图1 齿圈槽加工要求
1 引言
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Fd的产生机理
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
式中:kd——动态切削力系数DF=kdb(µeif-1)DX (1) - 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。
- 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g0=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
- 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。
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g0较为困难,因此可通过检测h及R来控制g0的大小。
- 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。
- 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