細長軸車削加工關鍵技術探討

姚小強

（新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊市 830047）

0 引言

細長軸是指長度與直徑之比大于20的軸。由于其長徑比大,剛度低等原因，是典型的機加工難題之一；在機加工過程中受到切削力與切削熱的影響下容易產生彎曲和振動的現象。腰鼓形、竹節形、多棱形和錐度過大等幾何誤差是細長軸加工的典型形式［1］。為解決以上問題，專家學者們在各方面進行了相關研究，從裝夾輔助裝置、誤差補償技術、改變工件受力方式以及刀具幾何參數和切削用量等多個方面提出了解決細長軸車削加工的關鍵問題。

1 細長軸加工誤差常見類型及其原因分析

在細長軸加工中，常常出現腰鼓形、竹節形、多棱形和錐度過大等尺寸誤差（如圖1—2所示）。尺寸誤差的原因主要有工藝系統熱變形、工藝系統受力變形、機床原始誤差及振動誤差、機床控制系統誤差及磨損等。國外學者Liu［2］在研究中提出在切削力作用下工藝系統受力變形的尺寸誤差在100μm左右，而由熱變形、磨損和機床的幾何誤差僅僅10μm，工藝系統受力變形是尺寸誤差的關鍵因素。由于細長軸本身的特性，剛度比普通軸要低很多。彎曲變形誤差更為顯著。下面對常見的幾種誤差類型做簡要分析。

1.1 腰鼓形幾何誤差

腰鼓形幾何誤差主要是由工件剛度低，抗彎曲能力差導致的。由于長徑比較大導致了工件剛性差，抗彎能力差，徑向剛度低，不僅因為自重與離心力產生下垂，更重要是在加工過程中由于切削力的作用，極易產生彎曲情況。同時，車削加工產生的切削熱，會產生工件的熱伸長。由于在切削過程，卡中盤和尾架頂尖都是固定不動的，加工件兩端的距離也是固定不變的。這樣細長軸受熱后的軸向伸長量受到限制，細長軸兩端擠壓從而導致產生彎曲變形。

1.2 竹節形和多棱形幾何誤差

竹節形幾何誤差和多棱形幾何誤差主要是由加工過程中產生的切削振動導致的。在加工過程中，工件與切削刃之間不僅存在基本的切削運動，而且產生周期性的相對運動。從而加工系統產生振動。在切削系統產生振動的時候，切削力、切削角度和切削截面等參數都會隨著系統發生周期性變化從而產生動態載荷。在這種動態載荷作用下，使加工出的細長軸表面出現振紋。

1.3 錐度過大

錐度過大的幾何誤差主要是由于刀具磨損大形成的。由于細長軸長徑比較大，在車削加工過程中軸向尺寸加大，同時進給量較小，從而使得在加工工程中走刀的時間長，刀具磨損加劇，進而產生錐度。

圖1 腰鼓形幾何誤差

圖2 竹節形幾何誤差和多棱形幾何誤差

2 細長軸加工工藝改進現狀

2.1 裝夾輔助裝置

由于細長軸的長經比大、剛度低，在加工過程中容易產生彎曲和振動，進而影響工件的尺寸精度和形位精度。對此，許多學者對細長軸類零件的加工輔助裝置進行了研究。

中心架是用來增加工件剛度的常用方法，但在工件上裝中心架之前，必須在毛坯中部撤出一個溝槽用來支撐中心架的支撐爪。邱炎兒［3］提出了與過度套筒配和使用的方法，該方法能針對中心架溝槽加工困難或者中段不需加工的情況。并且提高細長軸的加工質量和效率；王志民等［4］還設計出定心準確、調整迅速、適用性強的新型自定心中心架。

對于無須或者不適宜掉頭車削的細長軸，采用跟刀架來提高剛度。李曉舟等［5］研究了磁力跟刀架，實現了非接觸式支撐，克服傳統跟刀架由于接觸面壓力大，產生較大摩擦力從而可能劃傷工件表面的現象，有針對性的產生不同的磁力來抵消切削力引起的工件變形，并取得了良好的效果。

此外，有學者提出在細長軸的左端外圓上套上鋼絲圈，尾座頂尖改用有彈簧自動伸縮的活頂尖來避免工件彎曲變形［6］；潘遜［7］提出在刀尖方向一定范圍內安裝一個彈簧滾輪結構的消振器固定在跟刀架上，消除振動。毛江峰等［8］針對超細長軸類零件的加工設計了一種專用的旋風刀盤及定心夾頭，實現了車刀旋轉,工件進給的加工方式，通過實踐表明該裝置能有效保證細長軸的加工質量。

2.2 改變工件的受力方式

在傳統的“雙頂尖”及“卡夾”裝夾方式下，刀具切削力與其他輔助裝置在車削過程中構成了力學模型,當改變工件受力方式時能夠很好地解決細長軸加工精度問題，基于此，許多學者進行了深入研究。

武文革等［9］在兩種不同裝夾條件下進行了正逆向切削的工件變形力學分析。結果表明同等條件下逆向車削法具有較高的加工精度。戴海港和鄧志平等［10-11］分別提出針對細長軸車削的“分段雙刀法”和“對稱雙刀法”，有效地解決了彎曲變形的問題，顯著地提高了零件加工表面質量和幾何形狀精度。戴海港等［12］提出三刀法的切削方案，并且取得了較好的效果。盧曉艷［13］設計了水射流輔助支撐新的加工方法。通過對比實驗驗證,該方法能夠有效地提高細長軸加工精度。

此外，采用“拉夾法”車削細長軸也能提高工件加工精度。一端用卡盤夾緊，另一端拉緊裝置。由于軸向拉力使得彎曲程度減少，從而提升了細長軸的剛性和加工精度。同時抵消了切削熱導致的線膨脹伸長、消除了徑向顫動，提高切削穩定性。多種不同結構的拉夾裝置被設計并應用于細長軸車削加工［14-15］。

2.3 誤差補償技術

隨著制造的精密化和小型化，對機加工的精度要求越來越高，然而由于技術和成本的原因，單純靠提高機床本身精度的難度越來越大，誤差補償技術變得愈發重要。

郭建亮等［16］與胡月明［17］分別對細長軸誤差補償技術進行了研究，都運用接觸式傳感器對相關參數進行測量。建立誤差模型，分別通過控制背吃刀量和控制跟刀架的移動的方式來達到提高細長軸加工精度的目的。李桂華等［18］分別建立了受力以及受熱變形的誤差模型，通過誤差補償技術對切削用量進行補償，通過實驗證明其具有良好的效果；崔伯第等［19］建立了一種基于神經網絡的細長軸車削加工誤差實時檢測系統，通過進給量、工件長徑比、背吃刀量、進給力和切削點位置構成了一個最佳輸入參數組合，對尺寸誤差在線補償提供依據；Wu等［20］對機加工過程中的熱誤差變形進行了分析，利用智能算法建立熱誤差變形模型，并對其進行實時補償，該方法對熱誤差引起的誤差具有較好效果；也有很多學者通過有限元對細長軸進行加工仿真分析，然后再運用單片機、PID等不同方式對細長軸的加工進行在線補償［21］。

2.4 刀具幾何參數和切削用量

在實際的機加工過程中，刀具幾何參數和切削用量是性價比較高的一種提高細長軸加工精度方法。目前，相關學者對其的研究也日臻完善。但對于特定材料工件的細長軸刀具幾何參數和切削用量研究較少。周道［22］設計了一種細長軸多刃車刀。其由主切削刃和修光刃組成并各有一條卷屑槽，提高了加工質量和效率。孫志忠等［23］的研究表明，采用負倒棱的車刀，大大提高了工件質量。

針對切削用量，周宇［24］分析研究了細長軸的加工特性，并分析了刀具刃傾角以及刀具前角對徑向力的影響，最終選出了最佳的刀具幾何參數。尚翠平［25］探討了細長軸車削加工中車刀主要幾何參數的選擇、切削用量三要素的選擇，以及車削細長軸經常遇到的問題和優化措施。

3 結語

目前，相關學者已經對裝夾輔助裝置、誤差補償技術、改變工件受力方式以及刀具幾何參數和切削用量等方面取得了一系列的研究進展。但是隨著新材料、新工藝以及精密加工技術的不斷發展，針對特定材料以及微細尺度的細長軸的需求越來越高。本人認為以下內容值得深入研究。

（1）針對細長軸易于產生振動和彎曲的特點，研制各種直接或間接抑制振動裝置和設備。

（2）隨著傳感器技術的發展、算法的日益精確以及多元化模擬手段的產生，建立更加精確的誤差模型，實現誤差的在線檢測與補償。

（3）研制基于新材料、新工藝的專用刀具，提高細長軸加工精度。