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加工齿轮泵壳体专用刀具的优化设计 |
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摘要：在分析加工颤振机理的基础上，对加工齿轮泵壳体齿圈槽专用刀具的刀体结构和刀具参数进行了优化设计。
1 引言
齿轮泵是轿车发动机润滑和冷却系统的重要部件。齿轮泵壳体采用铝合金材料(Y112)制造。加工齿轮泵壳体的关键工序是对图1 所示齿圈槽部位的切削加工，它对加工的尺寸精度和表面粗糙度均有较高要求。齿圈槽毛坯为压铸件，加工余量仅约1mm，为提高加工效率，工艺设计在台湾森达MCV-50A 立式加工中心上一次加工完成。但在加工中，当刀具切削至齿圈槽槽底时，由于整个主切削刃全部进入切削状态(即所谓“全锋切削”)，切削负荷突然增大，加上工件毛坯表面不平整，极易引起加工颤振，使被加工表面出现明显波纹，造成齿圈槽槽底加工表面质量恶化，刀具寿命缩短。为此，本文在分析加工颤振产生机理的基础上，对齿圈槽加工专用刀具的刀体结构和刀具参数进行了优化设计。
图1 齿圈槽加工要求
2 加工颤振机理分析
加工颤振是指切削加工过程中，在无周期性外力作用的情况下，完全由加工系统自身产生的一种自激振动。引起加工颤振的根源是切削力的动态变化量△F，其在加工系统中的反馈机理如图2所示。当切削过程中的某些因素(如刀具切到工件材料中的硬质点、材料表面不平整等)使切削力F产生一个变化量△F时，则会在刀具与工件之间产生一个相应的弹性位移DX。由于△X 改变了切削深度，必然会使切削力产生一个新的变化量△F'，并反馈回加工系统中。在△F'的作用下又会产生新的位移变化量△X'。如此往复循环，结果可能出现两种情况：①反馈量不能满足系统自激振动条件，初始扰动△F经几次衰减后回复到零，系统迅速恢复到扰动前的稳定状态；②反馈量正好满足系统自激振动条件，初始扰动经若干次激励后导致一种持续不衰的等幅振动，此时加工系统将产生颤振。
图2 加工颤振发生机理
在切削过程中，当刀具与工件产生相对振动时，切削刃的移动轨迹由直线变为波浪线，其切深也随之不断变化，由此会引起交变切削力Fd(如图3所示)。为抑制和消除加工颤振现象，通常可采用改变主轴转速的方法。但加工铝合金材料时，如转速过低，容易发生“粘刀”现象(即切削高温使铝屑熔结在刀刃上)，从而使加工状况恶化；如转速过高，则会影响刀具使用寿命。因此，为消除颤振现象，必须对原有刀具的结构及参数进行优化设计。
图3 交变切削力Fd的产生机理
3 刀具的优化设计
齿圈槽加工专用刀具的优化设计主要分为两部分：刀体结构设计和刀具参数选择。
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△X产生的相应切削力变化量△F'可表示为
DF'=kdb(µeif-1)DX (1)
式中：kd——动态切削力系数
b——有效切削宽度
µ——重迭系数
φ——原有波纹与本次切削形成波纹的相位差
由式(1)可知，△F'与△X 成正比，即刀具刚性越大，产生弹性位移△X 越小，引起的△F'也越小，从而可使初始扰动△F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。
图4 复合式刀体
图5 整体可调式刀体
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。 
图6 刀刃1示意图
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
cosg0=1-h/RDX
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。(end)
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(3/30/2008) |
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