桿類零件, 特別是長(zhǎng)徑比很大的細(xì)長(zhǎng)桿類零件, 是比較難以加工的零件, 由于細(xì)長(zhǎng)桿本身的剛性差, 加工過(guò)程中受切削力、切削熱, 振動(dòng)等影響,容易出現(xiàn)彎曲, 竹節(jié)、維度、棱形和腰鼓形等缺陷。如果能正確地掌握刀具切削部的幾何參數(shù), 設(shè)計(jì)有效的工藝裝備, 以及合理的工藝規(guī)程, 那么將會(huì)很大程度地提高刀具的耐用度, 改善切削性能, 滿足質(zhì)量及生產(chǎn)率要求。以下分五個(gè)方面談桿類零件的加工。
一、影響桿類零件加工質(zhì)量的主要因素
影響桿類零件加工質(zhì)量的因素很多, 經(jīng)過(guò)實(shí)踐認(rèn)為, 桿類零件在加工中所產(chǎn)生的振動(dòng)是主要因素, 而振動(dòng)的產(chǎn)生, 主要由四個(gè)原因所致。①桿件在高速旋轉(zhuǎn)時(shí), 在其圓周方向?qū)?huì)產(chǎn)生圓周力, 在這里可以理解為離心力, 見圖1, 由于零件的自重力存在, 因此上、下垂直方向的離心力最大, 這兩個(gè)力隨著零件長(zhǎng)徑比的大小而變化, 長(zhǎng)徑比越大, 自重力就越大, 而上下跳動(dòng)也就越大; 也就是說(shuō), 桿件越長(zhǎng)越細(xì), 其剛性越差, 撓度越大, 上下跳動(dòng)就越大。②在一定的切削速度范圍內(nèi), 振動(dòng)是隨著切削速度的增大而逐漸增大的。③刀具的幾何角度選擇不當(dāng), 也將會(huì)增加切削力, 在相同的切削條件下, 切削力大, 振動(dòng)就大。④工藝方法不合理, 同樣會(huì)引起桿件振動(dòng)。
二、切屑受力及變形分析
振動(dòng)是隨著切削速度的增加而增加的, 但是切削速度增加到一定極限值時(shí), 振動(dòng)還會(huì)減小。下面從切屑受力及變形進(jìn)行分析。
1. 切屑受力分析
切屑形成是擠壓— 滑移過(guò)程。故在切削時(shí), 切屑上有如下各力作用。圖2表示出與前刀面接觸的切屑底層, 作用著前刀面對(duì)切屑的正壓力N前和F前摩擦力 ; 在滑移面上, 切屑受正壓力Fn和剪切抗力Fs的作用, 剪切面上的抗力
合力R由 來(lái)平衡∴Rco s (β1+ ω) = Fs
故:
式中: a— 切削厚度;
b— 切削寬度;
τ— OM 面上的剪應(yīng)力。
上述各力在切削上互相平衡, 形成兩個(gè)大小相等方向相反的合力;
- R= R’
切削在切削合力R的作用下被切除。ω角是切削合力R 與切削速度方向的夾角, 表示R合力作用到切削層金屬的方向, 稱為作用角。
由圖2可知:
ω= θ- γ
式中: θ—— 摩擦角—— tgθ= _
(_ 是切屑底層與前刀面間的摩擦系數(shù));
γ— — 前角
由此可知, 切屑與前刀面的摩擦系數(shù)μ越小,前角γ愈大, 則作用角ω愈小。ω角小時(shí), 表示R力指向切削表層, 切屑變形較小; ω角大時(shí), 表示R力指向切削深層, 這時(shí), 切屑變形較大。
2. 切屑變形分析
切屑變形最明顯的現(xiàn)象是切屑收縮, 即切削時(shí)被切層受到擠壓, 內(nèi)部產(chǎn)生滑移變形, 切屑長(zhǎng)度縮短, 厚度增加(寬度略有增加, 一般可忽略不計(jì)) 由圖2可見。
收縮系數(shù)K= L / L霄 = a霄/a> 1
式中: L、a — — 切削層長(zhǎng)度和厚度;
L霄、a霄 — — 切屑長(zhǎng)度和厚度。
一般情況下, 切削中碳鋼時(shí)K= 2～ 3。從切屑收縮情況來(lái)看, 切屑系數(shù)K 與滑移角 和前角γ有一定的幾何關(guān)系。
因?yàn)?
所以
當(dāng)U1角變大時(shí), K值變小, 于是切屑變形亦相應(yīng)變小, 從圖3中可以看出, 因?yàn)榍行甲冃涡」倘粫?huì)導(dǎo)致切屑厚度變薄, 同時(shí)在高速切削的作用下, 切屑在刀面上流動(dòng)很快, 切削熱仍保留在切屑內(nèi)使得切屑易于塑性變形, 這就更加有利于改善切削條件, 大大減小在切削過(guò)程中的徑向力。
三、桿類零件的加工工藝
桿類零件的材料一般需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理, 切削用量主要根據(jù)零件的長(zhǎng)徑比, 物理性能, 機(jī)械性能以及加工余量而選定。當(dāng)長(zhǎng)徑比較大, 韌性較大時(shí), 選用較小的切削用量, 若選用較大的切削用量, 將會(huì)增加切削力而引起桿件振動(dòng)。
加工前準(zhǔn)備: ①調(diào)整車床頂尖使其與主軸中心一致; ②檢查機(jī)床轉(zhuǎn)速是否正常; ③導(dǎo)軌是否單行;④三杠是否同心; ⑤溜板松緊適度, 總之要掌握機(jī)床的各部性能良好有效; ⑥桿件頂尖孔最好在本車床上用頂尖研磨一下; ⑦修理跟刀架腳爪(活動(dòng)跟刀架則不用修), 使其與桿件有較好的吻合; 支柱爪軸向加長(zhǎng)至35～ 45毫米, 徑向縮小10～ 15毫米, 支柱材料最好用QT 60～ 2球墨鑄鐵; ⑧冷卻液為一般乳化液, 較大流量, 直接沖在桿件與腳爪處, 使其充分冷卻刀頭。
刀具安裝方法: 粗加工和半精加工時(shí), 刀具應(yīng)高于主軸中心0. 2～ 0. 5毫米, 精加工時(shí)應(yīng)高于主軸中心0. 2～ 0. 3毫米。這樣安裝不僅增大了工作前角, 而且還能使刀的主后面約束桿件向上的作用力, 防止桿件的跳動(dòng)。
在加工過(guò)程中, 隨著加工所產(chǎn)生的軸向力的大小, 要進(jìn)行調(diào)整。尾座頂尖的松緊情況, 因?yàn)轫敿獾捻斄Υ笮? 都能引起桿件跳動(dòng), 又因桿件的基體組織分布不均, 它的物理性能和機(jī)械性能也不同, 桿件的伸縮率也是變化的。所以在加工時(shí)就需要每次進(jìn)行調(diào)整。檢驗(yàn)頂力大小的方法通常是將兩手指(食指和拇指) 輕輕放在活頂尖上, 若能使頂尖停止轉(zhuǎn)動(dòng), 這時(shí)的頂力為合適, 檢驗(yàn)的程序是加工至約300～ 500毫米處時(shí), 要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整, 此處基本上能反映出預(yù)緊力的大小, 而后視桿件收縮變化情況隨時(shí)調(diào)整, 以防止加工過(guò)程中由于頂力過(guò)大過(guò)小的變化所產(chǎn)生的振動(dòng)。
四、刀具幾何角度
選擇刀具的幾何參數(shù)正確與否將直接影響桿件的質(zhì)量和刀具的使用壽命, 為了得到切削輕快,降低切削力需將精加工車刀的前角γ增大為28°～30°, 并在主切削刃上磨出一個(gè)寬度為0. 1～ 0. 2毫米負(fù)20°～ 30°倒棱, 以增加主切削刃強(qiáng)度。這樣在高速切削過(guò)程中, 負(fù)刃上就能形成切屑瘤成為一個(gè)穩(wěn)定基座, 切屑瘤在棱面上不僅保護(hù)了刀刃, 而且還增大了前角, 并能擔(dān)負(fù)著部分的切削作用, 在高速切削過(guò)程中, 刀瘤不斷生成、長(zhǎng)大、脫落。由于主屑流速很快, 并與切屑瘤相對(duì)摩擦, 切屑瘤能連續(xù)形成一細(xì)條副切屑, 在主屑內(nèi)緩緩排出, 在排出同時(shí),它帶走了大量的切削熱, 減少了傳到車刀上的熱量, 延長(zhǎng)了車刀的耐用度同時(shí)又消除了刀瘤停留在已加工表面上的可能性, 從而提高了表面精度。
五、輔具
當(dāng)桿件的直徑>h3 , 長(zhǎng)徑比> 500～1000時(shí), 托架是在加工過(guò)程中起減振作用的主要輔具。托架由兩塊制有3°斜面的木質(zhì)(紅松) 托塊組成。上托塊制成V 型托口見圖4。這樣可使得桿件與上托塊在互相作用時(shí)能夠不完全碰撞, 受力時(shí)一部分功能將受到損失, 以達(dá)到緩沖, 減少反作用力的作用。
