复杂工件车削简介

项目11　*复杂工件车削简介

●项目描述

本项目包含细长轴车削、偏心工件的车削、薄壁工件的车削，通过学生在完成项目各任务的过程中，掌握较复杂工件车削的相关理论知识和操作技能。

●项目目标

知识目标：

●了解中心架和跟刀架，学会使用中心架和跟刀架；

●了解车细长轴零件时的特点；

●知道学会在三爪自定心卡盘上和在四爪单动卡盘上安装偏心工件。

●了解薄壁零件车削时的特点。

技能目标：

●学会正确刃磨车细长轴零件的车刀；

●学会车细长轴零件；

●学会在三爪自定心卡盘上安装、车偏心工件；

●掌握偏心工件的划线方法、学会车薄壁零件。

情感目标：

●通过完成本项目学习任务的体验过程，增强学生完成对本课程学习的自信心。培养学生精益求精，耐心细致的工作作风。

●项目实施过程

概述　复杂零件的车削

车床加工中，有时会遇到一些外形复杂和不规则的零件，如 承座、双孔连杆、偏心工件，等等，这些工件不能用三四爪卡盘直接装夹，必须借助于附件或装夹在专用夹具上加工。对于一些细长 等工件，虽然形状并不复杂，但加工也很困难，需要使用一些机床附件，才能正常安装和车削。我们把这类工件安排在本项目中介绍。

当然，需要说明的是，随着数控机床加工工艺的发展，很多复杂工件可以在数控车削中心上进行加工，可能又属于复杂零件了。本项目的设置，主要是为了拓展同学们的机床加工工艺思路。

任务11．1　细长轴的车削

11．1．1　细长轴零件时的特点

当工件的长度与直径之比大于25倍时，该工件称为细长 。车细长 零件时的特点有以下几点：

①由于零件的自重引起的细长 中部下垂，车削时工件旋转，在离心力的作用下使细长弯曲变形明显。

②车削细长 时，由于径向切削分力的作用，加剧了工件的弯曲变形，容易产生振动，难以顺利进行车削。

③为减小车细长 时的弯曲变形，常采用中心架或跟刀架增加其刚性，安装要求高，调整不方便，辅助时间长。

④车削过程中，一次走刀时间长，且产生的振动加剧了刀具的磨损，从而影响零件的几何形状精度。

⑤车削时，产生的切削热使工件温度升高，导致工件伸长，从而使工件产生弯曲变形，甚至会使工件在两顶尖卡住。

11．1．2车细长轴车刀

图11．1　细长轴车刀的几何角度

选择车刀几何角度（见图11．1）时应考虑以下几点：

①由于细长 零件刚性差，为减少细长 弯曲，要求径向切削力越小越好，而刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素。因此，车削时，在不影响刀具强度的情况下，应尽量增大车刀主偏角。车刀的主偏角一般取κr＝80°～95°。

②为使切削刃锋利，减少切削力和切削热，应选择较大的前角，一般取γo＝15°～30°。

③车刀前面应磨有R1．5～R3的圆弧形断屑槽，使切削顺利卷曲折断。

④选择正值刃倾角，通常取λs＝3°～10°，使切屑流向待加工表面，并可减少切削力，使车刀容易切入工件。

⑤切削刃表面粗糙度值要求在Ra0．4以下，并要保持锋利。

⑥为了减少径向切削力，应选择较小的刀尖圆弧半径（γε＜0．3mm）。倒棱的宽度也应选得较小，取倒棱宽br1＝0．5f。

⑦选用红硬性和耐磨性好的刀片材料，如YT15、YT30和YW1等。

11．1．3　细长轴的方法

（1）认识中心架和跟刀架

1）中心架

中心架一般用于车削刚性较差的细长 或直径较粗无法穿入主 孔、外圆同 度要求较高、长度较长的工件。常用的中心架分为普通中心架和滚动 承中心架两种（见图11．2）。

图11．2　中心架的种类

普通中心架的支承爪镶配在支承套f中，工作时会与工件相互摩擦，属于易损件，磨损后便于更换。支承爪一般用耐磨性好，又不容易擦伤工件的材料制造。

2）跟刀架

对不适宜用调头车削以及不能使用中心架的细长 ，都采用跟刀架支承进行车削，这样可以抵消径向切削力，提高车削细长 的形状精度，减少表面粗糙度。常用的跟刀架分为两爪跟刀架和三爪跟刀架两种（见图11．3）。

图11．3　跟刀架的种类

两爪跟刀架由于制造简单而被广泛使用。两爪跟刀架只有两个支承爪支承工件。由于工件本身有一个向下重力，使工件不可避免的弯曲，因此，车削时工件往往会因离心力瞬时离开支承爪而产生振动，从而造成受力不均匀，难以保证加工质量。

（2）中心架和跟刀架的使用方法

1）中心架的使用方法

①当遇到无法穿入车床主 孔内、直径较粗、长度较长的工件或需加工端面、打中心孔、钻孔和车内孔时，可采用将工件的一端用卡盘夹紧，另一端用中心架支承的方法，然后用百分表校正，并依次调整3个支承爪，使其与工件表面轻轻接触，如图11．4所示。

②当细长 工件的加工精度要求较低，可以采用分段或调头车削时，中心架可直接支承在工件中间，如图11．5所示。这样长度与直径比减少了一半，细长 车削时的刚性大大增加。在工件装上中心架之前，必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽，沟槽的表面粗糙度及圆柱度误差要小，否则会影响工件的精度。

图11．4　使用中心架车端面

图11．5　中心架直接支承在工件中间

2）跟刀架的使用方法

用跟刀架支承车削工件的方法如图11．6所示。跟刀架的使用方法如下：

①将跟刀架固定在床鞍上，使其与车刀一起纵向移动。

②适当调整跟刀架各支承爪与工件的接触压力，让每个支承爪都能与工件外圆表面保持合适的间隙，使工件可以自由转动。

③车削时要经常检查跟刀架各支承爪与工件表面的接触情况，以便及时调整。

图11．6　用跟刀架支承车削工件

11．1．4　技能训练——细长轴零件车削

本任务如图11．7所示为典型细长 工件，要熟悉细长 的加工工艺过程，保证工件的精度要求，完成工件的加工。

图11．7　细长轴零件图

（1）零件工艺分析

形状分析：本工件为一长径比为25的细长 ，工件刚性差，易发生弯曲变形。

精度分析：本工件直径尺寸精度要求不高，无特殊技术要求。

工艺分析：根据细长 工件的特点和毛坯特点，采用一夹一顶装夹毛坯，用跟刀架。根据工件直径精度要求，采用粗精分开的原则，精车余量为2～3mm。

加工工艺顺序：车平端面，钻中心孔→车跟刀架支承外圆（一夹一顶）→车全长外圆（跟刀架）。

（2）工量具准备清单（见表11．1）

表11．1　工量具准备清单

（3）工艺步骤

细长 零件车削加工工艺过程见表11．2。

表11．2　细长轴零件车削工艺过程

（4）评分标准及记录表（见表11．3）

表11．3　评分标准及记录表

续表

注：每个精度项目检测超差不得分。

11．1．5　细长轴易产生的缺陷及预防措施（见表11．4）

表11．4　细长轴易产生的缺陷及预防措施

任务11．2　在三爪自定心卡盘上车偏心工件

11．2．1　偏心的概念

外圆和外圆 线或内孔与外圆的 线平行而不重合（偏一个距离）的零件称为偏心工件。这两条平行 线之间的距离称为偏心距e。外圆与外圆偏心的零件称为偏心 ，如图11．8（a）所示。外圆与内孔偏心的零件称为偏心套，如图11．8（b）所示。

图11．8　偏心工件

偏心 、偏心套一般都在车床上加工。它们的加工原理基本相同，无论采用什么样的装夹方式，只要把它们需要加工偏心部分的回转 线校正到跟主 旋转中心重合即可。

在三爪自定心卡盘上车偏心工件就是在某一个卡爪上垫一定厚度的垫片，使工件产生偏心，然后进行车削，如图11．9所示。这种方法适用于长度较短，数量较多，偏心距较小的偏心工件。

图11．9　在自定心卡盘上 偏心工件

11．2．2　在三爪自定心卡盘上安装偏心工件的方法和步骤

（1）计算垫片厚度x（见图11．9）

x＝1．5e±K　K≈1．5Δe

（2）制作偏心垫片

为防止在装夹时产生挤压变形的现象，应选择硬度较高的材料做垫片。

（3）装夹工件

在三爪自定心卡盘上任意选择一个卡爪，用粉笔在这个卡爪上做一记号，把做好的垫片垫在带记号的卡爪爪面上，然后安装工件，同时用手扶住偏心垫片，防止垫片掉落。

（4）在三爪自定心卡盘上校正偏心距的方法

对于精度要求较低的偏心距，可用游标卡尺检测，如图11．10所示。测量时，用游标卡尺尾端的深度尺测量两外圆间的最大距离和最小距离，则偏心距就等于最大距离和最小距离差值的一半，即

图11．10　用游标卡尺检测偏心距

当偏心距的精度要求较高时，必须用百分表校正，一般可使偏心距误差控制在0．02mm以内。但由于受百分表测量范围的限制，因此，只适用于偏心距为5mm以下的工件的校正。

百分表校正的具体操作步骤如下：

①用手拨动卡盘，将夹有偏心垫片的一个卡爪转动到最高的位置，使偏心工件处于最低的测量点位置。

②将百分表的测量头垂直接触偏心工件的基准 最高侧母线上，再左右移动床鞍，观察百分表指针读数并校正工件，如图11．11所示，当百分表从a点移动到b点的指针读数相同时，即表明外圆最高侧母线与车床主 线平行。为了保证偏心 两 线的平行度，应用百分表分别校正工件的上母线和侧母线，即一个方向的一条侧母线校正平行后，应用手拨动卡盘把工件转过90°校正另一条侧母线使其平行。

图11．11　用百分表检测侧母线

③将百分表的测量头垂直接触偏心工件的基准 最高侧母线上，并使百分表压缩量为0．5～1mm，用手缓慢拨动卡盘，同时仔细观察百分表指针读数，当工件转动一周时，百分表指示处的最大值和最小值之差的一半即为偏心距值。

④按上述方法反复用百分表测量，并根据实际偏心距数值调整偏心垫片厚度，直至校正的偏心距在允许的误差范围内为止。

11．2．3　偏心的注意事项

车削时须注意以下几个事项：

①要尽量避免使用爪面有严重磨损的卡爪，特别是出现严重“喇叭口”的卡爪。

②车削工件前，必须确定工件是在夹紧状态下用百分表检测出的偏心距数值。

③车偏心工件时，会出现断续切削，当偏心部分的表面没有完全车圆时，不宜选择较高的转速。

④在不影响车削的情况下，刀头伸出刀架的长度应尽量短些，以提高车刀的刚性。

⑤车偏心工件时，为了防止硬质合金刀头受工件撞击碎裂，车刀应磨有一定的负值刃倾角，并减小进给量。也可选用高速钢车刀车削。

⑥由于工件装夹偏心垫片以后，开动机床主 会使工件旋转状态下的直径大大增加，工件实际切削深度也会加大。因此，车偏心件前，刀具应离工件远一些，开动机床使主 旋转后，再将车刀逐步靠近工件切削。

11．2．4　技能训练——偏心零件的加工

如图11．12所示，本任务是在三爪自定心卡盘上车偏心工件。零件材料为45钢，毛坯规格为φ55mm×100mm。

图11．12　三爪自定心卡盘加工图

（1）零件的工艺分析

形状分析：本工件为偏心 ，工件长度尺寸较短，重点是偏心的距离及形状。

精度分析：本工件直径尺寸精度要求较高，无其他特殊技术要求。

工艺分析：根据工件的特点和毛坯特点，采用三爪自定心卡盘装夹毛坯。根据工件直径精度要求，采用粗精分开的原则，精车余量为1mm。

加工工艺顺序：车平端面→车全长外圆→车长度φ40mm的外圆→车偏心外圆→倒角→检查完工。

（2）工、量、刃具准备清单（见表11．5）

表11．5　工、量、刃具准备清单

（3）切削用量选取（见表11．6）

表11．6　切削用量（参考量）

（4）加工步骤（见表11．7）

表11．7　工艺步骤

续表

（5）评分标准及记录表（见表11．8）

表11．8　评分标准与记录表

*
任务11．3　薄壁零件的车削

11．3．1　薄壁零件车削时的特点

薄壁零件由于刚性差、强度弱，加工时往往会出现以下现象：

①采用三爪自定心卡盘装夹工件时，薄壁零件在夹紧力的作用下容易产生“等直径变形”，影响工件的尺寸精度和形状精度。

图11．13　薄壁零件的夹紧变形

如图11．13所示，在夹紧力的作用下，使工件变成三边形，如图11．13（a）所示。经过车削加工后，三边形内孔被车为圆柱孔，加工完毕松开卡爪后，卸下的工件由于弹性恢复，外圆恢复成圆柱形，而圆柱孔则变成弧形三边形，如图11．13（b）所示。若用内径百分表或内径千分尺测量，可测得各个方向的直径D相等，但实际上已变形不是内圆柱面了，这种现象称为等直径变形。

②因工件较薄，对于线膨胀系数较大的金属工件，在一次装夹中连续加工，持续产生的切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制，精度受到较大的影响。

③在切削力（特别是径向切削力）的作用下，容易产生振动和变形，影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。

11．3．2　防止和减少薄壁零件变形的方法

①严格区分粗、精加工过程。对加工精度要求较高的薄壁类零件，应把粗、精加工分开进行。这样可避免因粗加工引起的各种变形，包括夹紧力大引起的弹性变形、切削热引起的热变形以及内应力引起的变形等。

②工艺上尽可能采用一次装夹的方法，如图11．14所示，加工完薄壁零件后，将其缷下。

③为增加装夹接触面，尽量采用开缝套f（见图11．15）装夹零件，使夹紧力均匀分布在工件上，减少因夹紧引起的变形。

图11．14　一次装夹车削薄壁零件

图11．15　开缝套筒装夹工件

图11．16　轴向夹紧薄壁零件

④车薄壁零件时，尽量不使用径向夹紧，而应优先采用 向夹紧的夹具来减少夹紧引起的变形，如图11．16所示。

⑤合理选用刀具的几何角度，对于减小切削力和工件热变形能起到重要作用。特别是在精加工时，更要保证刀刃的锋利，一般可选择较大的主偏角κr＝80°～93°，车刀前角取γ0＝10°～20°，刃倾角通常取λs＝3°～10°。

⑥合理选择切削用量。当背吃刀量和进给量同时增大时，切削力也增大，使变形加大，对车薄壁零件极为不利；而当背吃刀量减少，进给量增大时，切削力虽然有所下降，但工件表面残余面积及表面粗糙度值增大，使强度不好的薄壁零件的内应力增加，同样也会导致零件的变形。

a．粗加工时，切削速度vc＝50～80m／mJn；背吃刀量ap＝0．2～2mm；进给量f＝0．2～0．35mm／r。

b．精加工时，切削速度vc＝60～120m／mJn；背吃刀量ap＝0．2～0．5mm；进给量f＝0．08～0．15mm／r。精车时选用的切削速度不宜过高，只要合理选择切削用量就能减小切削力，从而减少变形。

⑦合理选择并充分浇注切削液，从而起到降低切削温度，减少工件热变形的作用。

11．3．3　薄壁工件变形的原因及防止措施

薄壁工件变形的原因及防止措施见表11．9。

表11．9　薄壁工件变形的原因及防止措施

●拓展训练

（1）简述细长 车削时的特点。

（2）简述装夹细长 零件的方法。

（3）什么叫做热变形？

（4）车细长 时，为防止或减少工件热变形伸长，主要可采取哪些措施？

（5）简述在三爪自定心卡盘上车偏心工件的适用场合。

（6）简述如何检测具有不同精度要求的偏心距。

（7）薄壁零件在车削过程中会出现哪些变形？

（8）简述防止和减少薄壁零件变形的方法。

（9）精车薄壁类工件时，对车刀有哪些要求？

（10）影响薄壁类工件加工质量的因素有哪些？

附录　*中级普通车工职业技能鉴定集训图集

附表1　训练1的评分标准

附表2　训练2的评分标准

附表3　训练3的评分标准

附表4　训练4的评分标准

附表5　训练5的评分标准