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铣刀 |
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双副刃端面铣刀的设计与制造 |
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作者：山东科技大学 曹明通 王嫦娟 刁俊华 |
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随着科学技术的不断发展，为了满足机器零件使用性能的特殊要求，一些高强度、高韧性、高耐磨性的新材料不断涌现。然而这些新材料的切削加工，也给金属切削刀具的研究提出了新的课题。它们在切削加工中的突出特征是：强度高、加工硬化严重、加工表面质量差、切削变形大、切削力大、切削温度高、刀具磨损快、断屑困难等。如高锰材料在切削中，经塑性变形后使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织，其加工硬度由原来的180～220HBS提高到450～500HBS，加工硬化严重；冷硬层深度可达0.3mm以上。另外高猛钢的导热系数为45号钢的0.25倍，韧性为45号钢的8倍，不仅切削力增大，而且使切屑不易折断。从生产加工的现场看，在使用的可转位铣刀中，因铣刀几何参数选择不合理，且排屑和断屑控制不好，在强力铣削时造成经常性打刀和崩刃。另外，吃刀深度大时，造成轴向定位不可靠，影响了可转位铣刀在难加工材料中的推广和应用。
1 角度选择
1) 铣削接触状态分析 铣刀角度的选择与铣削接触状态有直接的关系，良好的铣削接触状态是强力切削铣刀角度选择的主要问题之一。如图!所示，当铣刀切入工件时，刀齿前刀面与被切削工件的接触点可假想为4个特殊点(U、V、S、T)。由分析可知，为了防止刀齿崩刃，应将开始接触点选在离开主切削刃的U点或V点，其效果最佳。
图1 刀齿接触情况
2) 切深前角gp和进给前角gf的选择 根据以上分析，为使刀齿切入工件时的初始接触点为U点或者V点，铣刀的前角选择至关重要。当进给前角gf比铣刀切入角d1小的愈多时，刀齿切入时间愈长，铣刀切入时的冲击过程也就进行得愈缓和，从而减少硬质合金铣刀因热裂所引起的刀具破损；负的切深前角gp可以提高刀齿的耐冲击性，负的进给前角gf既能增强切削刃强度，又便于切屑卷曲、折断和排除。所以通过分析和实验比较，我们选择了负前角型铣刀角度，即gp=-5°，gf=-8°。
3) 刀尖参数选择 由于切深前角和进给前角都为负值，使铣削过程中的切削变形大，切削力大，铣削温度有所升高。尽管强力切削因选取大的切削深度和进给量，形成宽而厚的切屑能够降低切削区温度，但是合理选取偏角也是至关重要的。根据强力切削的加工要求，考虑到系统刚度和改善散热条件等问题，选取主偏角kr=。75°同时，为了提高刀尖部分的强度，本设计采取了双副刃结构(如图2)，即磨出kr1'=5°(刃长2mm)和kr2'=15°两段副刀刃。另外，在刀尖处磨出了刀尖半径re=1.5±0.1mm的圆弧。这种刀尖形式不但提高刀具强度，还减少了副后刀面对已加工表面的摩擦，减少了切削力，降低了切削温度，提高了刀具耐用度。
图2 刀尖结构参数
2 结构分析
1) 刀片定位方式 刀片在刀垫上的定位，不但要满足新刀片定位精度和可靠性的要求，同时还要保证刀片转位后的定位精度和可靠性，这是机夹转位刀具对刀片定位方式选择和定位元件设计要求的重要原则。本设计采用“三点定位”方式，但考虑到强力铣削比一般铣削的切削力大，使刀垫上的定位点因受强烈的挤压变形而失去定位能力，影响定位精度和定位可靠性，所以，在刀垫的两侧面上采用了窄长面的定位结构。为了提高定位的可靠性，对刀垫的定位面在加工尺寸精度和位置精度上提出了严格要求。为了控制切削刃的端面跳动，刀垫轴向可以调整。
2) 夹紧机构 夹紧机构采用前压式楔块夹紧。为了满足夹紧可靠，操作方便的要求，选择楔块楔角为12°。夹紧着力点若在刀片的上部，刀片与刀垫定位面之间将会产生缝隙，从而破坏刀片的定位可靠性。为了避免这一现象的发生，使刀片与刀垫定位面紧密结合，并能克服主切削力(Fz)对刀片定位精度的影响。其夹紧着力点选在刀片的1/2再向上1mm处(如图3所示Fj)，实践证明效果良好。
图3 夹紧着力点位置
3) 铣刀槽的加工 铣刀槽的加工是铣刀制造的关键工序之一。它不仅要求刀槽本身的加工精度高，而且还要求刀槽之间的分度精度高。若刀槽分度精度不高，将给刀槽磨削造成余量不均。为了控制铣刀淬火后的热处理变形量，一是在铣刀体粗加工后进行调质处理，为淬火做好组织上的准备，二是采用分级淬火法，从而有效地避免热处理变形和裂纹。为了提高刀槽分度精度，在磨槽工序中，采用了磨槽专用夹具，保证了刀槽制造精度和分度精度的设计要求。
3 用量选择
根据难加工材料的切削特点，在铣削高锰钢、淬火钢、冷硬铸铁等材料时，特别是强力铣削钢件时，其铣削用量的选择一般是：铣削速度略低，以便降低铣削温度，减少刀具磨损，提高刀具的耐用度；铣削深度和进给量适当加大，以便保证刀具超过加工硬化层深度切削，减少刀具磨损和崩刃。但是也要同时考虑，由于铣削深度和进给量的加大，造成铣削力增加，使铣削过程产生振动和切屑不易折断等问题。
4 铣削实验
1) 实验条件
机床：X5020；
工件：ZGMn13 180～200HB
铣刀：d0=315 z=16 YT798双副刃端铣刀；
用量：Vc=25m/min ap fz=0.2mm/z。
2) 实验结果 连续铣削工件96件，铣削两个班次未发现铣刀崩刃、打刀、热裂等非正常磨损现象。与其它铣刀相比生产效率提高近3倍，刀具耐用度提高1.5倍。
双副刃强力端铣刀具有合理的参数与结构，可靠的夹紧与定位、铣削用量大、刚性好、生产效率高、刀具使用寿命长等特点。特别适于高锰钢、淬火钢、高合金钢等难加工材料的粗加工和半精加工，在全国刀协组织的刀具切削表演赛上，双副刃强力铣刀在加工高锰钢材料时，得到好评。现已在二汽、大连柴油机厂等大型企业中广泛使用。 (end)
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(3/2/2005) |
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