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旋風銑削絲杠螺紋時牙槽兩側表面質量差異分析及銑刀設計, w9 O; J& P# n3 Z8 P
5 y4 Y7 b; H% E! E+ D0 `1 引言 $ N& i, J. {9 t: N0 h
, K3 I' K3 X7 d) S; g/ x7 F高速切削、強力切削可顯著提高加工效率，是現代制造技術的重要發展趨勢之一。但隨著切削速度的提高，在某些加工場合也帶來了加工質量方面的問題。如采用旋風銑削法高速銑削內、外螺紋時(見圖1)，雖然加工效率高、刀具冷卻效果好，但加工出的螺紋精度并不高，且螺紋牙槽兩側面的表面質量存在較大差異。對于粗加工工序，螺紋牙側表面加工精度影響不大，但對于一次完成全牙深切削的最終加工而言，這一問題不容忽視。為此，本文對旋風銑削絲杠螺紋時牙槽兩側面的表面質量進行了分析計算，并介紹了旋風銑刀的設計方法。 . M- m; a+ n. A# d5 g3 v( s
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* E2 A0 z9 y8 s% z% za)銑削外螺紋
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7 q! n7 K! ~( B y, l(b)銑削內螺紋 ; }& [" E& M/ T* G" p/ G2 V9 `7 q9 Y
圖1 旋風銑削內、外螺紋 % j& J4 V7 x% f
2 牙槽兩側面表面質量的計算與分析 0 o1 S$ ^& }1 x: K7 l" e; f. K- Y7 E
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1) 牙槽兩側面表面特征 . e7 g1 u1 d; z2 Y
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旋風銑削絲杠螺紋時，當銑削速度提高到2000r/min 以上，螺紋牙槽底面(溝底)及其中一側面的表面質量明顯提高。由加工結果可知，無論是采用刀具進給方式、由車床改裝的旋風銑削裝置，還是采用工件進給方式的專用絲杠加工設備，均為迎向銑刀的牙槽一側(記為A側)的表面加工質量明顯優于相對的另一側(記為B側)。A側表面光滑锃亮；B側表面光澤不明顯，用手觸摸有細微粗糙感。 5 u. b9 ~$ J( j1 O0 f
) g9 ]" i( i. Z% f0 o; G2) A側表面粗糙度計算
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$ A: C1 \" Y: C+ Z: p: y如圖2所示，設刀刃位于水平線OO'時為零時刻，經過時間t后，銑刀盤轉過一齒，則有 ( B% ^* Q$ B0 S! }6 [
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wFt+wwt=1/Z
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+ v/ Y% Y/ B! x式中，wF、ww分別為銑刀和工件的轉動角速度，Z為裝刀數。設轉速比l=wF/ww=nF/nw(nF，nw分別為銑刀和工件的轉速)，則可得
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t=1(/l+1)wwZ
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5 x y$ U1 [; o# n; V6 V圖2 牙槽側面粗糙度分析 % }" k9 X+ R' v
設被加工螺紋螺距為P，則經過時間t后，刀具的軸向進給位移量為 1 f; v8 {& N& { b8 F
% N2 E* G/ h( H) n2 |/ U7 vS1=wwtP=P(/l+1)Z
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( I* N* K" S4 I5 i8 Q6 {) m與此同時，工件轉過的角度為
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7 Z2 g! |/ s* T' P2 S z8 N& sq=2pwwt=2p(/l+1)Z
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刀具下降高度為
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% h. w j4 ]; _( s0 R0 I; AY=2(R-h/2)sin(q/2)=2(R-h/2)sin[p(/l+1)Z] 6 U" B4 }, n# J6 V6 |# e
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: \/ s3 W# ^4 y$ L則刀具的橫向位移量為 8 a7 `5 D/ ?: F" s$ \
|$ K. G, M2 x5 _: zS2=Ytanb=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z] 9 D) E9 J, d/ Z7 ^
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式中，R為絲杠直徑，h為牙槽深度，b為螺旋升角。由此可得A側表面的理論粗糙度值為
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Rz1=S2=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z] 4 C1 R, v# O# ~4 G' _
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3) B側表面粗糙度計算
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3 X2 e; O f1 Z" h: Q3 g$ f* v# Z& X% N由于刀具加工時既有橫向位移又有進給位移，因此經過時間t后，銑刀盤轉過一齒時，刀具切入點的位移量為軸向進給位移與向后的橫向位移之和，則B側表面的理論粗糙度值為 - G% I1 t# t5 K6 C* t
' \% v& O) T8 z/ V$ |; D# d" m) y/ XRz2=S1+S2=P(/l+1)Z+2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
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4) 兩側面表面質量差異分析 + o! y3 |; O! e* S1 K
6 ^/ J6 f f' s( s& G( d" W* Q銑刀作軸向進給運動時，A側面在銑刀側刃擠壓下被高速銑削。當切削速度達2000～3000r/min時，加工區火花四濺，切屑局部呈柑紅色，表明該處切削溫度已達800℃以上(通過計算也可得出此結論)，此時金屬原子熱振動振幅增大，原子間鍵力減弱，導致工件材料的硬度和強度降低，同時切削時的彈性變形、塑性變形和摩擦力也明顯減小。由于大部分切削熱被切屑帶走，傳入工件表層的切削熱很少，滲入層很薄，表面層物理力學性能的變化在允許范圍內，因此A側面的表面質量得到提高。此外，由于每齒切削厚度和進給量減小，A側相當于在被銑削的同時也被研磨，使表面質量進一步提高。而B側被銑削時，由于存在進給運動，刀具在該時刻已離開被銑部位，因此不存在擠壓與研磨作用。可見，切削力作用形式的差異也給兩側的表面質量帶來不同的影響。
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8 H0 Q2 S* g+ K+ B/ \+ G根據上述計算與分析可知，由于Rz1 < Rz2，加上A、B兩側銑削作用力的不同影響，故A側表面質量優于B側，這與在實際加工中的觀察結果一致。 6 W7 X' u" b# a: V: J! o" i
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3 旋風銑刀的設計
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: b# M! o7 R) I5 m2 y刀具材料的選用 " V# r6 G% S: |* F) d" |9 x5 N
+ E! M" `2 j+ g當銑削速度達到2000r/min以上時，刀具與工件接觸時間約為0.003s，而切削熱在鋼中的傳播速度約為0.5mm/s，即在刀具與工件接觸時間內熱量傳播距離僅為1.5µm 左右，因此僅有極少量切削熱傳入刀具中。此外，由于刀刃空行程較長，使刀刃承受的熱脈沖大大降低，因此銑刀刃部溫度始終保持在300℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨損較小。但是，由于刀刃工作方式為高速斷續切削，整個工藝系統振動較大，刀刃部位需要承受較強的正壓力脈沖和彎曲應力脈沖，因此要求刀具材料具有較好韌性。綜合考慮上述加工特點，刀具材料不宜選用硬質合金，選用65Mn淬火鋼較好。 & W; d5 ?# b: ~- _: z4 H% G- k
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圖3 銑刀盤裝配圖
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( N5 n9 x/ o" e. V. P- u0 a1 t% M圖4 刀夾結構圖
* M( T# V* D. y+ N刀具結構設計 . C- ]- k& e$ q9 I K
0 u' i# b5 ^1 b+ O) H3 d4 X為提高加工效率，筆者設計了圖3所示銑刀盤結構和圖4所示刀夾。刀夾上開有裝刀槽，將長條形刀片置于其中，上面蓋壓一帶槽薄板，然后裝入銑刀盤刀槽中，用內六角螺釘壓緊，即可進行銑削加工。當刀片磨損后，松開壓緊螺釘，取出長條形刀片，對切削刃部分重新刃磨后即可重復使用。如切削時刀片有后退傾向，可在銑刀盤上加裝可調擋塊。與焊接式或其它刀具結構相比，這種可轉位銑刀盤結構可減少刃磨、裝卸和對刀工時，刀片可重復利用，具有加工效率高、加工成本低等優點。 |
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樓主: rongjian
發表于 2008-4-8 18:00:25
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