在機械加工中，許多零件的長度與直徑之比大於20～25（L/D≥20～25），如車床光桿、絲桿、材料力學試驗檯（本中心的主推產品）中的吊杆（見圖1）等，這類零件統稱為細長軸。細長軸零件剛性差、抗彎能力弱，在車削過程中因受到切削力、重力及切削熱等因素的影響而易發生彎曲變形，使零件形成錐度、腰鼓形、水波紋及竹節紋等狀況，不僅導致加工表面質量嚴重惡化，還縮短了機床和刀具壽命。
圖1 材力架吊杆
1.細長軸車削時產生變形的原因分析
在加工中，車削細長軸彎曲變形原因主要有：
（1）切削力導致變形。在車削過程中產生的切削力可分解為：軸向切削力Ff、徑向切削力Fp和主切削力Fz。不同的切削力對細長軸產生的彎曲變形影響是不一樣的。
軸向切削力Ff影響。軸向切削力是平行作用在細長軸軸線方向的力，當軸向切削力超過一定數值時，就會把細長軸壓彎，從而使工件發生縱向彎曲變形（一般短軸類加工可忽略，它對工件彎曲變形的影響不是十分大）。
徑向切削力Fp影響（見圖2）。徑向切削力是垂直作用在通過細長軸軸線水平平面內的，由於細長軸的剛性差，徑向力將會把細長軸頂彎，使其在水平面內發生彎曲變形。
（2）切削熱產生的影響。車削時，由於切削熱的影響，工件隨溫度升高而逐漸伸長變形，這種現象叫熱變形。
工件長度熱伸長量公式為：ΔL=α×Δt×L
式中，ΔL為工件長度熱伸長量（mm）；α為材料線性膨脹係數（可從有關書中查閱），如鑄鐵：１×10-5/℃，鋼：1.17×10-5/℃，黃銅：1.7×10-5/℃；L為工件總長（mm）；Δt為工件升高溫度（Δt=工件加工時溫度－未加工時工件溫度）。
例如吊杆加工：長度L=760mm，直徑14mm，材料45鋼，切削熱影響使工件升溫30℃，則加工時細長軸熱變形量ΔL=1.17×10-5×30×760=0.267mm
通過上式可看出，工件吊杆在加工時會伸長0.267mm。而在車削時，卡盤和尾架頂尖是固定的，這樣兩者之間的距離也是不變的，由於細長軸受熱後伸長量受到限制，從而導致細長軸受到擠壓產生彎曲變形。因此，提高細長軸的加工精度，要解決工藝系統的受力和受熱變形。
2.解決細長軸車削過程中變形的工藝方法
單位的教學產品材料力學多功能試驗檯中有一根吊杆長760mm、直徑14mm（見圖3），是一個比較典型的細長軸零件。在最初的加工過程中由於加工工藝的不合理，車出的工件很難達到圖樣的要求，使零件產生錐度、水波紋及竹節紋等（見圖4）缺陷。通過改進裝夾方式、調整切削用量、改變切削方式等加工工藝的變化，最終加工出合格零件。
（ａ）水波紋
（ｂ）竹節紋
圖4 材力架吊杆加工中產生的缺陷
（1）採用一夾一頂方式。如果用普通頂尖，受切削熱影響，工件肯定受到軸向擠壓而產生彎曲變形，所以頂尖採用彈性活頂尖（見圖5），使細長軸受熱後可以自由伸長，提高加工精度。同時在卡盤卡爪與細長軸之間墊入一個約3～5mm的開口鋼圈，減小卡爪與細長軸的軸向接觸長度，消除裝夾時的過定位，從而減小彎曲變形（見圖6）。
採用滾珠接觸的跟刀架。生產中我們用跟刀架輔助支撐，以增加工件剛性和穩定性。普通跟刀架兩爪支承，但由於工件本身的向下重力和工件校直不理想，車削時瞬時離開支承爪，接觸支承爪時就產生振動，易形成水波紋。最終選擇用滾珠接觸的三爪跟刀架，使工件上下左右移動受限制，只能繞軸線旋轉，減小車削振動和工件變形，而且滾珠接觸的跟刀架將滑動摩擦變為滾動摩擦，可減小摩擦阻力。
使用跟刀架時注意：①主軸轉速不能過高，給支撐爪上潤滑油，防止過度磨損。②各爪支撐力要調整合理，過鬆不能支撐，過緊影響工件形狀精度，容易出現竹節形而影響加工質量。
採用一夾一頂方式，方法簡潔，不需過多的輔助工具和其他輔助加工。
（2）採用反向切削法車削細長軸。切削時車刀由卡盤向尾架方向進給，稱為反向切削法（見圖7）。這時在加工中產生的軸向切削力使細長軸承受拉力，消除軸向切削力引起的變形。
反向切削法在加工時，需預先加工出一段過度軸，但不能保證其與加工軸同軸，所以決定不採用。
（3）採用雙刀車削。雙刀車削（見圖8）是採用前後兩把車刀同時進行車削。兩把車刀徑向相對，前刀正裝，後刀反裝。車削時兩把刀產生的徑向切削力相互抵消，因此工件受力變形、振動都很小，加工的精度好。但需要改裝車床中滑板，增加後置刀架，所以成本變高，只適用於專業大批量生產。
（4）合理選擇切削用量。切削速度（v）的選擇。圖9所示為切削速度與振動強度及穩定性的關係曲線。
從圖9中可看出，車削時v一般在30～70m/min的速度範圍內，容易產生振動，此時相應的振幅值較大；高於或低於這個範圍，振動呈現減弱趨勢。所以當加工直徑＜15mm時，取v≤30m/min；當加工直徑＞15mm時，取v≥70m/min。
進給量f的選擇。在機床功率剛性許可情況下選大進給量。根據經驗，粗車時取f=0.15mm/ｒ， 半精車時f=0.1mm/ｒ，精車f=0.06mm/ｒ。
背吃刀量ap（切削深度）的選擇。隨著切削深度的增大，車削時產生的切削力、切削熱隨之增大，引起細長軸的受力、受熱變形也增大，因此在細長軸加工時，應儘量減少切削深度。根據經驗，
粗車時ap=1mm，半精車ap=0.5mm，精車時ap=0.25mm。
（5）合理選擇刀具角度。刀具幾何角度中前角、主偏角和刃傾角對切削力的影響最大。
前角ro。前角大小直接影響切削力、切削溫度。增大前角可使被切削金屬層的切削變形減小，通過試驗可知，當前角ro增加10°，徑向分力Fp可減小30%。實際加工前角一般取ro=15°～30°，車刀前刀面磨斷屑槽，寬2～4mm，使得出屑流暢，卷屑性能好。
主偏角Kr。主偏角增大，徑向切削力減小，主偏角Kr= 75°～90°（裝刀時裝成85°～88°），
刃傾角。影響車削過程中切削流向，刃傾角增大，徑向切削力減小，一般在－10°～ +10°範圍內。細長軸加工時，採用+3°～+10°，使切削流向待加工表面，從而保護已加工面。
（6）細長軸螺紋的加工。細長軸螺紋（M12以下）在機床上難以加工，通常採取的方式是用板牙直接套出來（見圖10）。
（a）
（b）
1.工裝套 2.未加工細長軸 3.定位孔4.緊固螺釘 5.板牙 6.已加工好的螺紋 7.板牙架 8.刀臺
加工時用普通板牙裝置套螺紋，發現容易產生半邊切削，造成牙尖損壞、質量差、效率低和廢品率高的現象。現改裝普通板牙套如圖10所示，以彌補存在的不足，提高細長軸螺紋的加工精度。
超長螺桿套絲夾具包括工裝套、板牙架和緊固頂絲。工裝套前面有保證超長螺桿加工精度的圓孔（圓孔主要起導向作用）和用來聯接圓孔的保持架，後面有固定板牙圓套，圓套上有兩個螺紋孔（一個用來聯接支撐杆，另一個用來旋轉緊固螺釘，使板牙固定在圓套上）。在加工超長螺桿時，將棒料一端夾緊，另一端放在定位圓孔內（棒料直徑比圓孔直徑小0.05～0.15mm），棒料旋轉，超長螺桿套絲夾具向前走，棒料經過超長螺桿套絲夾具內板牙的加工，可加工出高精度的超長螺桿。
（7）材力架吊杆的車削方法。通過上述試驗分析，決定採用以下方法解決生產中出現的問題。
首先對機床進行了兩方面的調整：①車床主軸的調整：車床主軸過鬆，很容易造成在車削過程中的振動，因此要把機床主軸適當調緊，從而防止機床跳動和竄動對零件加工的不利影響。②尾座的調整：如果尾座的中心線和主軸的中心線不在一條水平線上，產生同軸度誤差，車出的工件一定會出現錐度。
其次對零件的加工工藝進行分析，確定了加工工藝（見附表）。
經過上述辦法可解決吊杆生產中出現的問題，使產品合格（見圖11）。
圖11 合格的吊杆
3.結語
通過對車削加工中影響細長軸加工質量因素進行分析，將剛性差、抗彎能力弱及受熱彎曲變形等問題，用調整機床的精度、改善裝卡方式、正確刃磨刀具角度和選擇合理切削用量等方法加以解決，從而有效地提高細長軸的加工質量，確保其加工精度。
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