基于SolidWorks细长轴的加工方法及有限元分析

0 引言

    在车床上加工细长轴时，由于其刚性差，在切削力和切削热的作用下，细长轴很容易产生弯曲变形，这样就破坏了刀具和零件相对运动的准确性，使加工出来的细长轴产生腰鼓形、多角形、糖葫芦形等缺陷，严重影响零件的加工精度。同时细长轴产生弯曲变形后，还会引起工艺系统振动，影响零件的粗糙度。为了在加工过程中，使细长轴的同轴度高，减少发生振动，采用本文论述的方法。

1 实例建模

    某一细长轴（长度L、直径d之比≥25）材料为45钢，表面粗糙度为1.6，整体工件调质处理，同轴度要求较高，锐角倒钝。

    实例模型如图1。

    图1 实例模型

2 加工过程中引起细长轴变形的因素

    (1)在车削过程中，产生的切削力可以分解为轴向切削力PX、径向切削力PY及切向切削力PZ。对于细长轴加工影响最大的是径向切削力PY，径向切削力是垂直作用在通过细长轴轴线的水平平面内。由于细长轴的刚性较差，径向力将会把细长轴顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形。一般的情况下，轴向切削力PX对于细长轴加工影响不大，主要是轴向切削力PX在加工过程中会对工件重心形成一个弯矩，从而使细长轴发生弯曲变形，但这个弯矩是可以避免的，只要适当保持顶尖的挤压力，就不会产生弯矩。切向切削力PZ，对于车削细长轴影响不大，可以不予考虑。

    (2)车削加工产生的切削热，会引起工件发热变形。细长轴的两端被卡住，切削热会限制细长轴的伸长量，由于两端的挤压，从而发生弯曲变形。控制工艺过程中的受力及受热变形，可以提高细长轴的加工精度。避免切削热引起变形的最有效的方法是控制切削用量和加注冷却液。采用双顶尖定位和加中心架的方法目的是避免细长轴受力发生变形。

3 选取合适的加工方法

    目前细长轴的加工方法中，大多数采用一夹一顶的定位方式，但是卡爪夹紧面与顶尖孔可能不同轴，导致最后成形的细长轴同轴度不能保证，甚至发生弯曲。现在很多装配零件中，对于细长轴有同轴度较高的要求，以此保证装配后细长轴各段能够充分利用，且延长细长轴的使用寿命。

    此例细长轴相对于基准A的同轴度为0.03，要求较高，为了保证同轴度问题，针对控制工艺过程中受力变形的问题，具体实现方法为：采用双顶尖定位，中间加中心架的方法。即双顶尖定位可以使工件定位准确，同轴度要求能够保证，在细长轴的中间加一个中心架，即全长的1/2处，这样细长轴的刚度增加了1倍，相当于在细长轴上增加了一个支撑，可有效地减小径向切削力不致使细长轴顶弯，且可以减少振动。