如何提高细长轴的加工的精度

如何提高细长轴车削的精度

罗田何新山

【内容提要】细长轴在机械工业中应用较为广泛，虽然它的外形并不

复杂，但由于其身刚度低（长径比越大，刚度越低），车削时受切削刀、重力、切削热等因素的影响，容易发生弯曲变形，产生振动、锥度、腰

鼓形和竹节形等缺陷，难以保证加工精度和达到使用的性能，从而使细

长轴的车削成为难度较大的加工工艺。本文对细长轴的定义、车削精度

的提高、车削需注意的问题及预防措施四个方面提出了个人的看法，以

供读者参考。

【关键词】细长轴车削精度提高

一、细长轴的定义

通常将工件长度L与直径D之比，（即长径比）大于25（L/d>25）的轴类零件称为细长轴。

二、车削精度的提高

针对加工的实际，要提高细长轴车削的精度，可以从一下四个方面进行：1、用中心架支撑车细长轴

中心架是车床的附件，在车刚度低的细长轴，或是不能穿过车床主轴孔的粗长工件以及孔与外圆同轴度要求较高的较长工件时，往往采用中心架来增强刚度、保证同轴度。工作时架体通过压板和螺母紧固在床身上，上盖和架体用圆柱销作活动连接，为了便于装卸工件，上盖可以打开或扣合，并用螺钉锁定，三个支撑爪的升降分别用三个调整螺钉来调整，以适应不同直径的工件，并分别用三个坚固螺钉锁定。中心架的支撑爪是易损件，磨损后可以更换，其材料应选用耐磨性好、不易研伤工件的材料，通常采用青铜，球墨铸铁、胶木、尼龙1010等材料。

1）装夹工件的方法

使用中心架支撑车细长轴的关键是使中心架与工件表面接触的三个支撑爪所决定的圆，其圆心必须在车床主轴的回转轴线上。车削时，工件一般采用两顶尖装夹或一夹一顶方式装夹：

两顶尖装夹工件

先在工件中部中心架支撑部位用低速、小进给量的切削方法车出一段沟槽，沟槽直径应略大于该处工件要求的尺寸，沟槽宽度应宽于支撑爪，沟槽应有较小的表面粗糙度值（RA值为1.6μm）和较高的形状精度（圆度误差小于0.05mm），然后装上中心架，在开车时按A→B→C的顺序调整中心架的三个支撑爪，使它们与沟槽的槽底圆柱表面轻轻接触。车削完一端后，将工件调头装夹，用中心架的三个支撑爪轻轻支撑已加工表面，再车另一端至尺寸要求。

用中心架支撑车细长轴适用于工件加工精度要求不高，可以采用分段车削中调头车削的场合。对于外径不规则的工件（如中心架支撑部位有键槽或花键等）或毛坯，可以采用中心架配心过渡套筒的支撑工件的方式车削细长轴。过渡套筒如图所示，其内孔经被加工工件外径大20mm左右，外径的圆度应在0.02mm以内，过渡套筒两端各装有3～4个调整螺钉，用于夹持毛坯工件和调整。使用时，调整这些螺钉，并用百分表校正，使过渡套筒外圆筒外圆轻轻接触，并能使工件均匀转动，即可车削，如图所示。

用百分表校正过渡套筒用中心架—过度套筒支撑车细长轴1—工件 2—过渡套筒 3—百分表 4—调整螺钉

车削一端后，撤去过渡套筒，调头装夹工件，调整中心架支撑爪与已加工表面接触，再车另一端。

一夹一顶装夹

当工件一端用卡盘夹紧，另一端用中心支撑时，工件在中心架上装夹的校正有以下三种形式：

1）工件经一夹一顶半精车外圆后，若须车端面，车孔或精车外圆时，由于经半精车的外圆为基准，依次调整中心架的三个支撑爪与工件接触处加注润滑油，移去尾座，校正完成，即可车削。

2）外圆已加工、不太长的工件，可以一端夹持在卡盘上，另一端用中心架支撑。

在校正开始时，先用手转动卡盘，用划针或（和）百分表校正工件两端外圆，然后依次调整中心架的三个支撑爪，使之与工件外圆轻轻接触。

3）外圆已加工、工件较长时，可以将工件一端夹持在卡盘上，另一端用中心架支撑。先在靠近卡盘处将工件外圆校正，然后援床鞍、中滑板用划针或百分表在工件两端作对比测量（当工件两端被测处直径相同），或用游标高度尺测量两端实际尺寸，然后相应的半径差进行比较（当工件两端被测处直径不同），并以此来调整中心架支撑爪使工件两端高低一致、前后一致，如图所示。

2）尾座中心位置的校正

两顶尖装夹、中间用中心架支撑车细长轴时，常出现车出的外圆有锥度，产生锥度的原因除中心架支撑爪调整不当或支撑爪本身的接触状态不良外，尾座的偏移是一个重要因素，所以必须认真校正尾座。尾座校正的方法是在车中心架支撑部位的外圆柱面的同时，在工件两端各车一段直径相同的外圆（应留有足够的余量），用两块百分表校正尾座的中心位置，如图所示。

当测得在工件两端中滑板进给量读数相同，而百分表在外圆的读数不同时，说明尾座中心偏移，应进行校正，直到在工件两端百分表读数相同为止。尾座校

正后，如果细长轴车削中仍发现锥度，则先检查是否因车力严重磨损引起，如果不是，则可判定原因是中心架支撑爪将工件支撑偏所致，只需调整中心架下面两个支撑爪即可。

2、用跟刀架支撑车细长轴

跟刀架也是车床的附件，一般固定在车床床鞍上，车削时跟随在车刀后面移动，承受作业在工件上的切削力。细长轴刚度低，车削较困难，如采用跟刀架来支撑，可以增强其刚度，防止工件弯曲变形，保证细长轴的加工质量。

1）更刀架的结构和选用

跟刀架常用的有两种：两爪跟刀架和三爪跟刀架，跟刀架的结构如图所示。支撑爪1、2的径向移动可直接通过旋转手柄4实现；支撑爪3的径向移动则通过旋转手柄，使锥齿轮5转动，带动锥齿轮6使丝杆7转到来实现。跟刀架的支撑爪1、2用来承受工件上切削力F的两个分力F1、F2，而重力Q对工件的作用则由支撑爪3来承受。对于具有足够刚度，不致因重力而引起弯曲变形的工件，使用两爪跟刀架可以满足加工要求；但刚度低，在重力作用下容易产生弯曲变形的细长轴，为避免车削时工件受重力作用产生变形而瞬时离开支撑爪、瞬时接触支撑爪，引起振动，需选用三爪跟刀架支撑工件，使工件支撑在三个支撑爪和车刀刀尖之间，上下，左右不能移动，使车削稳定。

2）跟刀架支撑爪的调整方法：

?在工件的已加工表面上，调整支撑爪与车刀的相对支撑位置，一般是使支撑

爪位于车刀的后面，两者轴向距离应小于10mm。

?应先调整后支撑爪，调整时，应综合运用手感、耳听、目测等方法控制支撑

爪，使它轻微接触到外圆为止。再集资调整下支撑爪和上支撑爪，要求各支撑爪都能与轴保持相同的合理间隙，使轴可自由转动。跟刀架支撑爪与工件的接触压力应调整适当，否则会影响加工精度，使工件产生竹节形的形状误

差，如图所示。

工件在尾座端由后顶尖支撑，刚开始车削时，工件不易发生变形，支撑爪压力调整不适当不会反映到工件上去，但车削一段距离后，车刀远离后顶尖，工件刚度逐渐降低，容易发生变形。此时若支撑爪的接触压力过小，甚至没有接触，则没有起到增加刚度的作用；若接触压力过大，使工件被顶向车刀，切削深度增大，造成车出的直径偏小。当跟刀架支撑爪随车刀移动，支撑到这一段外圆时，支撑爪与工件表面的接触压力突然减小，甚至支撑爪与工件脱离接触，这时工件在径向切削分力的作用下向外偏让，使切削深度减小，于是车出的直径偏大。以后当支撑爪支撑到这一段直径偏大的外圆时，又会将工件顶向车刀，使车出的直径偏小。如此周而复始有规律地变化，则把细长工件车成“竹节”形。

3）支撑爪的修正

车削时，发现跟刀架支撑爪与工件有的不良接触状态，必须对支撑爪进行修正。修正可在本车床上进行，先将跟刀架固定在床鞍上，再将有可调刀杆的内孔车刀装在卡盘上，调整支撑爪位置，然后使主轴（车刀）转动，用床鞍作纵向进给车削支撑面，使三个支撑面构成的圆的直径基本等于工件支撑轴颈的直径。

（支撑爪的不良接触状态）

3、解决工件热变形的而伸长的问题

车削细长轴时，因工件细长，热扩散性能差，在传导给工件的切削热的作用下，工件受热伸长变形产生相当大的线膨胀。由于车细长轴时工件一般采用两端尖装或一夹一顶装夹，其轴向位置是固定的，工件的伸长将导致发生弯曲，在工件高速回转时，由工件弯曲而引起的离心力，还将使弯曲进一步加剧，使车削无法进行。工件的伸长还可能造成工件在两顶尖间被卡住的现象。具体减少热变形的主要措施：

?细长轴应采取一夹一顶装夹方式，卡盘夹持的工件部分不宜过长，一般

在15mm左右。最好将钢丝圈垫在卡盘爪的凹槽中，使与工件成点接触，工件在卡盘内能自由调节其位置，避免夹紧变形伸长，也不会因卡盘夹死而产生内应力。如图：

?使用弹性回转顶尖来补偿工件的热变形伸长。

?采用反向进给方法车削。反向进给就是车削时床鞍带动车刀由床头箱向

尾座方向运动。反向进给时工件所受的轴向切削分力使工件受拉（与工件伸长变形方向一致），由于细长轴左端通过钢丝圈固定在卡盘内，右端支撑在弹性回转顶尖上，可以自由伸缩，不易产生弯曲变形，而且还能使工件获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值。

?充分加注切削液可有效地减少工件所吸收的热量，减少工件的热变形伸

长，还可以降低刀尖的温度和延长刀具的使用寿命。因此，车细长轴时，无论是低速切削，不是高速切削，都必须充分加注切削液。

4、合理选择车刀几何形状

车削细长轴时，由于工件风度低，车刀的几何开关对减小作用在工件上的切削力，工件弯曲变形和振动，减少切削热的产生均有明显的影响，选择时主要考虑：

1）在不影响刀具有强度的情况下，应尽量增大车刀的主偏角，以减小径向切削侵分力，一般取kr=80°～93°。

2）取较大的前角，以减小切削力和切削热，一般取r。=15°～30°。

3）车刀前面应磨有R1.5～3mm的断屑槽。

4）选择正刃倾角，使切屑流向待加工表面，一般取λ=+3°～10°。

5）为减小径向切削分力，应选择较小的刀尖圆弧半径和小的倒棱宽度，一般re<0.3mm，br=0.5f.

此外，选用红硬性和耐磨性好的刀片材料（如硬质合金YT15、YT30、YW1等），并提高刀尖的刃磨质量，使切削刃经常保持锋利，表面粗糙度Ra值小于0.4μm。以下图为例进行分析：

1、零件图样分析

如下图：工件为一根光轴，轴径为φ（20±0.1）mm、长1000mm，长径比达50倍，适合用跟刀架支撑车削。直线度误差不大于0.2mm，表面粗糙度Ra 值为3.2μm。

2、工艺准备

1）校直毛坯，细长轴工件的毛坯存在弯曲时应进行校直，校直坯料不仅可使车削时余量均匀，避免或减小加工中的振动，而且还可以减小切削后的表面残余应力，避免产生较大的变形。校直后的毛坯，其直线度误差应小于1mm，毛坯校直后还要进行时效处理，以消除内应力。

2）准备三爪跟刀架并作好检查、清洁工作，若支撑爪端面磨损严重或弧面太大，

应取下并根据支撑基准面直径来进行修正。

3）刃磨好粗、精车用的细长外圆车刀。

3、加工的步骤

1）将毛坯轴穿入车床主轴孔中，右端伸出卡盘约100mm，用三爪自定心卡盘夹紧，然后车端面，钻中心孔，同时粗车一段外圆至φ22mm，长30mm，用于以后卡盘夹紧时的定位基准。用同样的方法调头装夹，车端面保证总长1000mm，钻中心孔。

注意：为防止车削时细长的毛坯轴孔中摆动而引起弯曲，可用木楔或棉纱等物将毛坯轴左端固定在主轴孔径无法穿入主轴孔时，可利用中心架和过渡套简，采用一段夹持、一端由架支持的方式装夹车端面和钻中心孔。

2）在φ22mm*30mm的外圆柱面上套以截面直径为φ5mm的钢丝圈，并用三爪自定心卡盘一端的毛胚右端用弹性回转顶尖支撑。在靠近卡盘一端的毛胚外圈上车削跟刀架支撑基准，其宽度比支撑爪宽度大15∽20mm,并在其右侧车一圆锥角约为40的圆锥面，以使接刀车削时切削逐渐增加，不致因切削力宊缘变化而造成让刀和工件变形，如下图所示：

车跟刀架基准1—跟刀架2—工件

3）装跟刀架，以已车削的支撑基准面为基础，研磨跟刀架支撑爪的工作表面。研磨时车床主轴转速选n=300∽600r/min,床鞍作纵向往复运动，同时逐步调整支撑爪，待其圆弧基本成型时，再注入机油精研。研磨好支撑基准面后，还应调整支撑爪，使它与支撑基准面轻轻接触。

4）跟刀架支撑爪在刀后面（左侧）1∽3mm处，采用反向进给法接刀车全长外圈，车削时应充分烧注削液，防止支撑爪磨损。

5）多次重复上述2、3、4步骤，直至一夹一顶接刀精车外圆至尺寸要求为止。

6）卸下钢丝圈，调头采用一端用三爪自定义心卡盘夹紧，一端用中心架支撑的方法装夹，半精车、精车φ22mm*30mm段外圈至规定尺寸要求。

四、车削注意的问题

1）为防止车细长轴产生锥度，车削前必须调整尾座中心，使之与车床主轴中心同心同轴。

2）车削时，应随时注意顶尖的松紧程度，检查方法是开动车床使工件回转，用右手拇指和食指捏住弹性回转顶尖的转动部分，顶尖能停止回转，松开手指后，顶尖能恢复回转，说明顶尖的松紧程度适当。如图：

检查回转顶尖松紧的方法

3)粗车时应选择好第一次切削深度，必须保证将工件毛胚一次进刀车圆，以免影响跟刀架的正常工作。

4)车削过程中，应随时注意支撑爪与工件表面的解除状态及支撑爪的磨损情况，并随时作出相应的调整。

5)车削过程中，应随时注意工件已加工表面的变化情况，当发现开始产生和出现节形、腰鼓形等缺陷时，要及时分析原因，采取应对措施。若缺陷越来越明显时，应立即停车。

6)车削过程中，应始终充分浇注切削液。

五、预防措施

车削细长轴时，容易产生竹节形和腰鼓形的形状误差缺陷。

1）竹节形产生的原因前面已经分析，其预防措施有：

?正确调整跟刀架的支撑爪，不可支顶得过紧。

?采用接刀车削时，必须使车刀尖和工件支撑其准圆柱面略微接触，接刀

时切削深度应加深0.01∽0.02mm，这样可避免由于工件变大而引起支撑

爪的支撑力变得过大。

?粗车市若发现开始出现竹节形，可调整中滑板手柄，相应增加适量的切

削深度，以减小工件外径；或稍微调松跟刀架支撑爪，使支撑适当减小，以防止竹节的继续产生。

?调整好车床床鞍、滑板的相应间隙，以消除进给时的让刀现象。

2）车削后工件两端直径小，中间部分直径大的形状误差称为腰鼓形，产生的原因是由于细长轴刚度低，以及跟刀架支撑爪与工件表面接触不一致（扁高或偏低于工件回转与工件回转中心），支撑爪磨损而产生间隙。在车削工件两端时，因靠近卡盘、尾顶尖，工件刚度高，不易产生变形，因此切削正常；当车到工件中间部位时，由于径向切削深度逐渐减小，从而形成腰鼓形。预防产生腰鼓的措施有：

?车削过程中要随时调整跟刀架支撑爪，使支撑爪圆弧面得轴线与主轴回转轴

线重合。

?适当增大车刀的主偏角，使车刀锋利，以减小径向切削分力。

总之，要提高车削细长轴的精度应：选择合理几何角度的车刀；采用三爪跟刀架和弹性回转顶尖支撑，合理安装，；并用反向进给方法车削。

【参考文献】

1、车工技能训练中国劳动出版社2005.6

2、机械制造基础中央电大出版社2006.7

3、车工技术光明日报出版社20007.4