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专用梳形成形刀的设计 |
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作者：施尧夭 清华大学 王先逵 |
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摘要：论述了V30开门机轮轴零件上10个小槽的梳形成形加工工艺，设计了片形成形刀，计算了切削参数和切削用量，探讨了刀具耐用度，经车间使用，加工效果良好。
V30开门机轮轴是电梯开门机上的一个关键件，材料是LC4，零件形状见图1。为了确保零件中10个小槽精度，笔者设计制造了DS/1006梳形成形刀。
图1 零件简图
1 刀具的材料结构及其几何参数
1.1 材料
V30开门机轮轴使用的材料是超硬铝合金LC4，硬度150HB＜8HRC(177HB相当8HRC)。工件外圆上要加工10个小槽，加工精度高，形状复杂，吃刀宽度长。鉴于工件的材料硬度及形状特点，我们选择了W18Cr4V高速钢。
1.2 刀具结构
成形车刀可分为片形(平体)和圆形两种：圆形成形刀的寿命要比片形(平体)成形刀长。这种成形刀制造工艺复杂，成本高。为此我们选用了片形(平体)成形刀，它是由片状刀片和刀杆组成的，刀杆与刀片是分体的，刀片的互换性好，刀杆可重复使用。刀片加工只需加工上下面与后角，刀具前角在安装时自然形成。刀具制造工艺性好、周期短，成本低是这类成形刀的最大特点。DS/1006梳形成形刀是片形平体结构(图2)。刀具结构为机夹刀的模式。刀刃是10个齿形的梳形结构。10个齿前面还有一个定位面，是为了保证工件上第一个齿的中心线到端面的1.8mm。这样既能保证质量，使用又方便。刀杆的定位面要求粗糙度Ra0.8µm，是为了刀具安装时，可调整梳形刀的刀刃与工件的轴心线平行，以保证工件10个小槽的形状正确，深度一致。
图2 刀具简图
1.3 几何角度选择
前角γ0 成形刀具的前角，为保证其形状，常取较小值，但是加工铝材时又可用大前角。综合考虑各方面因素和有关资料的数据，DS/1006成形车刀的前角选取8°。刀刃各处的法向前角是不相等的，法向前角从8°～0°，又从0°～8°。
后角α0 成形车刀的刃形复杂，后角一般常取较小值，加工铝材可用较大后角。综合考虑各方面因素，决定成形刀的后角选取α0=10°。刀刃各处的法向后角也是不相等的，法向后角从10°～0°，又从0°～10°。
2 切削力的计算
2.1 被加工件加工表面的展开长度
被加工件加工表面的展开长度(图3)
图3 槽形尺寸
已知：齿顶圆角R=0.4mm,r=0.2mm,齿形角为40°，齿间距为2.34mm。利用ΔABC求出
在四边形AEOE′中
在四边形BF′O′F中
一个槽长
10个槽长为：50.1mm
可见计算出的加工展开长为50.1mm
2.1 切削力计算
有关资料论述：“铝合金有良好的切削性能，切削力比切削黄铜与钢时小得多，在切削量相同时，刀具所受的力及能耗也比切削黄铜与钢相应的低不少”。根据切削力公式
Fz=CFzaxFzpfyFzvnFzkFz
公式中
CFz=490,xFz=1,yFz=1,nFz=0
当成形车削刀具宽度≥50mm,进给量f=0.025～0.055mm/r时，将进给量分别代入上式可得
Fz=490×50.111×0.0251×1×kFz=614kFz
Fz=490×50.111×0.0551×1×kFz=1350kFz
kFz是切削力的修正系数，由被加工材料的机械性能、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等所决定。加工钢材时切削力的经验公式为：Fz=2000αpfv，加工铸铁时切削力的经验公式为：Fz=1000αpfv。也就是说加工钢材时它的切削力为2000N左右，加工铸铁时它的切削力为1000N左右。与上面数据比较，证明这把成形刀的切削力是可行的。
3 刀具耐用度
刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，定为刀具耐用度，以T表示。它不包括测量、对刀等非切削时间。在相同的切削用量和磨钝标准时，刀具耐用度越高，表示刀具磨损得越慢或刀具切削性能好。
刀具耐用度与切削用量的关系可用扩充的泰勒公式表示，车削速度v为
式中的系数和指数在文献4中查表可得。当加工材料为硬铝、加工形式为外圆纵车、刀具材料为高速钢时，f≤0.20mm/r、Cv=388、xv=0.12、yv=0.25、m=0.28，代入上式后得到vT0.28=363。
根据以上关系式可得下表(设：αp=50.11mm,f=0.20mm/r)。硬铝车削时耐用度与切削速度的对应关系表
| 耐用度T(min) | 500 | 1000 | 2372 | 4000 | 7915 | 切削速度
v(m/min) | 外圆纵车 | 63.7 | 52.5 | 41.2 | 35.6 | 29.4 | | 成形车削 | 54.2 | 44.6 | 35.0 | 30.3 | 25.0 |
4 切削用量的选择
4.1 吃刀量αp DS/1006成形刀的吃刀量是变化的，随着吃刀深度的增加吃刀量由小到大直至50.11mm。
4.2 进给量f 粗加工时限制进给量的主要因素是切削力，精加工时限制进给量的主要因素是表面粗糙度。DS/1006成形刀粗加工时吃刀量由小变大，为确保切削力不至于太大，选择进给量从0.20mm/r开始逐渐变小，进入精加工时一直变小到0.02mm/r。
4.3 切削速度v 当αp和f选定后在此基础上选择切削速度v。切削速度受到刀具耐用度的限制，必须在保证刀具的合理耐用度下选最大的切削速度。在车削过程中，冷却液采用煤油。经过以上刀具切削力、耐用度的分析再加上多年的加工经验，最后切削用量为：在加工全过程中，先后用二种切削速度来加工。切削初期粗加工时吃刀宽度不大，切削速度用35m/min,进给量较大为0.20～0.05mm/r，随着切削宽度的增加，切削力也逐渐增加，此时减小进给量。当切削宽度达到30mm左右时变换切削速度为25m/min，进给量取0.05～0.02mm/r，逐渐减小。经过这种方法加工的零件完全达到技术要求，且生产效率提高10倍，降低了生产成本。
5 结论
在刀具设计中，加工质量、耐用度、成本取决于刀具材料选用是否合理、正确。DS/1006梳形成形刀的结构采用机夹式分体结构。比圆形成形刀加工工艺性好、互换性好。刀具几何参数：前角8°、后角10°，法向前角和后角是变化的。
为适应吃刀宽度50.11mm的特定条件，DS/1006梳形成形刀采用了变化的进给量，以及二种较低的可变换的切削速度来完成一个零件的加工过程。在正常切削用量下，其切削力为1000～2000N之间，在刀具切削力通常允许的范围内。
泰勒公式是耐用度的重要计算公式。根据扩充的泰勒公式计算出DS/1006梳形成形刀的耐用度：粗车时(v=35m/min)为2372min；精车时(v=25m/min)为7915min。要正确选择切削用量才能保证刀具的耐用度。根据资料的测算，这把刀具的耐用度能加工约1000个V30开门机轮轴。
DS/1006梳形成形刀确保V30开门机轮轴的加工质量，使开门机的多楔形皮带传动平稳、噪声低、传递功率大、使用寿命长。(end)
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(1/26/2007) |
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