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发表于 2008-4-8 17:25:06
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b7 B5 R i- b8 d% _6 ?! @9 S7 m旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计
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1 引言 $ W( F' E- T. m8 I5 H+ H" }: D
9 o- R$ V: r/ x8 z4 }3 G* n6 C高速切削、强力切削可显著提高加工效率，是现代制造技术的重要发展趋势之一。但随着切削速度的提高，在某些加工场合也带来了加工质量方面的问题。如采用旋风铣削法高速铣削内、外螺纹时(见图1)，虽然加工效率高、刀具冷却效果好，但加工出的螺纹精度并不高，且螺纹牙槽两侧面的表面质量存在较大差异。对于粗加工工序，螺纹牙侧表面加工精度影响不大，但对于一次完成全牙深切削的最终加工而言，这一问题不容忽视。为此，本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面的表面质量进行了分析计算，并介绍了旋风铣刀的设计方法。
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: K0 p5 q1 I2 [, T$ S4 |6 Q5 j; |a)铣削外螺纹
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(b)铣削内螺纹 % x' \6 F# }2 _0 [3 d
图1 旋风铣削内、外螺纹
. }8 l7 [, H+ O# a ~2 牙槽两侧面表面质量的计算与分析 7 n3 m( @ o. M8 ^
8 U/ G* y) n! F1) 牙槽两侧面表面特征
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旋风铣削丝杠螺纹时，当铣削速度提高到2000r/min 以上，螺纹牙槽底面(沟底)及其中一侧面的表面质量明显提高。由加工结果可知，无论是采用刀具进给方式、由车床改装的旋风铣削装置，还是采用工件进给方式的专用丝杠加工设备，均为迎向铣刀的牙槽一侧(记为A侧)的表面加工质量明显优于相对的另一侧(记为B侧)。A侧表面光滑锃亮；B侧表面光泽不明显，用手触摸有细微粗糙感。 # X7 ? r4 p: A% C. T5 ~! y
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2) A侧表面粗糙度计算
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如图2所示，设刀刃位于水平线OO'时为零时刻，经过时间t后，铣刀盘转过一齿，则有 ) O R& p& o. p+ Z
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wFt+wwt=1/Z
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! m/ Y- R o2 T+ b. I+ A式中，wF、ww分别为铣刀和工件的转动角速度，Z为装刀数。设转速比l=wF/ww=nF/nw(nF，nw分别为铣刀和工件的转速)，则可得 - [( i8 n& j' u1 B' J
& j. \7 {0 Q9 V* d( S; m- ]+ h' L. |t=1(/l+1)wwZ
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3 O6 ^+ ^" I# C图2 牙槽侧面粗糙度分析 5 z0 d& w3 g9 J2 l
设被加工螺纹螺距为P，则经过时间t后，刀具的轴向进给位移量为
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! ~8 Y& l! B( p7 o; kS1=wwtP=P(/l+1)Z
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0 p. Q* s6 o( g# U- q与此同时，工件转过的角度为 " Y0 `% w+ e- k* A& E
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q=2pwwt=2p(/l+1)Z
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刀具下降高度为 1 y) V' d$ ~+ S4 P$ y. r
- O3 c3 B. q6 v0 P- YY=2(R-h/2)sin(q/2)=2(R-h/2)sin[p(/l+1)Z]
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( e& d# Q0 v! Z5 Y. I6 E! S8 x; H则刀具的横向位移量为
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: k5 U- c2 G0 u( [3 ~; W2 Q iS2=Ytanb=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z] . @# r3 Z2 Y) y# }) {+ j! h
- T+ `6 z( g7 J6 ~: ^ \& P2 P
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式中，R为丝杠直径，h为牙槽深度，b为螺旋升角。由此可得A侧表面的理论粗糙度值为 2 g8 o2 I8 U3 ]8 l- k I
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Rz1=S2=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z] : D F) |: r1 ^( o
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3) B侧表面粗糙度计算
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2 s* M! F9 T9 c由于刀具加工时既有横向位移又有进给位移，因此经过时间t后，铣刀盘转过一齿时，刀具切入点的位移量为轴向进给位移与向后的横向位移之和，则B侧表面的理论粗糙度值为 0 K8 f ?+ S# ]
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Rz2=S1+S2=P(/l+1)Z+2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
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6 v: m$ s' o% D* N; `6 [# U* @4) 两侧面表面质量差异分析 4 G2 U) d3 f! ~6 V$ t! b! q1 W
- x Z/ {9 k/ @, _+ E3 U5 a铣刀作轴向进给运动时，A侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削。当切削速度达2000～3000r/min时，加工区火花四溅，切屑局部呈柑红色，表明该处切削温度已达800℃以上(通过计算也可得出此结论)，此时金属原子热振动振幅增大，原子间键力减弱，导致工件材料的硬度和强度降低，同时切削时的弹性变形、塑性变形和摩擦力也明显减小。由于大部分切削热被切屑带走，传入工件表层的切削热很少，渗入层很薄，表面层物理力学性能的变化在允许范围内，因此A侧面的表面质量得到提高。此外，由于每齿切削厚度和进给量减小，A侧相当于在被铣削的同时也被研磨，使表面质量进一步提高。而B侧被铣削时，由于存在进给运动，刀具在该时刻已离开被铣部位，因此不存在挤压与研磨作用。可见，切削力作用形式的差异也给两侧的表面质量带来不同的影响。
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* G/ V& R( `. }根据上述计算与分析可知，由于Rz1 < Rz2，加上A、B两侧铣削作用力的不同影响，故A侧表面质量优于B侧，这与在实际加工中的观察结果一致。 8 E9 {' F! a n, V; n1 ?
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3 旋风铣刀的设计
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! f( Z, ]/ h* g/ f/ F4 C( r8 k' C' t. F( y刀具材料的选用
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. J( N. E" Y e G; H+ x, L5 I当铣削速度达到2000r/min以上时，刀具与工件接触时间约为0.003s，而切削热在钢中的传播速度约为0.5mm/s，即在刀具与工件接触时间内热量传播距离仅为1.5µm 左右，因此仅有极少量切削热传入刀具中。此外，由于刀刃空行程较长，使刀刃承受的热脉冲大大降低，因此铣刀刃部温度始终保持在300℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨损较小。但是，由于刀刃工作方式为高速断续切削，整个工艺系统振动较大，刀刃部位需要承受较强的正压力脉冲和弯曲应力脉冲，因此要求刀具材料具有较好韧性。综合考虑上述加工特点，刀具材料不宜选用硬质合金，选用65Mn淬火钢较好。
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i( c9 M8 I% f2 A l: f6 M" b图3 铣刀盘装配图 + m2 C$ d8 w4 n9 ^4 X3 w7 Y
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图4 刀夹结构图
2 w) X/ C3 y$ |3 u+ E4 x: ~0 s刀具结构设计
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7 A2 S( @; e1 M9 B5 z6 J) i3 v+ N为提高加工效率，笔者设计了图3所示铣刀盘结构和图4所示刀夹。刀夹上开有装刀槽，将长条形刀片置于其中，上面盖压一带槽薄板，然后装入铣刀盘刀槽中，用内六角螺钉压紧，即可进行铣削加工。当刀片磨损后，松开压紧螺钉，取出长条形刀片，对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用。如切削时刀片有后退倾向，可在铣刀盘上加装可调挡块。与焊接式或其它刀具结构相比，这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨、装卸和对刀工时，刀片可重复利用，具有加工效率高、加工成本低等优点。 |
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楼主: rongjian
发表于 2008-4-8 18:00:25
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