可补偿切削刃磨损的不铲齿成形铣刀的设计与制造
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技术综合
摘要：研制了一种可补偿切削刃磨损量的不铲齿成形铣刀，介绍了这种刀齿可调的装配式刀具的设计与制造方法。该刀具经反复重磨后，仍可保持切削刃的尺寸、形状参数和加工精度不变，且刀齿齿背曲线为圆弧过渡，不需铲齿。
1 引言
1，由于铲齿齿背曲线不完全是平滑过渡，K与K1交接处有尖点，且顶刃后角较小，因此复杂廓形的整体成形铣刀(以及装配式圆磨成形铣刀)的齿背铲磨工艺相当复杂。
图1 可补偿切削刃磨损的不铲齿成形铣刀
图2 切削刃磨损补偿原理
2 切削刃磨损补偿原理
1-y2，Dx=x1-x2)，将圆弧上点2(x2，y2)旋转d角与点1(x1，y1)重合，使得y2=R0，即可补偿刀尖磨损量。
3 可调装配式不铲齿成形铣刀的廓形设计
- 小圆体刀的廓形设计
- 如图3所示，设已知工件端面廓形1-2-3-4 点的坐标尺寸、成形铣刀的顶刃半径R、小圆体刀(即圆体成形车刀)的半径r、铣刀前角g
f和后角af等参数，小圆体刀及其前刀面位置也随之确定。工件端面廓形1-2-3-4 点所对应的铣刀前刀面上的刀刃廓形为A-A”-2-3，当铣刀绕其轴线转动时，刀刃上的2、3点分别加工出工件廓形上的2、3 点，刀刃上的A、A”点在由A 点转到C 点时分别加工出工件廓形上的1、4 点。设工件端面截形曲线方程为 {x0=x0(t)y0=y0(t)图3 小圆体刀与工件的坐标位置关系
- 则截形曲线上的点C(x
0，y0)是对应于刀刃上的点A 转过q角后加工出的点。由图3 几何关系可知，A 点在O1-x1 y1 z1坐标系中的坐标为 (1)- 由图3 中的DOO
0B和DOAB 可求得 q= arcsin[Rsingf/(R-y 0)]-gf- 如已知工件廓形上一系列点的坐标，则可由式(1)求得刀刃廓形上相应点的坐标。为求出小圆体刀后刀面的回转面廓形，设定坐标系O
2-x2y22，并使y2轴平行于前刀面，x2轴与小圆体刀的轴线重合；取回转坐标系O3-x3 y3 z3，其位置由转角t确定(见图3)。当坐标系O3-x3y3z3绕轴线x3转动时，t 为变量，由坐标系O1-x1y1z1转换到O2-x2y2 z2的变换公式为 (2)- 由坐标系O2-x
2y2z2转换到O3-x3y3z3的变换公式为 (3)- 分别求解式(2)、(3)，可求出两式关系为 (4)
- 联立求解式(4)和切削刃方程式(1)，即可求得后刀面的回转面方程；过小圆体刀的轴线作剖面，可求得小圆体刀后刀面回转面的轴向截形。令z
3=0，由式(4)可得 (5)- 上述公式即为螺旋角为零时小圆体刀廓形点的坐标计算式。当螺旋角不为零时，设计计算方法略有不同，需要求出螺旋槽铣刀盘上小圆体刀与工件的接触线。首先求出螺旋面在工件坐标系(图略)O-xyz中的方程 (6)
- 然后建立接触线方程 Ez±FActgS+G(A-x+pctgS)=0(7)
- 式(6)中b和p分别为螺旋角和螺旋线参数，p=P
Z/2p。式(7)中A为工件轴线与铣刀轴线的最短距离，S 为两轴线的交错角。其它各值均为参变量u和b的函数。R为普通成形铣刀的顶刃半径。- 将接触线绕小圆体刀轴线回转，再用一过小圆体刀轴线的平面剖开，即可求得小圆体刀的轴向截形。由于篇幅有限，螺旋槽方程的详细推导及计算过程可乐兑谦所著《金属切削刀具》(机械工业出版社1994年出版)。
- 如图3所示，设已知工件端面廓形1-2-3-4 点的坐标尺寸、成形铣刀的顶刃半径R、小圆体刀(即圆体成形车刀)的半径r、铣刀前角g
- 小圆体刀齿背曲线的分析小圆体刀的前角在装配后进行刃磨；后角大小则由小圆体刀的中心O2至铣刀中心O与刀尖的连线BO间的距离(即偏心量e=O2Q)决定。如图4所示，如偏心量e=0，则刀尖B点与O2O在同一直线上，此时gf=0，af=0。精加工时可取gf=0，此时af=arcsin(e/r)。如代入螺旋转子成形铣刀参数r=25mm、e=6.47mm，则顶刃后角为af=arcsin(e/r)= 15°
图4 小圆体刀的刀齿结构
- 普通成形铣刀的刀背曲线为铲磨形成的阿基米德螺旋线，其曲率半径为r，任意点m的刀齿厚度为 nm =rx
- 不铲齿成形铣刀的刀齿齿背曲线为圆弧，小圆体刀半径为r，在Y 方向与普通成形铣刀等高的情况下，任意点m的刀齿厚度为 nm=r
X-O2Q
nQ=ry-QO
r= R-Cq1 式中C 为常数。- 当q
1=0时，r=R=74mm；当q1>0时，r<R，则有 r x=rsinq1
ry=rcosq1
rX=(r2-ry2)½- 因此，nm=r
X-6.47。给q1赋值0～15°，由计算结果可知nm<nm，因此可调装配式不铲齿成形铣刀刀齿靠近刀尖部分的厚度nm比普通成形铣刀更薄。由铣刀结构图可知：普通成形铣刀的半径大于小圆体刀的半径，即R>r，当两者后角相同时，有nm<nm，因此可调装配式不铲齿成形铣刀更适合用于精加工。- 设计完成后，对小圆体刀的刀齿厚度进行了强度验算，符合加工要求。
4 可调装配式不铲齿成形铣刀的制造工艺
g，Yg)必须在同一平面上。此外，小圆体刀与大刀盘的配合面的端面应与安装轴心线垂直。
图5 套盘
5 可调装配式不铲齿成形铣刀的应用实例
f=0°，后角af=15°。刀具反复重磨后，加工后测得的实际廓形与理论廓形的最大误差Drmax<0.04mm，测量结果见图6，图中Dr表示工件廓形误差，NN表示重磨次数。结果表明，在100mm长度上的槽底深度误差DL<0.1mm，表面粗糙度为1.6µm，符合图纸要求。 表 刀具刃形坐标值坐标点1234…2728Xg8.8948.7658.5018.341…5.5595.594Yg13.22914.19415.53816.291…13.47813.068
图6 刀具反复重磨后加工工件的齿形误差曲线
6 结语
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