加工齿轮泵壳体专用刀具的优化设计
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数控刀具
图1 齿圈槽加工要求
1 引言
加工中心上一次加工完成。但在加工中，当刀具切削至齿圈槽槽底时，由于整个主切削刃全部进入切削状态(即所谓“全锋切削”)，切削负荷突然增大，加上工件毛坯表面不平整，极易引起加工颤振，使被加工表面出现明显波纹，造成齿圈槽槽底加工表面质量恶化，刀具寿命缩短。为此，本文在分析加工颤振产生机理的基础上，对齿圈槽加工专用刀具的刀体结构和刀具参数进行了优化设计。
图2 加工颤振发生机理
2 加工颤振机理分析
图3 交变切削力F
d的产生机理
d(如图3所示)。为抑制和消除加工颤振现象，通常可采用改变主轴转速的方法。但加工铝合金材料时，如转速过低，容易发生“粘刀”现象(即切削高温使铝屑熔结在刀刃上)，从而使加工状况恶化；如转速过高，则会影响刀具使用寿命。因此，为消除颤振现象，必须对原有刀具的结构及参数进行优化设计。
3 刀具的优化设计
- 刀体结构设计
- 引起刀具产生相对于工件的弹性位移DX的切削力变化量DF随刀体刚性的增大而减小，即当刀具碰到硬质点时，刚性较大的刀体产生的弹性位移较小。由弹性位移DX产生的相应切削力变化量DF可表示为 DF=k
db(µeif-1)DX (1)式中：kd——动态切削力系数- b——有效切削宽度
- µ——重迭系数
- f——原有波纹与本次切削形成波纹的相位差
图4 复合式刀体
图5 整体可调式刀体- 由式(1)可知，DF与DX 成正比，即刀具刚性越大，产生弹性位移DX 越小，引起的DF也越小，从而可使初始扰动DF经几次衰减后迅速回复到零。为此，我们将原刀具的复合式刀体(见图4)重新设计为整体可调式刀体(见图5)。刀具对齿圈槽内侧面及槽底部分的加工由刀刃1完成，对齿圈槽外侧面的加工则由刀刃2完成。原复合式刀体可通过分别调整刀刃1和刀刃2来满足齿圈槽内、外侧面的加工尺寸要求，而整体可调式刀体只能利用可调部分实现刀具的整体调整(即不能分别调整刀刃1和刀刃2)，因此槽宽尺寸的调整与复合式刀体相比较为困难与费时(为达到加工尺寸要求，需用油石对刀刃作细致修整)。为此，我们又对整体可调式刀体进行改进，将承受切削力较小的刀刃2由焊接式改为机夹式，以便于其位置调整。这样既可满足增大刀体刚性的要求，又改进了刀具的可调性。通过在原来最易发生加工颤振的主轴转速(1800r/min)下用可调式刀体进行切削试验，情况良好。然后将进给速度由F8逐渐调至F30，均未出现颤振现象。
- 引起刀具产生相对于工件的弹性位移DX的切削力变化量DF随刀体刚性的增大而减小，即当刀具碰到硬质点时，刚性较大的刀体产生的弹性位移较小。由弹性位移DX产生的相应切削力变化量DF可表示为 DF=k
- 刀具参数设计
- 由于齿圈槽内侧面和槽底部分的加工较为困难，因此仅对刀刃1进行分析，并设计相关刀具参数。铝合金材料硬度低、导热性好，适合于高速切削，设计选用YG8硬质合金刀片进行干式切削，设定切削速度为450m/min。由于铝合金材料熔点较低(约650℃)，在切削中容易形成积屑瘤，产生“粘刀”现象，影响加工尺寸精度和表面粗糙度，因此要求刀刃锋利性好，但刃口过于锋利又会降低刀刃刚性，容易引起崩刃。因此，选择合适的刀具前、后角，对于抑制颤振、改善齿轮泵壳体加工质量极为重要。
- 前刀面及前角的设计
- 齿圈槽加工部位为沟槽，排屑顺畅对于保证加工质量十分重要。若产生小片状C 形切屑，沉积在槽底，容易刮伤已加工的齿圈槽两侧面，并可能引起“粘刀”现象。为使切屑从齿圈槽外侧面顺利流出，最理想的切屑形态是卷曲半径较大的宝塔形切屑。为此，将刀刃1的前刀面设计为圆弧形断屑槽，并将断屑槽一侧磨去少许，如图6 所示。在刀具前角和槽宽相同的情况下，圆弧形断屑槽比其它形状(如直线圆弧形、锥坑形等)的断屑槽可获得更好的刀刃刚性。
- 通过试切比较，发现当刀具前角g
0=35°～40°时切削效果最好，为增大刀刃刚性，取前角g0=35°。前角g0与断屑槽圆弧半径R、断屑槽槽深h之间的近似关系为
图6 刀刃1示意图cosg0=1-h/RDX (2)
-
- 为获得较大卷曲半径的切屑及便于刀具刃磨与检测，选取断屑槽圆弧半径R=6mm，并可计算出断屑槽深度h≈1.1mm。由于实际刃磨刀具时直接检测前角g
0较为困难，因此可通过检测h及R来控制g0的大小。 - 为获得较大卷曲半径的切屑及便于刀具刃磨与检测，选取断屑槽圆弧半径R=6mm，并可计算出断屑槽深度h≈1.1mm。由于实际刃磨刀具时直接检测前角g
- 刀尖圆弧半径及后角的设计加工铝合金材料要求刀刃锋利，但实际上并不存在理想的锋利刀刃。为获得具有微小半径(R0.01～0.02mm)的圆弧刀刃，可在刀具刃磨后用油石仔细修整刀刃部分。用带有微小圆弧的刀刃进行切削时，刀刃除受切削力作用外，刀刃圆弧部分还受到一个刀刃力作用，其大小与刀刃圆弧半径有关，半径越大，刀刃力也越大。同时，后刀面与已加工表面的相互接触还会产生一个后面力(见图7)，其大小除与刀刃圆弧半径有关外，还与刀具后角有关，后角越小，后刀面与已加工表面的相互接触面积越大，产生的后面力就越大，后刀面磨损也越大。此外，当发生切削振动时，小后角容易使后刀面与已加工表面发生干涉。因此，后角应适当选取大一些。设计时，在考虑刀刃刚性的前提下，经试切比较，选取后角a0=15°。
图7 刀刃力、后面力的产生机理
4 结语
- 铝合金材料具有密度小、强度高、抗蚀性好、工艺性能好等特点，在航空、汽车、造船、电器、化工等领域的应用日益广泛，如何提高铝合金材料的加工质量和加工效率已成为一个重要课题。本文通过对齿轮泵壳体专用加工刀具进行优化设计，获得了较好的加工效果，明显提高了加工质量和生产效率，对铝合金材料的切削加工提供了有益参考。
- 由于齿圈槽内侧面和槽底部分的加工较为困难，因此仅对刀刃1进行分析，并设计相关刀具参数。铝合金材料硬度低、导热性好，适合于高速切削，设计选用YG8硬质合金刀片进行干式切削，设定切削速度为450m/min。由于铝合金材料熔点较低(约650℃)，在切削中容易形成积屑瘤，产生“粘刀”现象，影响加工尺寸精度和表面粗糙度，因此要求刀刃锋利性好，但刃口过于锋利又会降低刀刃刚性，容易引起崩刃。因此，选择合适的刀具前、后角，对于抑制颤振、改善齿轮泵壳体加工质量极为重要。
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