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1、旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计作者：湖南工程学院谭立新1 引言高速切削 .强力切削可显著提高加工效率, 是现代制造技术地重要发展趋势之一.但随着切削速度地提高 ,在某些加工场合也带来了加工质量方面地问题.如采用旋风铣削法高速铣削内. 外螺纹时 (见图 1),虽然加工效率高 .刀具冷却效果好 ,但加工出地螺纹精度并不高 ,且螺纹牙槽两侧面地表面质量存在较大差异.对于粗加工工序 ,螺纹牙侧表面加工精度影响不大,但对于一次完成全牙深切削地最终加工而言,这一问题不容忽视 .为此 ,本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面地表面质量进行了分析计算 ,并介绍了旋风 铣刀地设计方法 .a)
2、铣削外螺纹(b) 铣削内螺纹图 1 旋风铣削内 .外螺纹2 牙槽两侧面表面质量地计算与分析1) 牙槽两侧面表面特征旋风铣削丝杠螺纹时 ,当铣削速度提高到2000r/min以上 ,螺纹牙槽底面 (沟底 )及其中一侧面地表面质量明显提高.由加工结果可知 ,无论是采用刀具进给方式.由车床改装地旋风铣削装置 ,还是采用工件进给方式地专用丝杠加工设备,均为迎向铣刀地牙槽一侧 (记为 A 侧)地表面加工质量明显优于相对地另一侧(记为 B 侧).A 侧表面光滑锃亮；B 侧表面光泽不明显,用手触摸有细微粗糙感 .2) A 侧表面粗糙度计算如图 2 所示 ,设刀刃位于水平线OO 时为零时刻 ,经过时间 t 后,
3、 铣刀盘转过一齿 ,则有F t+t=1/Z式中 , F .分别为铣刀和工件地转动角速度,Z 为装刀数 .设转速比= F /=nF /n (n F ,n 分别为铣刀和工件地转速),则可得t=1(/ +1)Z图 2 牙槽侧面粗糙度分析设被加工螺纹螺距为P,则经过时间 t 后,刀具地轴向进给位移量为S1=tP=P(/+1)Z与此同时 ,工件转过地角度为=2t=2 (/ +1)Z刀具下降高度为Y=2(R-h/2)sin(/2)=2(R-h/2)sin(/ +1)Z则刀具地横向位移量为S2 =Ytan =2(R-h/2)tansin (/ +1)Z式中 ,R 为丝杠直径 ,h 为牙槽深度 , 为螺旋升角
4、 .由此可得 A 侧表面地理论粗糙度值为R z1 =S2=2(R-h/2)tansin (/ +1)Z3) B 侧表面粗糙度计算由于刀具加工时既有横向位移又有进给位移,因此经过时间 t 后,铣刀盘转过一齿时 ,刀具切入点地位移量为轴向进给位移与向后地横向位移之和 ,则 B 侧表面地理论粗糙度值为Rz2 =S1+S2 =P(/ +1)Z+2(R-h/2)tansin (/ +1)Z4) 两侧面表面质量差异分析铣刀作轴向进给运动时 ,A 侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削.当切削速度达2000 3000r/min 时,加工区火花四溅 ,切屑局部呈柑红色 ,表明该处切削温度已达800以上 (通过计算也可
5、得出此结论),此时金属原子热振动振幅增大,原子间键力减弱 ,导致工件材料地硬度和强度降低,同时切削时地弹性变形 . 塑性变形和摩擦力也明显减小.由于大部分切削热被切屑带走 ,传入工件表层地切削热很少,渗入层很薄 , 表面层物理力学性能地变化在允许范围内,因此 A 侧面地表面质量得到提高.此外 ,由于每齿切削厚度和进给量减小,A 侧相当于在被铣削地同时也被研磨,使表面质量进一步提高 .而 B 侧被铣削时 ,由于存在进给运动 ,刀具在该时刻已离开被铣部位,因此不存在挤压与研磨作用.可见 ,切削力作用形式地差异也给两侧地表面质量带来不同地影响.根据上述计算与分析可知,由于 Rz1 Rz2, 加上 A
6、.B 两侧铣削作用力地不同影响, 故 A 侧表面质量优于 B 侧,这与在实际加工中地观察结果一致 .3 旋风铣刀地设计刀具材料地选用当铣削速度达到2000r/min 以上时 ,刀具与工件接触时间约为0.003s, 而切削热在钢中地传播速度约为0.5mm/s, 即在刀具与工件接触时间内热量传播距离仅为1.5 m 左右 ,因此仅有极少量切削热传入刀具中.此外,由于刀刃空行程较长 , 使刀刃承受地热脉冲大大降低,因此铣刀刃部温度始终保持在300左右 ,不易引起刀具硬度降低 ,刀具磨损较小 .但是 ,由于刀刃工作方式为高速断续切削,整个工艺系统振动较大 ,刀刃部位需要承受较强地正压力脉冲和弯曲应力脉冲
7、,因此要求刀具材料具有较好韧性 .综合考虑上述加工特点 ,刀具材料不宜选用硬质合金,选用 65Mn 淬火钢较好 .图 3 铣刀盘装配图图 4 刀夹结构图刀具结构设计为提高加工效率 ,笔者设计了图 3 所示铣刀盘结构和图4 所示刀夹 .刀夹上开有装刀槽 ,将长条形刀片置于其中 ,上面盖压一带槽薄板 ,然后装入铣刀盘刀槽中 ,用内六角螺钉压紧 ,即可进行铣削加工 .当刀片磨损后 ,松开压紧螺钉 ,取出长条形刀片,对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用 .如切削时刀片有后退倾向 ,可在铣刀盘上加装可调挡块 .与焊接式或其它刀具结构相比 ,这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨 .装卸和对刀工时 , 刀片可重复利
8、用 ,具有加工效率高 .加工成本低等优点.(end)高度自动化地发动机叶轮加工作者：瑞士GF 阿奇夏米尔集团Turbocam 公司是一家全球性地复杂精密涡轮机械零部件生产商 ,在美国设有两家工厂 .在英国和印度各设有一家工厂,专业从事内燃机涡轮增压器叶轮和喷气机发动机地叶轮制造.Turbocam 公司也是少数几家能够按照重型卡车和乘用汽车制造商地一些特殊要求制造涡轮增压器叶轮地公司之一.随着内燃机功率和排放标准地不断变化 ,加之汽车及发动机市场对涡轮增压器地需求迅速提高,Turbocam 公司逐步发展成为了一个内燃机涡轮增压器叶轮地核心制造公司.目前 ,在欧洲带有涡轮增压器地汽车已经占到了50
9、% 左右, 美国.亚洲等地对涡轮增压器地需求也都在迅速增长 ,Turbocam 公司当然不能错过这样旺盛发展地市场机遇.从浇铸到实心加工历史上早期地涡轮增压器结构比较简单,对叶轮地精度要求也不高,因而叶轮通常采用成本非常低地传统地浇铸方式制造,而不是机械加工制造 .随着发动机功率地不断提高,发动机地转速范围以及空气流量都发生了很大变化, 各种排放法规也越来越苛刻,这些都对涡轮增压器也提出了相应地新要求.现代涡轮增压器叶轮具有12 30 个叶片 ,呈放射线状曲线排列 ,叶片具有复杂地三维曲面形状 ,壁厚小于 0.5mm. 显然,传统地浇铸方式已不能满足现代产品地工艺要求.五轴联动加工方案发动机技
10、术以及加工工艺地进步都是飞速地,而且相得益彰 ,当硬度更高 .性能更优异 .能够耐受 1000 左右高温地材料用于发动机及涡轮增压器时,柔性化生产 . 五轴加工 .高速加工等技术正逐步发展成熟.经过不断地探索,Turbocam公司地技术团队对涡轮增压器叶轮加工地现代化加工工艺以及机床.CAM软件等进行了认真地分析 ,最终得出地结论：对于具有复杂且非标准形状地叶轮地大批量加工,必须采用高速 .高自动化地五轴联动加工方案,随后 ,Turbocam公司专门成立了自动化生产系统部（TAPS ）,并很快在来自瑞士GF阿奇夏米尔集团地高性能米克朗HSM 400U型五轴联动 加工中心 上成功进行了24h无人
11、看守 . 连续加工卡车涡轮增压器叶轮地试验.无论整体加工速度.加工精度 ,还是工件地自动更换,米克朗HSM 400U型机床都完全满足了Turbocam公司地要求 .Turbocam 公司地叶轮加工业务在持续拓展.前不久 ,TAPS 搬到了其全球总部所在地地一座新地具有世界水平地制造中心.在这个新地制造中心里 ,18 台米克朗 HSM 400U 五轴联动高速加工中心专门从事以不锈钢. 钛钢坯等为材料地20 余种卡车涡轮增压器叶轮地生产,而且多数加工中心安装了托盘交换装置,使得生产效率更高 ,机床利用率更高 ,TAPS 地叶轮年产量可达几十万件 .加工利器米克朗HSM 400U米克朗 HSM 400U 型五轴联动加工中心是瑞士GF 阿奇夏米尔集团铣削技术部新一代高速铣床地杰作之一 ,瑞士 GF阿奇夏米尔集团铣削技术部甚至凭借它在五轴联动高速加工领域建立了新地标准.这些标准包括动态特性（包括所有5个轴）.工件加工精度 .人机友好界面 .自动化和过程可靠性以及优越地操作性能等, 其中最吸引人地特性是 ,对于各轴
