细长轴切削加工技术分析

迟 清

（济南大学，山东 济南 250002）

作为轴类零件，细长轴工件在不同机械中均有着普遍运用，其存在刚性差的问题，所以在开展细长轴切削加工处理时，切削震动、外力导致弯曲变形、道具磨损和工件热伸长等是几大关键质量影响因素。正因为刚性差、长径比大是细长轴零件的显著特点，所以受重力和切削力的综合作用，工件会出现弯曲变形的状况，在加工后会呈纺锤形，且在实际加工时也会因为外力而出现震动状况，使工件表面质量大大降低。因为细长轴的轴向尺寸较大，会使一次走刀时间延长，从而存在磨损刀具问题，也可能会致使轴向的工件形成锥度。此外如果没有合理地选取夹紧方式，受切削力的影响会出现热变形状况，进而形成附加力，同样会压弯工件，无法达到理想的工件加工质量。对此，在实践工程开展时，需要通过调整工件夹紧定位、变换切削方式削弱影响力、优化切削参数或误差补偿等措施，有效提高细长轴零件加工质量。

1 夹紧方式

在细长轴切削加工过程中，主要会应用一夹一顶、两端顶及一夹一拉三种夹紧方式。其中一夹一顶方式具有良好的夹持刚性，需要分别利用卡盘、顶尖进行夹紧和支撑，容易出现热伸长尾台锁死导致无法释放应力的状况，从而增大工件轴向压力，出现工件弯曲的后果。在该夹紧方式的竖直平面力学简化模型中，进给力、主切削力分别为Ff、Fp，顶尖的顶紧力为F2，刀尖和工件接触位置为C，具体详见下图1。

图1 一夹一顶夹持方案的力学模型（以正向加工为例）

如图所示，细长轴的装夹方式是超静定结构，需要准确保持尾台、主轴的高度一致，避免形成附加力。在细长轴实际切削加工时，通常会将钢丝圈设置在工件、卡爪间，降低卡爪、工件二者的接触面，凭借两端铰支的支撑作用，能够对切削力进行抵抗，使接触摩擦力发挥主要作用，这种夹紧方式尤其适用于切削力不大，且细长轴工件刚性较好的条件。若存在较大的热伸长量的情况下，则需要对尾台顶尖进行调整，转变为弹性顶尖，从而降低热伸长所导致的变形问题。实际操作过程中都会将工件、顶尖紧密连结起来，选取最佳弹性元件，以此来降低切削力所导致的工件轴向运动，提高工件加工质量。

两端顶的夹紧方式需要进行两端铰支，同一夹一顶夹持方案相比，夹持刚性较弱。在两端顶的竖直平面力学简化模型中，进给力、主切削力分别为Ff、Fp，顶尖的顶紧力为F2，刀尖和工件接触位置为C，具体详见下图2。

图2 两端顶尖夹持方案的力学模型（以正向加工为例）

一夹一拉这种夹持方案要求应用专门轴向拉紧装置，在应用过程中需要提前准确预估工件热伸长，如果预拉伸量过大或过小，会损伤设备零件或导致热伸长影响大的后果。该夹紧技术需要一端借助卡盘定心来夹紧，另一端则通过拉紧装置、卡盘来预先拉伸细长轴，以此来有效降低加工时的热伸长影响，对加工细长轴零件非常适用。该夹持方式对零件受力方向进行了调整，使拉紧装置的预拉力替代顶尖压力，由此降低了工件变形、热伸长所导致附加力等状况，对于细长轴零件加工非常适用。在运用的过程中，应精确估测工件的热伸长，若预拉伸量较小，则不能降低热伸长的干扰；反之若预拉伸量较大，则会导致设备内应力增大，从而导致损伤设备零件的后果。

2 切削方式

在对细长轴工件进行切削加工的过程中，一般采用的是正向加工方式，进给力Ff在作用的过程中，工件会出现失稳、弯曲问题，造成切削震动、加工超差的状况。所以在实践加工时，会选取沿主轴到尾台端的走刀方向，这种切削方式为反向加工，这样能够使切削力的轴向分力得到削弱，降低工件受给进力的干扰。

实际零件加工时，都会利用对称车削的工艺方式来降低切削力影响，具体操作需要于细长轴零件两侧，对正、反两把车刀进行安装，均按照轴向给进，车刀径向切削力、主切削力两个相反方向的作用力会相互抵消，从而有效避免了工件受力损伤，减少了零件变形问题的发生。

部分学者也指出可以采用双刀细长轴切削工艺，即将两把车刀安装在相同一侧，对工件进行分段处理，使细长轴长径比降低，也能够使工艺系统刚性得到提升，但是需要技术人员拥有较高的专业能力，能够准确调控车道位置。基于工艺系统刚性层面进行分析，在处理工件变形问题时，可以采用中心架、刀架等辅助支撑结构，找准支撑结构同工件的接触位置、支撑点，这样才能够起到减少变形的作用。

3 调整切削参数及刀具角度

加工细长轴工件的过程中，技术人员还需要对切削参数、刀具几何角度进行调控，保障加工效率和水平。通常切削深度较小，进给量较低，且切削速度较快的情况下，能够有效降低切削力。然而切削深度较小、进给量较低时也有可能会导致细长轴加工效率不高，但是若切削速度加快，则会产生离心力，所以还要严格控制切削速度。细长轴切削力会受到刃倾角、主偏角、前角的影响，所以还需要按照标准规定来科学选择刀具结合角度。

4 误差补偿

在消除加工变形这一问题上，众多学者开展了深入的研究，因为不能从原理角度上消除加工变形问题，所以在实际加工过程中需要对不同方式和手段进行整合，一定程度上缓解切削力、热伸长引发的变形问题，保障细长轴加工质量。然而这对技术操作人员有着较高的要求，所以实际加工难度较大，细长轴零件加工效率还有待提升。国内研究人员指出可以借助误差补偿的方式来降低细长轴零件加工变形影响，在研究中结合细长轴变形规律、特征，可以对变形力学数学模型进行构建，预先判定零件变形量，以此为依据来调整进刀量，最大限度降低工件变形状况，使加工质量得到改善。

在误差补偿研究上，部分研究人员深入探究了刀架作用机理，对细长轴切削系统模型进行构建，开展相关仿真实验，通过实践研究来保障加工效率；一些学者研究基于切削力测量理论，深入探究了细长轴加工误差的在线补偿措施；也有研究人员分析了细长轴切削加工震动和补偿，指出工件材料、形状、热处理、夹紧方式、工艺系统等多种不同因素均会影响细长轴加工变形和切削震动，所以非常有必要对准确的力学数学模型进行构建，但这在实施过程中存在一定难度，还有待进一步研究和分析。

5 切剥加工工艺规划方案要点

5.1 明确中心位置，钻中心孔

针对细长轴零件开展切削加工操作的过程中，可以选用最普遍的基准——中心孔，明确中心位置，为后续工序的有序开展奠定基础。采用钻中心孔的方式，可以有效控制工序余量，有效解决零件不平衡量及顶尖应用问题，可以保证零件加工精度。

应对机床主轴、夹具定位二者的位置关系进行精确地调节，确保刀具、细长轴零件位置的合理性，在此基础上确定零件支撑轴径的几何中心，打出中心孔。对于待加工的细长轴坯件，可以利用三爪卡盘进行夹持，以免卡爪同坯件的毛刺边缘相接触，减少机床主轴中心线、坯件几何中心不统一状况的发生。细长轴坯件也要合理控制主轴的伸长长度，要按照直径方向让刀具开展切削处理，完成车刀平毛坯端面处理任务。如果主轴伸长长度较大，很可能引发坯件震动而损伤刀尖的现象，也会因为磨损发热缩短刀具使用时间，降低了断面加工质量。结束平断面操作之后，细长轴零件应将主轴伸长长度控制在5 mm到10 mm的范围内，并借助尾座中心钻对中心孔进行钻削，在缩短伸出长度时能够有效提高加工稳定性。

5.2 软爪夹持已加工表面

通过三爪卡盘对细长轴工件进行夹持，会对已加工零件造成一定程度的损伤，出现变形的状况，同时引发无法确保零件同轴度和定位不精确等一系列的问题。这就需要用软爪替代三抓卡盘的硬爪，进一步修正软爪夹持面。因为软爪所应用的材质相对较软，所以不会对所夹持的细长轴工件避免产生损伤，还对软爪的形状、直径进行调整，从而更好地满足零件不同的加工及设计需求。软爪夹持已加工表面这一改进可以有效减轻在零件表面形成的局部压强，避免变形状况的出现，使零件定位精确性、装夹稳定程度得到了有效保障。由于一些细长轴零件还可能进行二次装夹住加工，而应用软爪就不会出现形位公差状况，无需耗费大量的时间来进行校正，使加工效率得到了显著改善。

5.3 冷却液的运用

在细长轴零件加工时，还会应用到冷却液，不仅可以起到冷却效果，还具有润滑作用。应在前面放置能够开启冷却液的代码指令，在系统完成冷却液喷出操作后执行切削操作。完成零件加工后，也要在前面放置关闭冷却液的代码指令，使工件能够得到良好的冷却处理。合理运用冷却液，能够有效对环境温度进行降低，在切削加工后还有利于更准确地测量尺寸，减少了测量误差。

6 结语

在进一步提升细长轴零件加工质量的过程中，必须要持续改进、优化细长轴切削加工技术，增强加工效率及精确度。加工技术人员需要严格按照标准开展作业，优化选取夹紧方式、切削方式，并控制好设备参数，合理的设置刀具几何角度，将切削进度控制在合理范围内，以此来改善加工精度，使细长轴工件加工质量得到保障。