杆类零件加工
2014-3-13 来源： 作者：平阳机械厂 蒋业平
杆类零件, 特别是长径比很大的细长杆类零件, 是比较难以加工的零件, 由于细长杆本身的刚性差, 加工过程中受切削力、切削热, 振动等影响,容易出现弯曲, 竹节、维度、棱形和腰鼓形等缺陷。如果能正确地掌握刀具切削部的几何参数, 设计有效的工艺装备, 以及合理的工艺规程, 那么将会很大程度地提高刀具的耐用度, 改善切削性能, 满足质量及生产率要求。以下分五个方面谈杆类零件的加工。
一、影响杆类零件加工质量的主要因素
影响杆类零件加工质量的因素很多, 经过实践认为, 杆类零件在加工中所产生的振动是主要因素, 而振动的产生, 主要由四个原因所致。①杆件在高速旋转时, 在其圆周方向将会产生圆周力, 在这里可以理解为离心力, 见图1, 由于零件的自重力存在, 因此上、下垂直方向的离心力最大, 这两个力随着零件长径比的大小而变化, 长径比越大, 自重力就越大, 而上下跳动也就越大; 也就是说, 杆件越长越细, 其刚性越差, 挠度越大, 上下跳动就越大。②在一定的切削速度范围内, 振动是随着切削速度的增大而逐渐增大的。③刀具的几何角度选择不当, 也将会增加切削力, 在相同的切削条件下, 切削力大, 振动就大。④工艺方法不合理, 同样会引起杆件振动。
二、切屑受力及变形分析
振动是随着切削速度的增加而增加的, 但是切削速度增加到一定极限值时, 振动还会减小。下面从切屑受力及变形进行分析。
1. 切屑受力分析
切屑形成是挤压— 滑移过程。故在切削时, 切屑上有如下各力作用。图2表示出与前刀面接触的切屑底层, 作用着前刀面对切屑的正压力N前和F前摩擦力 ; 在滑移面上, 切屑受正压力Fn和剪切抗力Fs的作用, 剪切面上的抗力
合力R由 来平衡∴Rco s (β1+ ω) = Fs
故: 
式中: a— 切削厚度;
b— 切削宽度;
τ— OM 面上的剪应力。
上述各力在切削上互相平衡, 形成两个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 与切削速度方向的夹角, 表示R合力作用到切削层金属的方向, 称为作用角。
由图2可知:
ω= θ- γ
式中: θ—— 摩擦角—— tgθ= _
(_ 是切屑底层与前刀面间的摩擦系数);
γ— — 前角
由此可知, 切屑与前刀面的摩擦系数μ越小,前角γ愈大, 则作用角ω愈小。ω角小时, 表示R力指向切削表层, 切屑变形较小; ω角大时, 表示R力指向切削深层, 这时, 切屑变形较大。
2. 切屑变形分析
切屑变形最明显的现象是切屑收缩, 即切削时被切层受到挤压, 内部产生滑移变形, 切屑长度缩短, 厚度增加(宽度略有增加, 一般可忽略不计) 由图2可见。
收缩系数K= L / L霄 = a霄/a> 1
式中: L、a — — 切削层长度和厚度;
L霄、a霄 — — 切屑长度和厚度。
一般情况下, 切削中碳钢时K= 2～ 3。从切屑收缩情况来看, 切屑系数K 与滑移角 和前角γ有一定的几何关系。
因为 
所以 
当U1角变大时, K值变小, 于是切屑变形亦相应变小, 从图3中可以看出, 因为切屑变形小固然会导致切屑厚度变薄, 同时在高速切削的作用下, 切屑在刀面上流动很快, 切削热仍保留在切屑内使得切屑易于塑性变形, 这就更加有利于改善切削条件, 大大减小在切削过程中的径向力。
三、杆类零件的加工工艺
杆类零件的材料一般需经调质处理, 切削用量主要根据零件的长径比, 物理性能, 机械性能以及加工余量而选定。当长径比较大, 韧性较大时, 选用较小的切削用量, 若选用较大的切削用量, 将会增加切削力而引起杆件振动。
加工前准备: ①调整车床顶尖使其与主轴中心一致; ②检查机床转速是否正常; ③导轨是否单行;④三杠是否同心; ⑤溜板松紧适度, 总之要掌握机床的各部性能良好有效; ⑥杆件顶尖孔最好在本车床上用顶尖研磨一下; ⑦修理跟刀架脚爪(活动跟刀架则不用修), 使其与杆件有较好的吻合; 支柱爪轴向加长至35～ 45毫米, 径向缩小10～ 15毫米, 支柱材料最好用QT 60～ 2球墨铸铁; ⑧冷却液为一般乳化液, 较大流量, 直接冲在杆件与脚爪处, 使其充分冷却刀头。
刀具安装方法: 粗加工和半精加工时, 刀具应高于主轴中心0. 2～ 0. 5毫米, 精加工时应高于主轴中心0. 2～ 0. 3毫米。这样安装不仅增大了工作前角, 而且还能使刀的主后面约束杆件向上的作用力, 防止杆件的跳动。
在加工过程中, 随着加工所产生的轴向力的大小, 要进行调整。尾座顶尖的松紧情况, 因为顶尖的顶力大小, 都能引起杆件跳动, 又因杆件的基体组织分布不均, 它的物理性能和机械性能也不同, 杆件的伸缩率也是变化的。所以在加工时就需要每次进行调整。检验顶力大小的方法通常是将两手指(食指和拇指) 轻轻放在活顶尖上, 若能使顶尖停止转动, 这时的顶力为合适, 检验的程序是加工至约300～ 500毫米处时, 要及时进行调整, 此处基本上能反映出预紧力的大小, 而后视杆件收缩变化情况随时调整, 以防止加工过程中由于顶力过大过小的变化所产生的振动。
四、刀具几何角度
选择刀具的几何参数正确与否将直接影响杆件的质量和刀具的使用寿命, 为了得到切削轻快,降低切削力需将精加工车刀的前角γ增大为28°～30°, 并在主切削刃上磨出一个宽度为0. 1～ 0. 2毫米负20°～ 30°倒棱, 以增加主切削刃强度。这样在高速切削过程中, 负刃上就能形成切屑瘤成为一个稳定基座, 切屑瘤在棱面上不仅保护了刀刃, 而且还增大了前角, 并能担负着部分的切削作用, 在高速切削过程中, 刀瘤不断生成、长大、脱落。由于主屑流速很快, 并与切屑瘤相对摩擦, 切屑瘤能连续形成一细条副切屑, 在主屑内缓缓排出, 在排出同时,它带走了大量的切削热, 减少了传到车刀上的热量, 延长了车刀的耐用度同时又消除了刀瘤停留在已加工表面上的可能性, 从而提高了表面精度。
五、辅具
当杆件的直径>h3 , 长径比> 500～1000时, 托架是在加工过程中起减振作用的主要辅具。托架由两块制有3°斜面的木质(红松) 托块组成。上托块制成V 型托口见图4。这样可使得杆件与上托块在互相作用时能够不完全碰撞, 受力时一部分功能将受到损失, 以达到缓冲, 减少反作用力的作用。
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