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驅(qū)動(dòng)式滾切銑削機(jī)理分析及其刀具

2017-1-5 來源：北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院唐山學(xué)院作者：李慎旺王西彬解麗靜

摘要: 為了對(duì)驅(qū)動(dòng)式滾切銑削及驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀進(jìn)行深入研究,在充分分析滾切加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了以滾切速率比表征滾壓和切削的比例關(guān)系,結(jié)合滾切速率比對(duì)驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的加工表面質(zhì)量、刀具后刀面接觸滑動(dòng)速率、驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的銑削力的機(jī)理進(jìn)行了研究. 得出了驅(qū)動(dòng)式滾切銑削本身特有的切削規(guī)律,并依據(jù)這些規(guī)律提出了驅(qū)動(dòng)式滾切銑削加工的硬件實(shí)現(xiàn)形式“內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀”. 結(jié)果表明:內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀(又稱難加工材料專用銑刀)既能夠根據(jù)待優(yōu)化參數(shù)的要求在機(jī)加工前調(diào)節(jié)滾切速率比的值,又能夠在機(jī)加工過程中保持調(diào)節(jié)好的滾切速率比的值穩(wěn)定,相對(duì)傳統(tǒng)的自滾切刀具具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì).

關(guān)鍵詞: 滾切加工; 驅(qū)動(dòng)式滾切銑削; 滾切速率比; 切削力; 內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀

滾切刀具(回轉(zhuǎn)刀具)上裝有圓形刀片,在切削過程中,圓形刀片一邊隨著刀體作走刀運(yùn)動(dòng),一邊繞其自身軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng). 當(dāng)圓形刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)是由外加動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)時(shí),稱為驅(qū)動(dòng)式滾切刀具( drivingrotary tool,DRT);當(dāng)圓形刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)是由工件和刀片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)時(shí)稱為自滾切刀具(selfpropelledrotary tool,SPRT)[1] . 由于滾切刀具的圓形刀片在切削過程中連續(xù)旋轉(zhuǎn),使其不僅具有斜角切削的特點(diǎn),而且刀片后刀面的棱帶還具有滾壓作用,因而能極大地提高刀具耐用度、加工生產(chǎn)率和表面質(zhì)量.

近年來,由于高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性能的切削加工性差的難加工材料不斷出現(xiàn),自回轉(zhuǎn)刀具獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)行為,能在不降材料去除率的情況下,加工表面粗糙度得到減小,刀具耐用度得到幾倍至幾十倍的增加[2] . 因此,引起了很多學(xué)者對(duì)自回轉(zhuǎn)刀具加工難加工材料[3-9] 的切削加工研究的興趣.這不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)金屬切削的革命,也帶動(dòng)了新技術(shù)、新理論的發(fā)展.

分析已有的研究滾切加工的理論、技術(shù)、文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn):研究滾切車削的多[1-13] , 而研究滾切銑削的少[14-15] ;研究自滾切加工的多[1-8,14-15] ,而研究驅(qū)動(dòng)式滾切加工的少[9-13] ;而驅(qū)動(dòng)式滾切加工的研究都集中在驅(qū)動(dòng)式車削加工[9-13] . 事實(shí)上從現(xiàn)有文獻(xiàn)看,還未發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)式滾切銑削及驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀方面的深入研究. 本文分析了驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的理論,得出了驅(qū)動(dòng)式滾切銑削本身特有的切削規(guī)律,并依據(jù)這些規(guī)律提出了驅(qū)動(dòng)式滾切銑削加工的硬件實(shí)現(xiàn)形式“內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀”.

1.驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的滾切速率比k

圖1 為滾切銑削加工示意圖,圖中圓形刀片隨銑刀刀盤以轉(zhuǎn)速n 作走刀運(yùn)動(dòng)的同時(shí)繞自身軸線以轉(zhuǎn)速nt旋轉(zhuǎn)完成對(duì)工件的加工. 圓形刀片切削刃上一點(diǎn)隨銑刀刀盤作走刀運(yùn)動(dòng)的切削速度大小為v(v = nR,R 為銑刀刀盤回轉(zhuǎn)半徑),圓形刀片切削刃上一點(diǎn)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度大小為vt(vt = ntr,r 為圓刀片半徑).滾切加工是滾壓和普通切削結(jié)合的加工方法,圓形刀片在切削過程中連續(xù)旋轉(zhuǎn),使其不僅具有斜

圖1 滾切銑削加工示意圖

角切削的特點(diǎn),而且刀片后刀面的棱帶還具有滾壓作用. 因此,本文根據(jù)滾切加工這個(gè)特點(diǎn)定義圓形刀片的旋轉(zhuǎn)線速度大小vt與切削速度大小V 的比值為滾切速率比k,即

滾切速率比k 是表征滾壓和切削的比例關(guān)系的一個(gè)系數(shù),驅(qū)動(dòng)式滾切速率比k 不但具有可觀、可測(cè)等特點(diǎn),而且還與滾切加工其他參數(shù)(如工件表質(zhì)量、刀具后刀面接觸滑動(dòng)速率、切削力)有著密切的關(guān)系.

如圖1 所示,滾切加工圓形刀片上一點(diǎn)的刀具軌跡為周期為2π 的變升角的螺旋線,而刀具前刀面的實(shí)際工作面為螺旋面,刀具螺旋線的螺距p 的計(jì)算式為

由式(2)可知,滾切速率比k 越大則滾壓螺旋線的螺距p 越小,而滾壓螺旋線的螺距p 越小圓形刀片上一點(diǎn)的刀具軌跡線越密,圓形刀片后刀面的棱帶對(duì)工件加工表面滾壓作用越好.

2.驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的刀具后刀面接觸滑動(dòng)速率

圖2 為驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀的各速度之間的關(guān)系圖,其中vt 為圓形刀片的旋轉(zhuǎn)線速度;v 為切削速度;ve為后刀面與工件的相對(duì)摩擦速度,其數(shù)值越大則刀具后刀面接觸滑動(dòng)速率越大.λs為安裝刃傾角,驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀安裝后確定的刃傾角λs 與制造無關(guān),故稱為安裝刃傾角,驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀的安裝刃傾角λs 為圓形刀片的切削刃平面與銑刀回轉(zhuǎn)中心連線的夾角,如圖1、2 所示.由圖2 可知,

圖2 驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀的各速度之間的關(guān)系

3.驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的切削力與滾切速率比k的關(guān)系及仿真

3. 1 驅(qū)動(dòng)式滾切加工的切削力與滾切速率比k 的關(guān)系的分析

圖4 滾切加工的切削力分析圖

3. 2 驅(qū)動(dòng)式滾切加工的切削力與滾切速率比k 的關(guān)系的仿真

圖5 切削力與ie 的關(guān)系

所以主切削力Fc 隨k 的增大而減小. 取k = 0和k =0. 5 對(duì)滾切過程進(jìn)行仿真,k =0 和k =0. 5 兩次仿真過程取完全相同的切削參數(shù),仿真過程如圖6 所示. 仿真結(jié)果如圖7 所示.

仿真結(jié)果驗(yàn)證了主切削力Fc 隨k 的增大而減小的結(jié)論,文獻(xiàn)[5,8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論. 至于當(dāng)k 取很大的數(shù)值(尤其是在高速切削(v取值大)情況下k 取很大的數(shù)值)的高速過滾切的情況(ie趨近正或負(fù)90°),是否如理論分析的那樣,Fr 、Fcn 、Ft均大幅降低,還有待進(jìn)一步研究論證. 因?yàn)檫@種大的v 值、大的k 值的高速過滾切的情況涉及金屬的熱軟化和應(yīng)變硬化、熱塑性失穩(wěn)、快速塑變過程的溫度梯度、切削變形的集中剪切滑移、力-熱強(qiáng)耦合等諸多問題.

圖6 不同k 值時(shí)的仿真過程

圖7 不同k 值時(shí)的仿真結(jié)果

4.驅(qū)動(dòng)式滾切銑削的硬件實(shí)現(xiàn)形式

由以上分析可知:一方面希望能夠根據(jù)待優(yōu)化參數(shù)(如工件表質(zhì)量)的要求能在機(jī)加工前調(diào)節(jié)k值,另一方面又希望調(diào)節(jié)好的k 值能夠在機(jī)加工過程中保持穩(wěn)定. 內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀能夠滿足上述要求.

內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀(又稱難加工材料專用銑刀,已獲國家發(fā)明專利,專利號(hào):ZL2013100137758)結(jié)構(gòu)如圖8 所示,其基本原理為采用了一個(gè)行星輪系結(jié)構(gòu),中心輪與機(jī)床主軸箱固連;行架與機(jī)床主軸固連;行星輪通過一對(duì)錐齒輪副(主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪)將運(yùn)動(dòng)傳遞到圓刀片. 這樣圓形刀片隨行架(即銑刀刀盤)作走刀運(yùn)動(dòng)的同時(shí)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)完成對(duì)工件的加工. 此時(shí)機(jī)床主軸與圓形刀片之間的傳動(dòng)鏈為內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈.

圖8 內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀的結(jié)構(gòu)

5.結(jié)論

1) 以滾切速率比k 表征滾壓和切削的比例關(guān)系,驅(qū)動(dòng)式滾切速率比k 不但具有可觀、可測(cè)等特點(diǎn)而且還與滾切加工其他參數(shù)(如工件表質(zhì)量、刀具后刀面接觸滑動(dòng)速率、切削力) 有著密切的關(guān)系.

2) 滾切速率比k 越大則變升角滾壓螺旋線的螺距p 越小,而滾壓螺旋線的螺距p 越小圓形刀片上一點(diǎn)的刀具軌跡線越密,圓形刀片后刀面的棱帶對(duì)工件加工表面滾壓作用越好.

4) 適當(dāng)選取圓形刀片的旋轉(zhuǎn)線速度vt的方向,可使主切削力Fc隨k 的增大而減小.

5) 內(nèi)驅(qū)動(dòng)式滾切銑刀既能在機(jī)加工前調(diào)節(jié)k值,又能夠在機(jī)加工過程中保持調(diào)節(jié)好的k 值的穩(wěn)定.

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