唐愛武

永州職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，永州 425000

前言

在數(shù)控車、銑機床上采用金屬材料實踐教學，因初學者對機床的性能及操作方法不熟練，常造成機床上的工件與刀具碰撞的情況，上述情況發(fā)生后，輕者損壞機床，重者引發(fā)因刀具斷裂部分飛濺傷人事故。針對這一問題，筆者就蠟制材料的蠟坯結(jié)構(gòu)、澆注方法進行了專題研究， 提出了在數(shù)控銑床上的實踐教學采用蠟制材料坯件作為銑削加工，在數(shù)控車床上的實踐教學采用帶鋼芯結(jié)構(gòu)的蠟制坯件作為車削加工，通過近一段時間的應用，取得了一定的效果。

1 采用蠟制坯件切削加工的受力分析

1.1 在數(shù)控統(tǒng)機床上加工零件的受力分析

如圖1a所示，是采用圓柱銑刀銑削的，作用在圓柱銑刀刀齒上的銑削力可分為三個分力，即切向力PZ，徑向力PY和軸向力PO，而作用在工件上的力除壓緊力F外，就是銑刀上的三個力反作用在工件上，從這些作用力來看，除軸向力PO外，其它幾個力都是壓向工件的，此力只能使工件更加趨于穩(wěn)定，對工件的加工狀態(tài)和質(zhì)量沒有影響。而圖la中的PY與PZ產(chǎn)生的合力R1是使銑刀桿產(chǎn)生彎曲的力，但加工蠟制材料的切削力非常小，因此，作用力R1也非常小，不會使銑刀桿發(fā)生彎曲。同樣，軸向力PO也因加工的蠟制材料切削力較小也不會影響工件的加工。如圖1b所示，是采用端銑加工的方法，作用在端銑刀刀齒上的銑削力，也可分成切向力PZ，徑向力PY和軸向力PO三個分力，這三個力的反作用力雖然不是壓向工件，但壓緊力F較大時，這些反作用力不會對工件加工帶來什么影響，只是 圖lb中的PO力是垂直向上，對銑刀的主軸有一個推力，此推力會使銑床主軸發(fā)生振動，但加工的材料強度低，PO力非常小，因此，產(chǎn)生的振動也非常小。通過上述分析、實踐證明，在數(shù)控銑床上加工蠟制材料是切實可行的。

1.2 在數(shù)控車床上加工零件受力分析

如圖2所示，是在數(shù)控車床上加工零件的受力分析，車刀上的切削力由主切削力PZ，徑向力PY以軸向力PX組成，由圖2可知，PY、PX與PZ形成的合力P，而合力P的反作用力是使工件發(fā)生彎曲變形的力，因此，在加工細長零件時，會給工件加工帶來嚴重的影響。其一，當?shù)毒咛幱诠ぜ闹胁繒r，在切削力P的作用下，力P的反作用力使工件朝某一角度發(fā)生彎曲，使得加工出來的零件質(zhì)量差，變形嚴重時，可能因強度問題而斷裂；其二，在加工較長的零件時，一端打上的中心孔，用頂針頂住加工時，由于蠟制材料的強度問題，中心孔極易變形，中心孔變形后，從而造成無法加工；其三，在用三爪卡盤夾緊工件時，由于工件是蠟制品，夾緊力用得過大時，端頭易夾壞，夾緊力較小時，工件難以夾緊。因此，實踐證明，用經(jīng)過強化處理的蠟質(zhì)材料在車床上進行實踐教學存在的問題多。

圖1 銑刀刀點上的銑削力

圖2 銑刀上的切削力

2 帶鋼芯結(jié)構(gòu)的蠟制坯件切削加工受力分析

2.1 帶鋼芯的蠟制毛坯結(jié)構(gòu)分析

如圖3a所示，毛坯是由鋼芯與硬質(zhì)蠟兩大部分組成，其中鋼芯的夾持部位是與鋼芯連成一個整體，當蠟制毛坯在車床上加工時，工件表面受到的切削力主要由鋼芯來承受；另外，硬質(zhì)蠟與鋼芯的粘接，一是在專用的振動臺上將熔化的蠟澆注到蠟模內(nèi)，模內(nèi)的蠟經(jīng)冷卻、凝固等過程，使蠟分子與鋼芯表面緊密地結(jié)合在一起；二是為了防止蠟與鋼芯在加工過程中因切削力的作用而松動，在鋼芯的右端加工了螺紋，增大蠟與鋼芯的接觸面積和增大摩擦力，另外，還在鋼芯的右端的夾待處靠內(nèi)端面上專門加工了兩個凹槽，該凹槽就是防松的一項重要工藝槽。

2.2 帶鋼芯的蠟制毛坯在車床上的加工受力分析

如圖3b所示，當帶鋼芯的蠟制毛坯按照圖3b裝夾切削時，由于坯件的心部及夾持處帶有鋼芯，因此，在切削過程中，解決了原純蠟在夾持處夾持不牢固的問題，同樣也還解決了加工長棒料時，因中部受力工件易彎曲變形等問題。

實踐證明，采用帶鋼芯結(jié)構(gòu)的蠟制坯件，可滿足數(shù)控車床的實踐教學的需要。

3 蠟制坯件的制作方法

3.1 蠟制坯件模具的設(shè)計

銑削蠟制坯件模具的設(shè)計（略）

車削蠟制坯件模具的設(shè)計

1）車削蠟制坯件模具結(jié)構(gòu)簡介:

圖3 帶鋼芯結(jié)構(gòu)的蠟制坯件

圖4 澆注模結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，蠟制坯件模具是由下模座、模芯、模體及上固定環(huán)等組成，它們組合成一副澆注模時，主要靠上、下緊定螺栓將它們緊團成一個整體，即坯件模具。

2）車削蠟制坯件模具的設(shè)計

(1) 坯件模具設(shè)計的要點:

①模具的脫模——軸類坯件的特點是長而細，此類模具設(shè)計時，一般采用軸向方向?qū)ΨQ分模，采用此種方法設(shè)計不需要考慮脫模的撥模角度；

②鋼芯與模具的定位——如圖4所示，鋼芯夾持處與鋼芯連接成一個整體，因此，利用夾持處的圓柱部分來定位，可保證鋼芯與模具的定位。

③模體的固定——如圖4所示，模體是兩個半圓塊組成， 模體的固定是由下固定座與上固定環(huán)通過上下螺栓而固定的。

3）蠟制坯件模具的拆裝

①裝配方法——首先將下模座放在振動平臺上，然后將模芯及模體一同放入下模座，最后將上固定環(huán)套在模體的上端，其次將上下鎖緊螺栓擰緊，即裝配結(jié)束。

②拆卸方法——當澆注結(jié)束及模體冷卻后，將整個模卸下振動平臺，先用M16的螺栓從下模座底部的M16螺孔旋入，將鋼芯先頂松，然后再松開下端堅定螺栓，將模體拿出，再松開上緊定螺栓，卸下上固定環(huán)，再用木槌輕輕錘擊帶有鋼夾持頭的一端，即可將澆注的蠟制坯件拆卸下來。

4）振動澆注——我院去年在制作鏡削蠟制坯件時，發(fā)現(xiàn)所澆注的坯件，上部收縮非常嚴重，澆出的蠟制坯中部凹下去2mm～6mm不等(如圖5所示)。通過分析，發(fā)現(xiàn)澆注的蠟冷卻速度快，蠟的流動性差所致。根據(jù)上述存在的問題，我們采取了振動澆注法，即在澆注的過程中，使模具始終處于振動的狀態(tài)下來完成澆注，通過改進澆注方法，蠟制坯件上表面出現(xiàn)凹坑的現(xiàn)象得到了解決。

圖5 無振動下的澆注

4 結(jié)語與討論

盡管在數(shù)控機床上采用蠟制復合材料的實踐教學已逐漸在一些職業(yè)院校中使用，但因蠟是一種強度較低、材質(zhì)較軟的材料，雖然通過硬化處理可在數(shù)控就床上銑削加工，但在車床上使用尚存在較多的問題。本文提出的通過在蠟制材料中增加鋼芯的方法是比較可行的，該法基本上解決在數(shù)控車床上的切削夾緊和切削過程中受力變形的問題。目前采用蠟制復合材料在數(shù)控機床上的實踐教學，在理論上的研究尚處于初級研究階段，完整的加工數(shù)據(jù)有待進一步的建立。我們相信，在廣大科技工作者的不斷努力下，定能逐步完善和成熟。

[1]上海市第一機電工業(yè)局.銑工.機械工業(yè)出版社，1978年9月

[2]上海市第一機電工業(yè)局.車工.機械工業(yè)出版社，1979年6月

[3]盧之章．生產(chǎn)實習教學法.中國勞動出版社，1996年

[4]李龍?zhí)弥骶?工程力學.高等教育出版社，1998年7月