的装夹方式属于当前应用较为广泛的一类加工形式。然而在应用此装夹方式时，顶尖若处于过度顶紧的状态，那么细长轴很可能会产生弯曲形变等问题，而且可能会对细长轴受热伸长产生一定的阻碍，从而让细长轴因受到了轴向的挤压而出现弯曲形变。除此之外，卡爪夹的紧面和顶尖孔不一定处于同轴状态，在装夹之后可能会经过定位处理，从而使得细长轴发生不同程度的弯曲与形变。在应用一夹一顶型的装夹模式时，最好将弹性活顶尖作为首选顶尖，从而让细长轴在受热之后能进行自由伸长，同时顶尖的顶力保持一个适度状态，能有效减少细长轴受热弯曲与形变的程度，还可以于卡爪和细长轴之间放入一个呈开口状的钢丝圈，直径最好在4mm～5mm，从而缩小卡爪和细长轴轴向的接触距离，进而最大程度地消除在安装时存在的过定位等问题，最终有效预防弯曲与形变问题的出现。3.4选择先进且优秀的加工方案。1）轴向拉夹法。轴向拉夹实际上即在细长轴车削加工的过程中，使用卡盘夹紧细长轴任意的一端，而另一端则由经过专业设计的夹拉头进行夹紧，此时夹拉头会向细长轴处施加一个轴向的拉力，并且细长轴在整个车削的过程中会一直受到该轴向拉力的作用，进而有效避免了因轴向切削力所导致的细长轴弯曲变形等问题。另外，细长轴还会因为轴向拉力作用而减小其因径向切削力所造成的形变，并在一定程度上对由于切削热所形成的轴向伸长量进行补偿，最终让细长轴刚性与加工的进度得到有效提升。2）反向切削法。在细长轴车削加工的过程中，车刀从主轴卡盘处逐渐朝着尾架的反向进给，变换加工时走刀的方向，是目前避免细长轴发生形变弯曲的一个重要举措。当由主轴的方向朝着尾座的方向进行车削加工时，最好与弹性顶尖进行搭配使用，工件在这种情况下受到的轴向力会转换成拉力，因此并不会出现“失稳”弯曲形变，从而有效预防了因轴向切削力而导致的弯曲形变等问题。3.5科学控制切削用量。1）切削的深度。将工艺系统的刚度当作前提与基础，在开展车削加工工作时所出现的切削力、受热形变、切削热等均会随切削的深度而发生改变。当深度增加时，上述要素也会随之增加，因此最好降低切削的深度。2）进给量。增加进给量会让切削的厚度产生对应的变化，同时切削力也会显著增加。但是切削力并未以正比的关系进行增加，因此细长轴受力形变的系数会有一定下降，而如果从提升切削的效率这一角度进行分析，加大进给量要比提高切削的深度具有更高的价值。3）切削的速度。当切削的速度增加时，切削的温度也会有所增长，而当刀具和工件间的摩擦力减小之后，细长轴受力的形变也会随之减小。但是当切削的速度较快时，极易导致细长轴因离心力的作用而发生弯曲，进而对切削平稳性产生破坏，必须将切削的速度控制在一个科学且可控的范围内。

4结束语

细长轴车削加工是当前应用较为广泛的一个加工方式，由于细长轴刚性较差，在进行车削加工处理时，力度以及热量等都会对它造成极大的影响，在这种情况下，细长轴发生形变的概率也极高，很难完全达到对应的质量要求。为此，必须挑选最佳的装夹方式以及先进且科学的加工方案，应用对应的切削用量提升细长轴加工水平，同时通过多种措施搭配使用的方式让车削弯曲的形变量减小至最小，乃至彻底消除。

参考文献：

[1]赖啸,刘勇,郭容.复杂轴类零件数控车削中细长轴的加工方案[J].南方农机,2018,49(17):144.

[2]蒋灿,李震.细长轴车削加工工艺[J].现代制造技术与装备,2018(12):122+126.

[3]高璐,刘北川.细长轴的车削加工方法浅析:第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集[C].许昌:河南省汽车工程学会,2012:206-207.

[4]姚小强.细长轴车削加工关键技术探讨[J].江苏科技信息,2020,37(20):34-36.

[5]黄跃,熊强,姜利民.浅析细长轴车削加工关键技术[J].南方农机,2015,46(8):29-30.

[6]钟洁萍.细长轴车削加工工艺方法分析研究[J].南方金属,2017(2):71-74.

作者:郝志敏 单位:新乡职业技术学院