细长轴的车削加工
摘要：细长轴在车削加工中承受自身重力、切削力、高速旋转产生的离心力的作用，极容易出现振动与弯曲变形现象，增大轴的几何形状误差，而细长轴的轴向尺寸较大，直径较小，热扩散性及刚性差，受切削热作用会在轴向发生线性膨胀，若在轴向的伸长量无法得到消除，轴将受迫弯曲，从而影响轴的精度。因此，要提高超细长轴车削加工的精度，必须对车床的夹具和刀具做进一步的改进。为了达到所要求的加工精度，加工过程中要使用跟刀架、弹性活络顶尖和中心架等夹具和辅具，针对加工过程可能出现的问题对普通跟刀架、尾座进行改进。采用托架避免工件产生很大的摆动；采用一夹一顶的装夹方式，尾座具有弹性,同时采用反向车削的方法，配合以最佳的刀具几何参数、切削用量等一系列有效措施，提高了细长轴的刚性，满足了加工要求。
关键词：细长轴 夹具 跟刀架 中心架 刀具 车削加工
一、 细长轴的特点
通常认为在机械中作旋转运动的长度大于直径的圆柱零件叫做轴，而工件的长度与直径之比大于25（即L/D>25）的轴类零件称为细长轴。车削细长轴与一般轴类相比，细长轴刚性差，易变形，振动大，给切削加工带来困难，不易获得良好的表面光洁度及几何精度，其加工特点如下：
１）热变形大。细长轴车削时热扩散性差、线膨胀大,当工件两端顶紧时易产生弯曲变形。严重时细长轴会被卡死而无法加工。
２）刚性差。车削时工件受到切削力、细长的工件由于自重下垂、高速旋转时受到离心力等都极易使其产生弯曲变形。
３）表面质量难以保证。由于工件自重、变形、振动影响工件圆柱度和表面粗糙度。
以下主要针对上面的三个加工特点来谈谈如何有效的提高细长轴的加工质量。
二、 如何预防细长轴车削加工变形的措施
（一）减小热变形伸长
车削时，因切削热传导给工件，使工件温度升高，工件就开始伸长变形，如车削直径φ50mm，长度Ｌ＝1500mm的细长轴，材料为45#钢，车削时因切削
热的影响，使工件比室温升高30℃ ，则细长轴热变形伸长量△L＝11.59×10－6（45#钢的线膨胀系数）×1500×30＝0.522mm 车削细长轴时，如果用两顶尖或用一端夹住一端顶住的方法加工，它的轴向位置是固定的，热变形伸长0.522mm，工件只能本身弯曲，细长轴一旦产生弯曲后加工就很难进行。因此加工细长轴时，在减小工件热变形方面一定要采取相应的措施。
1、使用弹性回转顶尖来补偿热变形伸长
采用一夹一顶装夹方式时，顶尖应采用弹性活顶尖（如图一右），使细长轴受热后可以自由伸长，减少其受热弯曲变形；经实践证明，用弹性回转顶尖加工细长轴可有效地补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲，车削比较容易进行。
2、为了避免工件在车削过程中被卡爪卡死，应在卡盘的每只卡爪下面横向垫入φ3—φ5mm的钢条（如图一左），夹入长度为15—20mm，从而使卡爪夹持工件变为线接触。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。
图一 带有弹性活顶尖和径向线接触的装夹方式
3、充分浇注切削液
车削细长轴时，无论是低速切削，还是高速切削，使用切削液进行冷却，能有效地抑制工件温度上升，从而抑制热变形。
4、刀具应经常保持锐利状态，以减小车刀与工件的摩擦发热，从源头控制热变形。
（二）采用适当的装夹方式， 增加细长轴的刚性，减小车削时的振动，提高细长轴的车削加工质量
1、中心架直接支承在工件中间
①当工件可分段车削时，中心架（如图二）支承在工件中间，采用这种支承，长度与直径之比值可减少一半，相当于减小了轴的支承跨距，细长轴的刚度可增加
几倍，能有效防止轴加工时的挠曲变形。
图二 中心架支承的装夹方式
②粗车时，在工件上安装一个套筒，套筒外圆涂抹润滑脂，使中心架支承爪与其接触，不直接接触工件，套筒的两端各装有4个螺钉，将套筒固定在工件上，并通过这4个螺钉调整套筒轴线与主轴旋转轴线相重合；精车时，在中心架支承爪与工件之间加一层细砂布或研磨剂，进行研磨。
2、使用跟刀架车削细长轴
为了减少工件因离心惯性力的作用而产生切削振动，我使用了三只支承爪的跟刀架（如图三）支承工件，三只支承爪为圆弧形，其圆弧半径与工件外圆配研，圆弧宽度为工件直径的1.2~1.5倍。工件的一面由车刀限制移动，另一面则由支承爪限制移动，上下支承爪限制工件的上下移动，工件的上下左右都受到了限制，工件只能绕轴线旋转，故而跟刀架的使用相当于在刀具旁8～12mm处设置了一个随动的支承，能有效地减少了切削振动和弯曲变形，有效地提高轴的刚度。
图三 三爪跟刀架装夹
3、采用反向进给车削细长轴，更能减小弯曲变形
所谓“反向进给”是指刀具由卡盘往尾架方向作为切削运动方向（如图四），常规的切削方向使得尾架的顶紧轴向力与切削轴向力方向一致，加剧了细长轴工
件的弯曲。反向进给的进给力方向指向尾架，同工件温升伸长量方向一致共同向弹性顶尖压缩。因此，为取得最佳效果，反向进给和弹性活顶尖一般都配合使用。
图四 反向进给切削方式
三、合理地使用车刀，提高加工质量。
（一）准确地选择车刀的几何形状和角度
车削细长轴，由于工件刚度差，对振动非常敏感，如果车刀的几何角度和形状选择不当，就难以保证所要求的加工精度。
选择车刀几何角度时主要考虑以下几
点：
1.为减少细长轴的弯曲变形，车刀的主
偏角取90°左右。因为随着主偏角kr的
增大，在切削力不变的情况下，会使径
向切削力Fp减小，轴向切削力Ff增大，
当kr等于90°时，径向切削分力Fp最小， 图五 车削角度及径向受力 轴向分力Ff增大，从而减少切削震动和弯曲变
形；(如图五)因此，要选用90°左右的外园车
刀。（如图六）
2.为降低切削力，减小切削变形和摩擦阻力，
降低热膨胀伸长量，选择大前角15～30°；
3.车刀前面应磨有R1.5～R3mm的断屑槽，以
利于切屑卷曲折断；
4.采用负刃倾角2～3°，以使反向进给时切屑
流向待加工表面； 图六 90°外园车刀及适宜角度
5.刃口表面粗糙度值应较小，并经常保持锋利，以提高车刀的寿命；
6.刀尖网弧半径小于0.3mm，切削刃的倒棱宽度应选得较小，约为进给量的一半。
（二）采用合理的切削用量
1.使用YT15硬质合金车刀粗车时，切削速度v=50～60m/min；切削深度αp=1.5～2mm；进给量f=0.3～0.4mm/r。
2.用YT15硬质合金车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴时：切削速度v=60～100m/min；切削深度αp=0.5～1mm；进给量f=0.08～0.12mm/r。
3.用宽刃车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴工件时：切削速度1.5m/min；切削深度0.02～0.05mm；走刀量12～14mm/r。
四、细长轴车削的注意事项：
除上述所述外，还要注意以下一些措施。
１、加工前应对车床进行检查调整。
２、检查和校直棒料工件。
３、注意车刀的安装，使车刀的刀尖略高于工件轴线，增加车削的平稳性，以防“扎刀”。
４、精车时应重修中心孔，顶尖的顶紧力不能太大，顶尖与工件间要留有0.1~0.2mm的间隙，避免工件产生“麻花形”，影响加工质量。
5、充分加注切削液。充分的切削液可以带走大量的切削热，减小工件的温升，从而减少了热变形。此外，使用切削液还可以防止跟刀架的支承爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。
6、保持刀具锋利。保持刀具锋利可以 减少切削变形，减少刀具与工件的摩擦，从而减少切削热的产生。
7、跟刀架和中心架支承爪与工件的间隙要恰当，接触要均匀，否则，会使工件产生多棱面。
8、跟刀架和中心架支承爪与工件的顶力要适当，顶力过大会使工件产生“竹节形”。
五、结论：
采取上述工艺措施，车削4米长的细长轴，表面粗糙度可达Ra=0.2μm以下，圆锥度小于0.03mm，圆度小于0.01mm，弯曲度小于0.08mm，保证了细长轴的
6.刀尖网弧半径小于0.3mm，切削刃的倒棱宽度应选得较小，约为进给量的一半。
（二）采用合理的切削用量
1.使用YT15硬质合金车刀粗车时，切削速度v=50～60m/min；切削深度αp=1.5～2mm；进给量f=0.3～0.4mm/r。
2.用YT15硬质合金车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴时：切削速度v=60～100m/min；切削深度αp=0.5～1mm；进给量f=0.08～0.12mm/r。
3.用宽刃车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴工件时：切削速度1.5m/min；切削深度0.02～0.05mm；走刀量12～14mm/r。
四、细长轴车削的注意事项：
除上述所述外，还要注意以下一些措施。
１、加工前应对车床进行检查调整。
２、检查和校直棒料工件。
３、注意车刀的安装，使车刀的刀尖略高于工件轴线，增加车削的平稳性，以防“扎刀”。
４、精车时应重修中心孔，顶尖的顶紧力不能太大，顶尖与工件间要留有0.1~0.2mm的间隙，避免工件产生“麻花形”，影响加工质量。
5、充分加注切削液。充分的切削液可以带走大量的切削热，减小工件的温升，从而减少了热变形。此外，使用切削液还可以防止跟刀架的支承爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。
6、保持刀具锋利。保持刀具锋利可以 减少切削变形，减少刀具与工件的摩擦，从而减少切削热的产生。
7、跟刀架和中心架支承爪与工件的间隙要恰当，接触要均匀，否则，会使工件产生多棱面。
8、跟刀架和中心架支承爪与工件的顶力要适当，顶力过大会使工件产生“竹节形”。
五、结论：
采取上述工艺措施，车削4米长的细长轴，表面粗糙度可达Ra=0.2μm以下，圆锥度小于0.03mm，圆度小于0.01mm，弯曲度小于0.08mm，保证了细长轴的
几何精度和表面粗糙度要求，获得了满意的加工效果，解决了金属切削中的一道难题，为切削加工找到了一条可供选择的切削途径。
参考文献
［1］上海市金属切削协会编 金属切削手册 【Ｊ】 社会科学技术出版社 1984.4
［2］李凯岭．机械制造技术基础【CMEC】清华大学出版社2010.4出版
［3］潘逊．提高细长轴加工精度的措施【Ｊ】．有色冶金节能，2001，１：32～33
［4］韩鸿鸾、邹玉杰 数控车工全技师 化学工业出版社 2009..8
细长轴的车削加工
摘要：细长轴在车削加工中承受自身重力、切削力、高速旋转产生的离心力的作用，极容易出现振动与弯曲变形现象，增大轴的几何形状误差，而细长轴的轴向尺寸较大，直径较小，热扩散性及刚性差，受切削热作用会在轴向发生线性膨胀，若在轴向的伸长量无法得到消除，轴将受迫弯曲，从而影响轴的精度。因此，要提高超细长轴车削加工的精度，必须对车床的夹具和刀具做进一步的改进。为了达到所要求的加工精度，加工过程中要使用跟刀架、弹性活络顶尖和中心架等夹具和辅具，针对加工过程可能出现的问题对普通跟刀架、尾座进行改进。采用托架避免工件产生很大的摆动；采用一夹一顶的装夹方式，尾座具有弹性,同时采用反向车削的方法，配合以最佳的刀具几何参数、切削用量等一系列有效措施，提高了细长轴的刚性，满足了加工要求。
关键词：细长轴 夹具 跟刀架 中心架 刀具 车削加工
一、 细长轴的特点
通常认为在机械中作旋转运动的长度大于直径的圆柱零件叫做轴，而工件的长度与直径之比大于25（即L/D>25）的轴类零件称为细长轴。车削细长轴与一般轴类相比，细长轴刚性差，易变形，振动大，给切削加工带来困难，不易获得良好的表面光洁度及几何精度，其加工特点如下：
１）热变形大。细长轴车削时热扩散性差、线膨胀大,当工件两端顶紧时易产生弯曲变形。严重时细长轴会被卡死而无法加工。
２）刚性差。车削时工件受到切削力、细长的工件由于自重下垂、高速旋转时受到离心力等都极易使其产生弯曲变形。
３）表面质量难以保证。由于工件自重、变形、振动影响工件圆柱度和表面粗糙度。
以下主要针对上面的三个加工特点来谈谈如何有效的提高细长轴的加工质量。
二、 如何预防细长轴车削加工变形的措施
（一）减小热变形伸长
车削时，因切削热传导给工件，使工件温度升高，工件就开始伸长变形，如车削直径φ50mm，长度Ｌ＝1500mm的细长轴，材料为45#钢，车削时因切削
热的影响，使工件比室温升高30℃ ，则细长轴热变形伸长量△L＝11.59×10－6（45#钢的线膨胀系数）×1500×30＝0.522mm 车削细长轴时，如果用两顶尖或用一端夹住一端顶住的方法加工，它的轴向位置是固定的，热变形伸长0.522mm，工件只能本身弯曲，细长轴一旦产生弯曲后加工就很难进行。因此加工细长轴时，在减小工件热变形方面一定要采取相应的措施。
1、使用弹性回转顶尖来补偿热变形伸长
采用一夹一顶装夹方式时，顶尖应采用弹性活顶尖（如图一右），使细长轴受热后可以自由伸长，减少其受热弯曲变形；经实践证明，用弹性回转顶尖加工细长轴可有效地补偿工件的热变形伸长，工件不易弯曲，车削比较容易进行。
2、为了避免工件在车削过程中被卡爪卡死，应在卡盘的每只卡爪下面横向垫入φ3—φ5mm的钢条（如图一左），夹入长度为15—20mm，从而使卡爪夹持工件变为线接触。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。
图一 带有弹性活顶尖和径向线接触的装夹方式
3、充分浇注切削液
车削细长轴时，无论是低速切削，还是高速切削，使用切削液进行冷却，能有效地抑制工件温度上升，从而抑制热变形。
4、刀具应经常保持锐利状态，以减小车刀与工件的摩擦发热，从源头控制热变形。
（二）采用适当的装夹方式， 增加细长轴的刚性，减小车削时的振动，提高细长轴的车削加工质量
1、中心架直接支承在工件中间
①当工件可分段车削时，中心架（如图二）支承在工件中间，采用这种支承，长度与直径之比值可减少一半，相当于减小了轴的支承跨距，细长轴的刚度可增加
几倍，能有效防止轴加工时的挠曲变形。
图二 中心架支承的装夹方式
②粗车时，在工件上安装一个套筒，套筒外圆涂抹润滑脂，使中心架支承爪与其接触，不直接接触工件，套筒的两端各装有4个螺钉，将套筒固定在工件上，并通过这4个螺钉调整套筒轴线与主轴旋转轴线相重合；精车时，在中心架支承爪与工件之间加一层细砂布或研磨剂，进行研磨。
2、使用跟刀架车削细长轴
为了减少工件因离心惯性力的作用而产生切削振动，我使用了三只支承爪的跟刀架（如图三）支承工件，三只支承爪为圆弧形，其圆弧半径与工件外圆配研，圆弧宽度为工件直径的1.2~1.5倍。工件的一面由车刀限制移动，另一面则由支承爪限制移动，上下支承爪限制工件的上下移动，工件的上下左右都受到了限制，工件只能绕轴线旋转，故而跟刀架的使用相当于在刀具旁8～12mm处设置了一个随动的支承，能有效地减少了切削振动和弯曲变形，有效地提高轴的刚度。
图三 三爪跟刀架装夹
3、采用反向进给车削细长轴，更能减小弯曲变形
所谓“反向进给”是指刀具由卡盘往尾架方向作为切削运动方向（如图四），常规的切削方向使得尾架的顶紧轴向力与切削轴向力方向一致，加剧了细长轴工
件的弯曲。反向进给的进给力方向指向尾架，同工件温升伸长量方向一致共同向弹性顶尖压缩。因此，为取得最佳效果，反向进给和弹性活顶尖一般都配合使用。
图四 反向进给切削方式
三、合理地使用车刀，提高加工质量。
（一）准确地选择车刀的几何形状和角度
车削细长轴，由于工件刚度差，对振动非常敏感，如果车刀的几何角度和形状选择不当，就难以保证所要求的加工精度。
选择车刀几何角度时主要考虑以下几
点：
1.为减少细长轴的弯曲变形，车刀的主
偏角取90°左右。因为随着主偏角kr的
增大，在切削力不变的情况下，会使径
向切削力Fp减小，轴向切削力Ff增大，
当kr等于90°时，径向切削分力Fp最小， 图五 车削角度及径向受力 轴向分力Ff增大，从而减少切削震动和弯曲变
形；(如图五)因此，要选用90°左右的外园车
刀。（如图六）
2.为降低切削力，减小切削变形和摩擦阻力，
降低热膨胀伸长量，选择大前角15～30°；
3.车刀前面应磨有R1.5～R3mm的断屑槽，以
利于切屑卷曲折断；
4.采用负刃倾角2～3°，以使反向进给时切屑
流向待加工表面； 图六 90°外园车刀及适宜角度
5.刃口表面粗糙度值应较小，并经常保持锋利，以提高车刀的寿命；
6.刀尖网弧半径小于0.3mm，切削刃的倒棱宽度应选得较小，约为进给量的一半。
（二）采用合理的切削用量
1.使用YT15硬质合金车刀粗车时，切削速度v=50～60m/min；切削深度αp=1.5～2mm；进给量f=0.3～0.4mm/r。
2.用YT15硬质合金车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴时：切削速度v=60～100m/min；切削深度αp=0.5～1mm；进给量f=0.08～0.12mm/r。
3.用宽刃车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴工件时：切削速度1.5m/min；切削深度0.02～0.05mm；走刀量12～14mm/r。
四、细长轴车削的注意事项：
除上述所述外，还要注意以下一些措施。
１、加工前应对车床进行检查调整。
２、检查和校直棒料工件。
３、注意车刀的安装，使车刀的刀尖略高于工件轴线，增加车削的平稳性，以防“扎刀”。
４、精车时应重修中心孔，顶尖的顶紧力不能太大，顶尖与工件间要留有0.1~0.2mm的间隙，避免工件产生“麻花形”，影响加工质量。
5、充分加注切削液。充分的切削液可以带走大量的切削热，减小工件的温升，从而减少了热变形。此外，使用切削液还可以防止跟刀架的支承爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。
6、保持刀具锋利。保持刀具锋利可以 减少切削变形，减少刀具与工件的摩擦，从而减少切削热的产生。
7、跟刀架和中心架支承爪与工件的间隙要恰当，接触要均匀，否则，会使工件产生多棱面。
8、跟刀架和中心架支承爪与工件的顶力要适当，顶力过大会使工件产生“竹节形”。
五、结论：
采取上述工艺措施，车削4米长的细长轴，表面粗糙度可达Ra=0.2μm以下，圆锥度小于0.03mm，圆度小于0.01mm，弯曲度小于0.08mm，保证了细长轴的
6.刀尖网弧半径小于0.3mm，切削刃的倒棱宽度应选得较小，约为进给量的一半。
（二）采用合理的切削用量
1.使用YT15硬质合金车刀粗车时，切削速度v=50～60m/min；切削深度αp=1.5～2mm；进给量f=0.3～0.4mm/r。
2.用YT15硬质合金车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴时：切削速度v=60～100m/min；切削深度αp=0.5～1mm；进给量f=0.08～0.12mm/r。
3.用宽刃车刀，使用弹性活顶尖一夹一顶装夹，上跟刀架，反向进给精车细长轴工件时：切削速度1.5m/min；切削深度0.02～0.05mm；走刀量12～14mm/r。
四、细长轴车削的注意事项：
除上述所述外，还要注意以下一些措施。
１、加工前应对车床进行检查调整。
２、检查和校直棒料工件。
３、注意车刀的安装，使车刀的刀尖略高于工件轴线，增加车削的平稳性，以防“扎刀”。
４、精车时应重修中心孔，顶尖的顶紧力不能太大，顶尖与工件间要留有0.1~0.2mm的间隙，避免工件产生“麻花形”，影响加工质量。
5、充分加注切削液。充分的切削液可以带走大量的切削热，减小工件的温升，从而减少了热变形。此外，使用切削液还可以防止跟刀架的支承爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量。
6、保持刀具锋利。保持刀具锋利可以 减少切削变形，减少刀具与工件的摩擦，从而减少切削热的产生。
7、跟刀架和中心架支承爪与工件的间隙要恰当，接触要均匀，否则，会使工件产生多棱面。
8、跟刀架和中心架支承爪与工件的顶力要适当，顶力过大会使工件产生“竹节形”。
五、结论：
采取上述工艺措施，车削4米长的细长轴，表面粗糙度可达Ra=0.2μm以下，圆锥度小于0.03mm，圆度小于0.01mm，弯曲度小于0.08mm，保证了细长轴的
几何精度和表面粗糙度要求，获得了满意的加工效果，解决了金属切削中的一道难题，为切削加工找到了一条可供选择的切削途径。
参考文献
［1］上海市金属切削协会编 金属切削手册 【Ｊ】 社会科学技术出版社 1984.4
［2］李凯岭．机械制造技术基础【CMEC】清华大学出版社2010.4出版
［3］潘逊．提高细长轴加工精度的措施【Ｊ】．有色冶金节能，2001，１：32～33
［4］韩鸿鸾、邹玉杰 数控车工全技师 化学工业出版社 2009..8