蠟制復合材料坯件制作的研究應用

唐愛武

永州職業技術學院機械工程系，永州 425000

前言

在數控車、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，上述情況發生后，輕者損壞機床，重者引發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構、澆注方法進行了專題研究， 提出了在數控銑床上的實踐教學采用蠟制材料坯件作為銑削加工，在數控車床上的實踐教學采用帶鋼芯結構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 在數控統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定，對工件的加工狀態和質量沒有影響。而圖la中的PY與PZ產生的合力R1是使銑刀桿產生彎曲的力，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生振動，但加工的材料強度低，PO力非常小，因此，產生的振動也非常小。通過上述分析、實踐證明，在數控銑床上加工蠟制材料是切實可行的。

1.2 在數控車床上加工零件受力分析

如圖2所示，是在數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，當刀具處于工件的中部時，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生彎曲，使得加工出來的零件質量差，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，用經過強化處理的蠟質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 帶鋼芯結構的蠟制坯件切削加工受力分析

2.1 帶鋼芯的蠟制毛坯結構分析

如圖3a所示，毛坯是由鋼芯與硬質蠟兩大部分組成，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，模內的蠟經冷卻、凝固等過程，使蠟分子與鋼芯表面緊密地結合在一起；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，采用帶鋼芯結構的蠟制坯件，可滿足數控車床的實踐教學的需要。

3 蠟制坯件的制作方法

3.1 蠟制坯件模具的設計

銑削蠟制坯件模具的設計（略）

車削蠟制坯件模具的設計

1）車削蠟制坯件模具結構簡介:

圖3 帶鋼芯結構的蠟制坯件

圖4 澆注模結構圖

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計

(1) 坯件模具設計的要點:

①模具的脫模——軸類坯件的特點是長而細，此類模具設計時，一般采用軸向方向對稱分模，采用此種方法設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，最后將上固定環套在模體的上端，其次將上下鎖緊螺栓擰緊，即裝配結束。

②拆卸方法——當澆注結束及模體冷卻后，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，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，發現所澆注的坯件，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，發現澆注的蠟冷卻速度快，蠟的流動性差所致。根據上述存在的問題，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下來完成澆注，通過改進澆注方法，蠟制坯件上表面出現凹坑的現象得到了解決。

圖5 無振動下的澆注

4 結語與討論

盡管在數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院校中使用，但因蠟是一種強度較低、材質較軟的材料，雖然通過硬化處理可在數控就床上銑削加工，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，完整的加工數據有待進一步的建立。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局.銑工.機械工業出版社，1978年9月

[2]上海市第一機電工業局.車工.機械工業出版社，1979年6月

[3]盧之章．生產實習教學法.中國勞動出版社，1996年

[4]李龍堂主編.工程力學.高等教育出版社，1998年7月