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可转位车削刀具结构设计的工程技术研究

发布者: 长相有问题 | 发布时间: 2019-11-28 08:40| 查看数: 115| 评论数: 0|帖子模式

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可转位车削刀具结构设计的工程技术研究
何耿煌1,3, 李凌祥1,2, 邹伶俐1, 程 程1, 刘献礼2
(1.厦门金鹭特种合金有限公司,福建 厦门 361006;2.哈尔滨理工大学“高效切削及刀具”国家地方联合工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080;3.密歇根大学 机械工程学院,密歇根 安娜堡 48109)
摘 要:金属切削过程中,刀具参与切削部分的最佳几何结构,对零部件的高品质加工、生产效率的提升以及刀具使用寿命的增加等方面均具有重要的影响。本文通过对可转位车刀片自身的几何结构(如:刀片外形、刀片厚度Th、刀尖圆弧半径r及断屑槽形式等)和刀体综合几何结构(如:工作角度和紧固方式)两方面进行分析,提出了高性能可转位车削刀具结构设计的工程技术方法。研究可为新型可转位车削刀具的设计提供借鉴。
关键词:车刀;可转位刀具;结构设计;工作角度;切削性能
0 引 言

可转位车刀是一种利用可拆卸的紧固零件将可转位刀片固定在车削刀体上的刀具(如图1所示)。可转位车削刀具与传统的整体式刀具相比,其具备以下技术特点:

1)切削性能优良。可转位车刀采用机械夹紧,避免了由于焊接引起刀片-刀体间冷热收缩不均而产生内应力和裂纹,且刀片材质均匀性不会被破坏[1,2]。因此,能够更好地发挥硬质合金的切削性能从而提高切削效率。

2)断屑性能稳定。可转位刀片的断屑槽是直接压制成型的,因此能设计成刀尖强度大、断屑范围广及通用性能好的断屑槽形式[3,4]。由于不受刃磨工艺的影响,因此只要保证合理的切削参数便可获得良好的断屑性能。

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[size=0.8em]图1 厦门金鹭特种合金有限公司金属陶瓷可转位车削刀具

3)生产辅助时间短。切削刃与工件间的相对位置比较固定,其误差均在合理的范围内。刀片切削刃只需转位便可完成换刀工作,避免重新拆装和对刀所引起的工艺误差。

因此,对可转位车削刀具的结构设计技术进行分析研究具有十分积极的现实意义。

1 可转位车刀设计

可转位车刀在设计的时候需要将工件材料、加工条件及加工精度等因素进行综合考虑,在刀片自身的几何结构(如:刀片外形、刀片厚度Th、刀尖圆弧半径r及断屑槽形式等)和刀体综合几何结构(如:工作角度和紧固方式)两方面进行分析和计算,从而获得性能最佳的可转位车削刀具组合结构。

1.1 宏观几何结构设计

1)刀片外形设计。常见的可转位车刀片外形主要有:T形、W形、S形、D形、H形、O形、L形、C形、V形和R形等(如图2所示),其中大体可分为正型和负型两大类[5-7]。可转位车刀片的切削刃数越多,刀尖角越大,强度和散热性能越好,刀片使用寿命越长。

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[size=0.8em]图2 厦门金鹭特种合金有限公司标准系列车刀片

但是,切削刃数多,其长度也会相应减小,不一定能满足加工过程中切削宽度aw的要求。因此,切削刃数的设计原则是:在保证满足实际加工过程中切削宽度aw要求的前提下,尽可能取最大值(如图3所示)。

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[size=0.8em]图3 切削深度ap、切削宽度aw和刀片刃长l的关系

根据可转位车刀的几何关系,刀片切削刃的长度可以通过方程(1)来进行计算[8]。从方程(1)可以获知:当切削深度ap恒定时,主偏角Kr越大,刀片的切削刃数可往大的方向取值;主偏角Kr越小,刀片切削刃数应往小的方向取值。此外,车削刀具的主偏角也受工件形状影响。当切削刃数及长度l确定后,刀片的外形尺寸也可随之确定。

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(1)

式中:ap为切削深度(mm);Kr为主偏角(°);aw为切削宽度(mm);lF为切削刃实际参与切削的长度(mm);l为切削刃长度(mm)。

刀片外形设计时,应当根据其性能特点进行选择:

①T形刀片的径向力较小,比较适合刚性差的机床系统。因此,广泛应用于直角车削加工(如:切削直角台阶的外圆和端面);也可用于切削外圆、镗孔切削、仿形切削和螺纹切削等场合。

②S形刀片主要应用于中等主偏角的各类外圆车削、端面车削及内孔镗削等场合(通常Kr=45°、60°和75°)。由于其刀尖角为直角,因此其刀尖强度好,散热性能优良,使用寿命长。

③P形、H形和O形刀片切削刃数较多,刀尖角强度大,使用寿命长。但其切削刃较短,受切削深度ap、工艺系统刚性和零部件形状的影响较大,因此常用于长径比小的盘类零部件加工场合。

④L形、C形和R形等刀片,主要用于仿形车削及重型车削场合。

2)刀片安全厚度Th的选择。刀片的设计应当满足工作强度要求,其强度主要取决于厚度Th并受切削过程中的机械载荷影响[9,10]。而切削过程中的机械载荷主要取决于切削宽度aw和进给量f,所以可转位车刀片厚度Th应当根据这两个切削参数来选择,即在满足最大切削效率条件下的切削宽度aw和进给量f要求基础上,尽可能采用尺寸规格小的设计。图4为刀片安全厚度Th叠线图,如:当aw=10 mm和f=0.25 mm/r时,切削参数点连接虚线和刀片安全厚度Th实线相交处即为该参数下刀片的最佳厚度Th≈5 mm。当然,刀片安全厚度的选择,还应当考虑复杂条件下的受力情况(断续切削),不应单纯考虑最佳厚度而造成断续情况下刀片过早失效情况的发生。

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[size=0.8em]图4 可转位车刀片安全厚度Th叠线图

3)刀片刀尖圆弧半径r的选择。刀尖圆弧半径r主要是根据刀尖强度和工件表面光洁度要求来确定[11]。刀尖圆弧半径r越大,刀尖强度越高,对工件表面光洁度有会有好处,但是径向力会增加,易引起加工振动从而影响工件表面光洁度。

图5为以图4刀片安全厚度为基础的优化刀尖圆弧半径r叠线图。从图可以看出,刀尖圆弧r主要受进给量f和切削深度ap的影响,如:ap=10 mm和f=0.7 mm/r,那么刀尖圆弧r取值约为1.6 mm。但考虑实际加工条件和机床系统刚性问题,通常刀尖圆弧半径r≤1.2 mm。

4)刀片断屑槽型的选择。可转位刀片国家标准规定的断屑槽形式根据几何结构划分有:A型、B型、C型、D型、G型、H型、J型、K型、M型、O型、P型、U型、V型、W型、Y型、和Z型共16种。而根据制造方式的不同,又可分为:压制型和磨削型两大类。

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[size=0.8em]图5 可转位车刀片刀尖圆弧r叠线图

常用的标准断屑槽型主要有A型、G型、K型、O型和W型五种[12]。其中,W型为万能槽型,目前国内先进刀具制造公司研发的可转位刀片断屑槽形式均在W型的基础上进行优化设计的专用槽型(如图6所示)。

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[size=0.8em]图6 厦门金鹭特种合金有限公司新型高性能不锈钢车削刀片断屑槽特点剖析

1.2 综合几何结构设计

1)车削工作角度计算与设计。可转位车削刀具的工作几何角度是由刀片设计角度、刀体安装角度以及刀具与工件的相对位置综合后的角度,其中对刀具切削性能影响较大的角度主要有:工作前角、工作后角和主偏角。

①工作前角的计算:车削刀具的工作前角是由车刀片的设计前角与刀体中刀片安装槽前角的代数和,并可描述为:

γWRA=γCRA+γHRA

(2)

式中:γWRA为车削刀具工作前角(°);γCRA为车削刀片设计前角(°);γHRA为刀体中刀片安装槽前角(°)。

如果刀片设计有刃倾角λS,那么车刀片的设计前角γCRA可描述为:

tanγCRA= d3622e439340134a59c8171dab98b383.jpg

(3)

式中:tanγNA为刀片法向前角(°);λS为刃倾角(°)。

从方程(3)可以看出,只有当刀片的刃倾角λs=0°时,车刀片的设计前角γCRA在整条切削刃上才是恒定的。

②工作后角的计算:车削加工过程中,车刀的工作后角具有弱化刀具-工件间的机械摩擦的功能,同时可以增加刀具的有效散热面积[13]。但是,后角并非越大越好,因为当刀具工作前角恒定时,工作后角越大,刀具的有效楔角就越小,其强度也会越小。因此,合理的选择车削刀具的工作后角是十分必要的。由于刀体的安装槽具有刃倾角λSH和前角γHRA,那么刀体安装槽的几何前角相对于整个车刀基面最大倾角γGRA可描述为:

tanγGRA=± 1768799d9e010c5b0d60a8e5a0a03bc8.jpg

(4)

那么,刀体安装槽前角γGRA所在截面的范围角θGRA可描述为:

tanθGRA= f3356af0e7215e1006cb47e43acce140.jpg

(5)

文[14,15]中,任意截面的后角α可描述为:

cotα0=cotα·sinθ+tanλS·cosθ

(6)

令:

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那么,车刀安装后主截面后角αRA可描述为:

tanαRA= 32e044c2aea6a58b4acdee96c35e5ab8.jpg

(7)

将方程(5)代入方程(4),可得:

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(8)

联解方程(8)和方程(7),可得:

tanαRA=-tanγHRA·cos2λSH

(9)

由刀片几何关系分析可知其法向后角αNA为:

cotαRA=cotαA·cosλSA

(10)

由方程(9)可知刀具主截面内车刀片后角αCRA为:

tanαCRA=tanαRA·cosλS

(11)

综合方程(10)和方程(11),车刀工作后角可描述为:

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(12)

式中:α为车刀工作后角(°);αRA刀片安装后角(°);αCRA为车刀主截面内刀片后角(°)。

③工作主偏角的计算:车削刀具的主偏角Kr是根据实际加工情况定的。通常情况下,车刀片安装的主偏角KrC与车刀体的主偏角KrH是一致的。倘若车刀片本身有偏角设计,那么安装后的工作主偏角应该是二者之和。

2)紧固方式设计。现代化的高效车削刀具要求有合理可靠的装夹方式,保证刀片能简单、迅速、可靠的进行更换,并且重复定位精度要高,使安装后的位置误差在允许的范围内。可转位车刀的紧固方式较多,而且还在不断的推陈出新,下面介绍3种常见的紧固方式,供设计时参考。

①螺钉偏心紧固:这种结构是最简单的紧固方式,主要利用螺钉端部的螺帽将刀片推向安装槽内侧面,靠刀片安装槽的内侧面进行定位和夹紧。其夹紧是靠偏心余量来控制力度的,通常偏心量e=0.08~1.5 mm,并且靠螺纹进行轴向自锁压紧刀片(如表1所示)。

这种夹紧方式的优点是:结构件少,结构简单,制造成本低。刀片转位或更换时只需拧开紧固螺钉,高效便捷,生产辅助时间少,且不影响断屑。缺点是:刀片靠安装槽底部和内侧面定位,精度较差;刀尖位置精度及夹紧力受刀片螺钉孔直径、刀片厚度及刀体螺钉孔位置的影响较明显。

②杠杆式紧固:这种结构是通过旋转销钉挤压顶销,再由顶销挤压销轴,使销轴上端把刀片压向刀片槽两个定位侧面而夹紧(如图7-a所示)。这种结构的优点是:由于刀片与安装槽有两个定位侧面接触,因此定位精度比螺钉偏心紧固的要高;调节余量大,夹紧力也大,装夹比较牢固。缺点是:旋转销钉与销轴孔的相对位置要求较高,若有刀垫时,刀垫定位较为困难。

③压板式紧固:这种结构是利用螺钉的轴向紧固力,把刀片和断屑器压紧在车刀体上。压板的位置可以通过紧固螺钉来调节,以适应不同切削条件下的断屑要求(如图7-b所示)。这种结构的优点是:紧固力大,夹紧方向与主切削力方向一致,夹紧稳固,切削稳定,同时重复定位精度好;零部件少,拆装方便,生产辅助时间少。缺点是:对切屑流向阻碍较大,压板容易被切屑划伤。

[size=0.8em]表1 常用螺钉直径和偏心量选取
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[size=0.8em]图7 可转位车刀典型紧固方式

2 可转位车削刀具设计建议

在设计可转位车结构时,应当着重考虑一下几点:

1)车刀体尺寸。通常情况下,车刀杆横截面为20 mm、25 mm和30 mm,或根据各种机床型号与机床主轴中心之间高度略低0.5~2 mm。对于通用车削刀具,在保证最佳切削效率和通用加工的情况下,又要具备足够的强度和刚度,其长度的选择可先按照其横截面高度的5~10倍进行计算,然后再取近似的标准值。同时,选用车刀体长度的最小值,应当保证其在工作时至少有两个可紧固刀体的紧固螺钉空间。而针对类似超重型切削的特殊刀体,其整体强度需要进一步校核。

2) 附加保护。在必要的情况下,应当给车刀体选用刀垫。刀垫不仅能提高刀片的紧固刚性,而且能起到保护刀体的效果。因为刀体的刀片安装槽是用铣削加工的,刀片安装槽底部光洁度较差,刀体-刀片间加上刀垫,能增加刀片和刀体安装槽的贴合度,提高紧固稳定性。同时,刀垫还能减少切削过程中的热传递,降低刀体温度。因此,如果车刀体的结构尺寸允许,应当增加刀垫。

3)硬度要求。车削过程中,车削刀具可能会产生弯曲变形、划伤或断裂等。因此,通常要选用强度较好的合金钢、粉末工具钢、铸钢或中碳钢等,刀体的热处理硬度推荐≥HRC45。

3 结 论

由于可转位刀片的广泛应用,设计合理可靠的刀具结构已成为一个突出的问题。各种类型的刀片几何结构和使用条件差异较大,因此车刀体的结构各有特点,很难有统一的标准。通过对刀片自身的几何结构和刀体综合几何结构两方面的分析,本文的主要结论有:

1)车削刀具全部结构设计都应当以发挥刀片切削性能为前提

切削过程中,切削刃是完成切削工作最关键的一环,刀具的几何结构是为切削刃服务的。因此,刀具结构设计应当充分考虑切削刃最佳切削状态。

2)科学合理的刀片安装角度

刀片安装角度主要关系到刀片的有效利用率以及工件的加工精度两方面的问题。其大小和方向影响着切削角度的大小和方向。

3)高效的车削刀具要有合理的紧固方式

在高速切削过程中,有机械冲击和热冲击,刀片需要有可靠的紧固方式以避免其发生松动和位移。因此,紧固力方向尽量与主切削力一致。

4)保证刀体的重复使用

刀体设计时,刀体上的孔不宜过多,以防止壁厚太薄而强度、刚度不够,同时应当在尺寸允许的范围内选用合适的刀垫以保护刀体。

参 考 文 献:

[1] HE Genghuang,LIU Xianli,WU Chonghu,et al.Study on the Negative Chamfered Edge and its Influence on the Indexable Cutting Insert’s Lifetime and its Strengthening Mechanism [J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016,84(5):1229-1237.

[2] HE Genghuang,LIU Xianli, YAN Fugang.Research on the Dynamic Mechanical Characteristics and Turning Tool Life Under the Conditions of Excessively Heavy-duty Turning [J].Frontiers of Mechanical Engineering,2012,7(3):329-334.

[3] LIU Xianli,HE Genghuang,YAN Fugang,et al.Large Chip Production Mechanism Under the Extreme Load Cutting Conditions [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2015,28(2):343-352.

[4] 何耿煌,吴冲浒,刘献礼,等.可转位刀片断屑槽断屑性能及其槽构技术研究[J].哈尔滨理工大学学报,2015,20(3):13-18.

[5] HE Genghuang,LIU Xianli,etc.Research on the Fracture and Breakage of Heavy-Duty Turning Tool for Rough Machining Hydrogenated Cylindrical Shell [J].Solid State Phenomena,2011,175:305-310.

[6] 何耿煌.大型筒节零件高效切削及刀具技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2013:7-8.

[7] 刘献礼,刘铭,何耿煌,等.重型切削过程硬质合金刀片的冲击破损行为[J].机械工程学报,2014,50(23):175-185.

[8] 何耿煌,李凌祥,邹伶俐,等.亚微观倒棱切削刃对硬质合金刀片切削性能的影响特性研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2017,37(3):46-54.

[9] 何耿煌.大型加氢筒节粗加工刀具设计与切削性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2011:30-33.

[10] 何耿煌,吴冲浒,刘献礼,等.断续切削过程硬质合金可转位刀片破损行为研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2015,35(3):10-16.

[11] 刘献礼,计伟,范梦超,等.基于特征的刀具“形-性-用”一体化设计方法[J].机械工程学报,2016,52(11):146-153.

[12] 何耿煌.切屑折断分析及其直接断屑技术的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2016,21(1):6-12.

[13] 邓朝晖,刘战强,张晓红.高速高效加工领域科学技术发展研究[J].机械工程学报,2010,46(23):106-120.

[14] 程耀楠,刘献礼,李振加.极端重载切削条件下的刀-屑粘结失效[J].机械工程学报,2012,48(19):169-176.

[15] 何耿煌,邹伶俐,李凌祥,等.不锈钢可加工性分析及其高效切削刀具技术研究[J].机床与液压,2016,44(13):57-62.

[size=1.8em]Study on the Engineering Technology of the StructuralDesign of the Index-able Turning Tool
HE Geng-huang1, 3, LI Ling-xiang 1, 2, ZOU Ling-li1, CHENG Cheng1, LIU Xian-li2
(1.Xiamen Golden Egret Special Alloy Co., Ltd., Xiamen 361006, Fujian, China;2.The Key Lab of National and Local United Engineering for “High-Efficiency Cutting & Tools”, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China;3.Institute of Mechanical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor 48109, USA)
Abstract:The optimal geometry of the working part of the cutting tool has an important influence on aspects such as high quality parts processing, improvement of production efficiency and the longer tool life in the cutting process. The geometric structure of index-able inserts (such as: the insert profile, the insert’s thickness Th, the tool radius rand the types of the chip breaking groove and so on) and the integrated geometric structure of cutter body (such as: the working angle and the fastening way) were analyzed in this paper, then the structural design engineering technique of high performance index-able turning tool was put forward. This conclusion serves as both data and technical support for the design of new index-able tools.
Keywords:Turning tool; Index-able tools; Structure design; Working angle; Cutting performance
DOI:10.15938/j.jhust.2017.04.020
中图分类号: TG501
文献标志码: A
文章编号: 1007-2683(2017)04-0110-06
收稿日期: 2017-02-20
基金项目: 重大科技成果产业化(3502Z20161009).
作者简介: 何耿煌(1984—),男,博士后,高级工程师,硕士研究生导师;邹伶俐(1978—),女,硕士.
通信作者: 李凌祥(1970—),男,教授,硕士研究生导师,E-mail:Li.lingxiang@cxtc.com.

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