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【摘要】细长轴加工中产生的振动对加工精度有着重要的影响。理论上用有限元法分析采用不同装夹方法导致的细长轴加工变形;实践上运用不同的加工工艺，进行多次试验、并设计了新型拉紧式夹具;能够较好地控制振动和变形，从而保证了加工精度，提高了加工效率。
【关键词】有限元分析;工艺;夹具
由于细长轴长径比大、刚性差，在车削时，切削热、振动、切削力、重力、切削力等因素对其加工有着重要的影响。如图一所示，饰品机械中的圆柱蜗杆【梭杆】，工件长度为378mm，直径为φ10mm，长径比L/d≈40，表面粗糙度和精度都有较高的要求。如果采用传统的车削方法，车削时易产生振动和弯曲变形，从而严重影响加工的精度和效率。为此，理论上进行变形分析研究，实践中经过大量试验并设计出新型拉紧夹具，采取了一定的工艺措施，可加工精度要求较高的细长轴。
图一 圆柱蜗杆【梭杆】
一 影响细长轴加工变形的因素和常见加工误差
影响细长轴加工变形的因素如图二所示。振动导致切削异常现象，造成细长轴加工表面的各种形状误差，常见的细长轴车削加工误差的分为三类：（1）表面粗糙有细小针叶状的振纹（2）麻花形误差有扭曲的带状振纹（3）竹节状形状和尺寸误差。
图二 多种因素对细长轴精度的影响
二 细长轴车削变形的理论分析
（1）装夹方法
三种装夹方法：一夹一顶方式，前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用弹性活顶尖;两端顶方式，前端采用死顶尖、尾部采用弹性活顶尖;一夹一拉【两端拉】方式，前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用死顶尖定位并采用专用夹具拉紧;这三种方式都采用可调浮动跟刀架作为辅助支承。
（2）受力模型
细长轴车削过程中，切削力及其作用点是动态变化的;为了分析细长轴车削过程中变形，把工件材料认为是理想弹性体，约束进行简化：将卡盘夹紧处简化为固定约束;尾部采用弹性活顶尖顶紧或拉紧的方式，认为顶紧（或拉紧）力是恒定的，顶尖处可简化为一简支约束。
（3）切削力的计算
图三 细长轴车削时受力分析
细长轴车削时受力如图三所示，Fv为主切削力，Ff为进给切削力，Fr为径向切削力，F为总切削力。在切削钢件梭杆时切削力的大小近似计算如下：
Fv≈2000×ap×f=2000×1.2×0.12=288（N）
Ff≈0.25×Fv =0.25×288=72（N）
Fr≈0.4×Fv =0.4×288=115.2（N）
公式中：ap—切削深度，mm;
F—进给量，mm/r;
（4）变形的有限元分析
细长轴车削时受到径向、切向、轴向3个方向的外力，采用有限元法取10个结点，进行径向、轴向即如图三所示的X、Y、Z三个方向的变形进行了分析，分析的结果如图四、图五所示。通过分析，在同等切削条件下，一夹一拉方式加工变形只有一夹一顶方式的1/3—1/5;所以采用一夹一拉【两端拉】装夹方式比其他两种传统装夹方法，可有效地减小振动和变形。
图四 一夹一拉方式细长轴的变形曲线
图五 一夹一顶方式细长轴的变形曲线
三 细长轴加工的工艺方法
3.1 合理选择装夹方法
细长轴加工中常用的装夹方法有：1、一夹一顶方式 2、两端顶方式;用跟刀架或中心架作为辅助支撑来增加工件的刚性，对刚性较好的可以采用，但对于长径比很大的细长轴，由于顶尖的顶力作用，致使轴在加工中受到的径向弯曲力加大，从而使轴的弯曲变形加大。再加之切削热的作用，工件热伸长增大了轴的弯曲变形。因此，一夹一顶的传统方法，加工细长轴，不能很好的消除弯曲变形。一夹一拉【两端拉】方式拉紧力越大加工效果就越好;根据前面的分析可知，由于两端拉力，致使轴在加工中受的径向弯曲力减小，而使轴的弯曲变形减小;即使切削热使工件受热膨胀增长，拉紧力能有效地防止工件伸长变形，因此，一夹一拉【两端拉】方式加工方法与传统加工方法相比，能有效地加工精度。
3.2合理选择切削用量
切削用量对细长轴加工有显著的影响;当工件材料为中碳钢或中碳合金钢，选用刀具材料为YT15硬质合金时的切削用量如下：
（1）切削速度VC的选择：车削细长轴时，一般当VC=60m/mm左右时，容易产生振动。故粗车时，取VC≦50m/min;精车时取VC≧70～100m/min。
（2）进给量f的选择：粗车时取f=0.12—0.2mm/r，精车时取f=0.05—0.08mm/r。
（3）切削深度ap的选择：车削细长轴时，随着ap增大，振动和变形不断增大。故粗车时取ap =0.8-1.2mm，精车时取ap =0.08-0.12mm。
3.3 合理选择刀具几何形状
合理地选择刀具几何形状，能够保证细长轴加工的平稳性，保证零件的加工精度和表面质量。
（1）前角γ。：为减少切削力和切削热，应该选择较大的前角，随着前角的增大，振动随之下降。因此在粗加工中取γ。=15-20°，精车时取γ。=25°-30°。车刀前面磨出R1～2.5的断屑槽，有利于断屑和排屑。
（2）主偏角κr：刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素，在不影响刀具强度情况下，尽量增大车刀主偏角。因此在粗车削细长轴时取κr=80～85°，精车时取κr=85～93°。
（3）主后角α。：后角为4～5°时，对振动有明显的抑制和减弱作用，后刀面超越急剧磨损阶段，达到一定程度的磨损时，会有显著的减振作用。
（4）刃倾角λs：选择正刃倾角，取λs=3°使切削屑流向待加工表面，避免划伤已加工表面并使削屑卷屑效果良好。
（5）刀具圆弧半径rε：刀尖圆弧半径rε增大时，径向切削力随之增大，为避免振动rε越小越好。但随rε的减小，会使刀具寿命降低，同时也不利于表面粗糙度的改善。选择较小的刀尖圆弧半径rε=0.2-0.4。
3.4 使用乳化液进行充分冷却
由于切削热引起零件伸长变形，伸长变形与温升成正比，因此必须有效控制零件温升。采用乳化液对加工工件进行充分冷却、润滑，降低切削热、减小热变形和刀具磨损，从而提高加工精度。
四 细长轴加工的新型夹具【拉具】
图六 细长轴车削加工的夹具【拉具】
1、U型卡圈 2、拉紧螺套 3、莫氏0号顶尖 4、芯轴 5、密封圈 6、端盖螺母 7、推力球轴承 8、单列向心球轴承 9、外调整套筒 10、内调整套筒 11、拉具主体 12、圆螺母M18 13、聯接螺套 14、哈夫卡具 15、螺母M10 16、螺栓M10×25
根据细长轴车削加工易产生振动和变形，而采用一夹一拉【两端拉】方式，能很好地防止弯曲变形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率;为此设计了细长轴车削加工的新型夹具【拉具】如图六所示。顶尖3通过莫氏0号锥度与芯轴4配合，芯轴4用推力球轴承7、单列向心球轴承8承受径向力和轴向力。工件加工出工艺台阶如图一所示，顶件3在顶紧工件保证定位精度的同时，又通过U型卡圈1和拉紧螺套2与芯轴4紧密相连;拉具主体11通过联接螺套13和哈夫卡具14与车床尾夹相连，车床尾架在床身上锁紧后，向后拉动夹具实现工件的拉紧。实践证明，用新型夹具【拉具】加工细长轴，很好地防止弯曲变形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率。
结 论
通过理论分析和实践中反复试验，采用一夹一拉【两端拉】方式的装夹方法加工细长轴，能够有效地控制振动和变形，改善细长轴的加工质量，保证了加工精度，提高了加工效率。
参考文献：
[1] 刘越. 机械制造技术.化工出版社，2001
[2] 张幼帧. 金属切削原理及刀具. 航空教材编写组.1984
[3] 劳动部教材办公室. 车工工艺学.中国劳动出版社，1996
【关键词】有限元分析;工艺;夹具
由于细长轴长径比大、刚性差，在车削时，切削热、振动、切削力、重力、切削力等因素对其加工有着重要的影响。如图一所示，饰品机械中的圆柱蜗杆【梭杆】，工件长度为378mm，直径为φ10mm，长径比L/d≈40，表面粗糙度和精度都有较高的要求。如果采用传统的车削方法，车削时易产生振动和弯曲变形，从而严重影响加工的精度和效率。为此，理论上进行变形分析研究，实践中经过大量试验并设计出新型拉紧夹具，采取了一定的工艺措施，可加工精度要求较高的细长轴。
图一 圆柱蜗杆【梭杆】
一 影响细长轴加工变形的因素和常见加工误差
影响细长轴加工变形的因素如图二所示。振动导致切削异常现象，造成细长轴加工表面的各种形状误差，常见的细长轴车削加工误差的分为三类：（1）表面粗糙有细小针叶状的振纹（2）麻花形误差有扭曲的带状振纹（3）竹节状形状和尺寸误差。
图二 多种因素对细长轴精度的影响
二 细长轴车削变形的理论分析
（1）装夹方法
三种装夹方法：一夹一顶方式，前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用弹性活顶尖;两端顶方式，前端采用死顶尖、尾部采用弹性活顶尖;一夹一拉【两端拉】方式，前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用死顶尖定位并采用专用夹具拉紧;这三种方式都采用可调浮动跟刀架作为辅助支承。
（2）受力模型
细长轴车削过程中，切削力及其作用点是动态变化的;为了分析细长轴车削过程中变形，把工件材料认为是理想弹性体，约束进行简化：将卡盘夹紧处简化为固定约束;尾部采用弹性活顶尖顶紧或拉紧的方式，认为顶紧（或拉紧）力是恒定的，顶尖处可简化为一简支约束。
（3）切削力的计算
图三 细长轴车削时受力分析
细长轴车削时受力如图三所示，Fv为主切削力，Ff为进给切削力，Fr为径向切削力，F为总切削力。在切削钢件梭杆时切削力的大小近似计算如下：
Fv≈2000×ap×f=2000×1.2×0.12=288（N）
Ff≈0.25×Fv =0.25×288=72（N）
Fr≈0.4×Fv =0.4×288=115.2（N）
公式中：ap—切削深度，mm;
F—进给量，mm/r;
（4）变形的有限元分析
细长轴车削时受到径向、切向、轴向3个方向的外力，采用有限元法取10个结点，进行径向、轴向即如图三所示的X、Y、Z三个方向的变形进行了分析，分析的结果如图四、图五所示。通过分析，在同等切削条件下，一夹一拉方式加工变形只有一夹一顶方式的1/3—1/5;所以采用一夹一拉【两端拉】装夹方式比其他两种传统装夹方法，可有效地减小振动和变形。
图四 一夹一拉方式细长轴的变形曲线
图五 一夹一顶方式细长轴的变形曲线
三 细长轴加工的工艺方法
3.1 合理选择装夹方法
细长轴加工中常用的装夹方法有：1、一夹一顶方式 2、两端顶方式;用跟刀架或中心架作为辅助支撑来增加工件的刚性，对刚性较好的可以采用，但对于长径比很大的细长轴，由于顶尖的顶力作用，致使轴在加工中受到的径向弯曲力加大，从而使轴的弯曲变形加大。再加之切削热的作用，工件热伸长增大了轴的弯曲变形。因此，一夹一顶的传统方法，加工细长轴，不能很好的消除弯曲变形。一夹一拉【两端拉】方式拉紧力越大加工效果就越好;根据前面的分析可知，由于两端拉力，致使轴在加工中受的径向弯曲力减小，而使轴的弯曲变形减小;即使切削热使工件受热膨胀增长，拉紧力能有效地防止工件伸长变形，因此，一夹一拉【两端拉】方式加工方法与传统加工方法相比，能有效地加工精度。
3.2合理选择切削用量
切削用量对细长轴加工有显著的影响;当工件材料为中碳钢或中碳合金钢，选用刀具材料为YT15硬质合金时的切削用量如下：
（1）切削速度VC的选择：车削细长轴时，一般当VC=60m/mm左右时，容易产生振动。故粗车时，取VC≦50m/min;精车时取VC≧70～100m/min。
（2）进给量f的选择：粗车时取f=0.12—0.2mm/r，精车时取f=0.05—0.08mm/r。
（3）切削深度ap的选择：车削细长轴时，随着ap增大，振动和变形不断增大。故粗车时取ap =0.8-1.2mm，精车时取ap =0.08-0.12mm。
3.3 合理选择刀具几何形状
合理地选择刀具几何形状，能够保证细长轴加工的平稳性，保证零件的加工精度和表面质量。
（1）前角γ。：为减少切削力和切削热，应该选择较大的前角，随着前角的增大，振动随之下降。因此在粗加工中取γ。=15-20°，精车时取γ。=25°-30°。车刀前面磨出R1～2.5的断屑槽，有利于断屑和排屑。
（2）主偏角κr：刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素，在不影响刀具强度情况下，尽量增大车刀主偏角。因此在粗车削细长轴时取κr=80～85°，精车时取κr=85～93°。
（3）主后角α。：后角为4～5°时，对振动有明显的抑制和减弱作用，后刀面超越急剧磨损阶段，达到一定程度的磨损时，会有显著的减振作用。
（4）刃倾角λs：选择正刃倾角，取λs=3°使切削屑流向待加工表面，避免划伤已加工表面并使削屑卷屑效果良好。
（5）刀具圆弧半径rε：刀尖圆弧半径rε增大时，径向切削力随之增大，为避免振动rε越小越好。但随rε的减小，会使刀具寿命降低，同时也不利于表面粗糙度的改善。选择较小的刀尖圆弧半径rε=0.2-0.4。
3.4 使用乳化液进行充分冷却
由于切削热引起零件伸长变形，伸长变形与温升成正比，因此必须有效控制零件温升。采用乳化液对加工工件进行充分冷却、润滑，降低切削热、减小热变形和刀具磨损，从而提高加工精度。
四 细长轴加工的新型夹具【拉具】
图六 细长轴车削加工的夹具【拉具】
1、U型卡圈 2、拉紧螺套 3、莫氏0号顶尖 4、芯轴 5、密封圈 6、端盖螺母 7、推力球轴承 8、单列向心球轴承 9、外调整套筒 10、内调整套筒 11、拉具主体 12、圆螺母M18 13、聯接螺套 14、哈夫卡具 15、螺母M10 16、螺栓M10×25
根据细长轴车削加工易产生振动和变形，而采用一夹一拉【两端拉】方式，能很好地防止弯曲变形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率;为此设计了细长轴车削加工的新型夹具【拉具】如图六所示。顶尖3通过莫氏0号锥度与芯轴4配合，芯轴4用推力球轴承7、单列向心球轴承8承受径向力和轴向力。工件加工出工艺台阶如图一所示，顶件3在顶紧工件保证定位精度的同时，又通过U型卡圈1和拉紧螺套2与芯轴4紧密相连;拉具主体11通过联接螺套13和哈夫卡具14与车床尾夹相连，车床尾架在床身上锁紧后，向后拉动夹具实现工件的拉紧。实践证明，用新型夹具【拉具】加工细长轴，很好地防止弯曲变形，能有效地提高工件的加工精度和加工效率。
结 论
通过理论分析和实践中反复试验，采用一夹一拉【两端拉】方式的装夹方法加工细长轴，能够有效地控制振动和变形，改善细长轴的加工质量，保证了加工精度，提高了加工效率。
参考文献：
[1] 刘越. 机械制造技术.化工出版社，2001
[2] 张幼帧. 金属切削原理及刀具. 航空教材编写组.1984
[3] 劳动部教材办公室. 车工工艺学.中国劳动出版社，1996