在机械加工中，许多零件的长度与直径之比大于20～25（L/D≥20～25），如车床光杆、丝杆、材料力学试验台（本中心的主推产品）中的吊杆（见图1）等，这类零件统称为细长轴。细长轴零件刚性差、抗弯能力弱，在车削过程中因受到切削力、重力及切削热等因素的影响而易发生弯曲变形，使零件形成锥度、腰鼓形、水波纹及竹节纹等状况，不仅导致加工表面质量严重恶化，还缩短了机床和刀具寿命。

图1  材力架吊杆

1.细长轴车削时产生变形的原因分析

在加工中，车削细长轴弯曲变形原因主要有：

（1）切削力导致变形。在车削过程中产生的切削力可分解为：轴向切削力Ff、径向切削力Fp和主切削力Fz。不同的切削力对细长轴产生的弯曲变形影响是不一样的。

轴向切削力Ff影响。轴向切削力是平行作用在细长轴轴线方向的力，当轴向切削力超过一定数值时，就会把细长轴压弯，从而使工件发生纵向弯曲变形（一般短轴类加工可忽略，它对工件弯曲变形的影响不是十分大）。

径向切削力Fp影响（见图2）。径向切削力是垂直作用在通过细长轴轴线水平平面内的，由于细长轴的刚性差，径向力将会把细长轴顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形。

（2）切削热产生的影响。车削时，由于切削热的影响，土工布工件随温度升高而逐渐伸长变形，这种现象叫热变形。

工件长度热伸长量公式为：ΔL=α×Δt×L

式中，ΔL为工件长度热伸长量（mm）；α为材料线性膨胀系数（可从有关书中查阅），如铸铁：１×10-5/℃，钢：1.17×10-5/℃，黄铜：1.7×10-5/℃；L为工件总长（mm）；Δt为工件升高温度（Δt=工件加工时温度－未加工时工件温度）。

例如吊杆加工：长度L=760mm，直径14mm，材料45钢，切削热影响使工件升温30℃，则加工时细长轴热变形量ΔL=1.17×10-5×30×760=0.267mm

通过上式可看出，工件吊杆在加工时会伸长0.267mm。而在车削时，卡盘和尾架是固定的，这样两者之间的距离也是不变的，由于细长轴受热后伸长量受到限制，从而导致细长轴受到挤压产生弯曲变形。因此，提高细长轴的加工精度，要解决工艺系统的受力和受热变形。

2.解决细长轴车削过程中变形的工艺方法

单位的教学产品材料力学多功能试验台中有一根吊杆长760mm、直径14mm（见图3），是一个比较典型的细长轴零件。在初的加工过程中由于加工工艺的不合理，车出的工件很难达到图样的要求，使零件产生锥度、水波纹及竹节纹等（见图4）缺陷。通过改进装夹方式、调整切削用量、改变切削方式等加工工艺的变化，终加工出合格零件。

 （ａ）水波纹

（ｂ）竹节纹

图4  材力架吊杆加工中产生的缺陷

（1）采用一夹一顶方式。如果用普通，受切削热影响，工件肯定受到轴向挤压而产生弯曲变形，所以采用弹性活（见图5），使细长轴受热后可以自由伸长，提高加工精度。同时在卡盘卡爪与细长轴之间垫入一个约3～5mm的开口钢圈，减小卡爪与细长轴的轴向接触长度，消除装夹时的过定位，从而减小弯曲变形（见图6）。      

采用滚珠接触的跟刀架。生产中我们用跟刀架辅助支撑，以增加工件刚性和稳定性。普通跟刀架两爪支承，但由于工件本身的向下重力和工件校直不理想，车削时瞬时离开支承爪，接触支承爪时就产生振动，易形成水波纹。终选择用滚珠接触的三爪跟刀架，使工件上下左右移动受限制，只能绕轴线旋转，减小车削振动和工件变形，而且滚珠接触的跟刀架将滑动摩擦变为滚动摩擦，可减小摩擦阻力。

使用跟刀架时注意：①主轴转速不能过高，给支撑爪上润滑油，防止过度磨损。②各爪支撑力要调整合理，过松不能支撑，过紧影响工件形状精度，容易出现竹节形而影响加工质量。

采用一夹一顶方式，方法简洁，不需过多的辅助工具和其他辅助加工。

（2）采用反向切削法车削细长轴。切削时车刀由卡盘向尾架方向进给，称为反向切削法（见图7）。这时在加工中产生的轴向切削力使细长轴承受拉力，消除轴向切削力引起的变形。 

反向切削法在加工时，需预先加工出一段过度轴，但不能保证其与加工轴同轴，所以决定不采用。

（3）采用双刀车削。双刀车削（见图8）是采用前后两把车刀同时进行车削。两把车刀径向相对，前刀正装，后刀反装。车削时两把刀产生的径向切削力相互抵消，因此工件受力变形、振动都很小，加工的精度好。但需要改装车床中滑板，增加后置刀架，所以成本变高，只适用于专业大批量生产。

（4）合理选择切削用量。切削速度（v）的选择。图9所示为切削速度与振动强度及稳定性的关系曲线。

从图9中可看出，车削时v一般在30～70m/min的速度范围内，容易产生振动，此时相应的振幅值较大；高于或低于这个范围，振动呈现减弱趋势。所以当加工直径＜15mm时，取v≤30m/min；当加工直径＞15mm时，取v≥70m/min。

进给量f的选择。在机床功率刚性许可情况下选大进给量。根据经验，粗车时取f=0.15mm/ｒ，    半精车时f=0.1mm/ｒ，精车f=0.06mm/ｒ。

背吃刀量ap（切削深度）的选择。随着切削深度的增大，车削时产生的切削力、切削热随之增大，引起细长轴的受力、受热变形也增大，因此在细长轴加工时，应尽量减少切削深度。根据经验，

粗车时ap=1mm，半精车ap=0.5mm，精车时ap=0.25mm。

（5）合理选择刀具角度。刀具几何角度中前角、主偏角和刃倾角对切削力的影响。

前角ro。前角大小直接影响切削力、切削温度。增大前角可使被切削金属层的切削变形减小，通过试验可知，当前角ro增加10°，径向分力Fp可减小30%。实际加工前角一般取ro=15°～30°，车刀前刀面磨断屑槽，宽2～4mm，使得出屑流畅，卷屑性能好。

主偏角Kr。主偏角增大，径向切削力减小，主偏角Kr= 75°～90°（装刀时装成85°～88°），

刃倾角。影响车削过程中切削流向，刃倾角增大，径向切削力减小，一般在－10°～ +10°范围内。细长轴加工时，采用+3°～+10°，使切削流向待加工表面，从而保护已加工面。

（6）细长轴螺纹的加工。细长轴螺纹（M12以下）在机床上难以加工，通常采取的方式是用板牙直接套出来（见图10）。

（a）

（b）

1.工装套 2.未加工细长轴 3.定位孔4.紧固螺钉 5.板牙 6.已加工好的螺纹 7.板牙架 8.刀台

加工时用普通板牙装置套螺纹，发现容易产生半边切削，造成牙尖损坏、质量差、效率低和废品率高的现象。现改装普通板牙套如图10所示，以弥补存在的不足，提高细长轴螺纹的加工精度。

超长螺杆套丝夹具包括工装套、板牙架和紧固顶丝。工装套前面有保证超长螺杆加工精度的圆孔（圆孔主要起导向作用）和用来联接圆孔的保持架，后面有固定板牙圆套，圆套上有两个螺纹孔（一个用来联接支撑杆，另一个用来旋转紧固螺钉，使板牙固定在圆套上）。在加工超长螺杆时，将棒料一端夹紧，另一端放在定位圆孔内（棒料直径比圆孔直径小0.05～0.15mm），棒料旋转，超长螺杆套丝夹具向前走，棒料经过超长螺杆套丝夹具内板牙的加工，可加工出高精度的超长螺杆。

（7）材力架吊杆的车削方法。通过上述试验分析，决定采用以下方法解决生产中出现的问题。

首先对机床进行了两方面的调整：①车床主轴的调整：车床主轴过松，很容易造成在车削过程中的振动，因此要把机床主轴适当调紧，从而防止机床跳动和窜动对零件加工的不利影响。②尾座的调整：如果尾座的中心线和主轴的中心线不在一条水平线上，产生同轴度误差，车出的工件一定会出现锥度。

其次对零件的加工工艺进行分析，确定了加工工艺（见附表）。

经过上述办法可解决吊杆生产中出现的问题，使产品合格（见图11）。

图11  合格的吊杆

3.结语

通过对车削加工中影响细长轴加工质量因素进行分析，将刚性差、抗弯能力弱及受热弯曲变形等问题，用调整机床的精度、改善装卡方式、正确刃磨刀具角度和选择合理切削用量等方法加以解决，从而有效地提高细长轴的加工质量，确保其加工精度。