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1、个人资料整理仅限学习使用自回转切削刀具的设计与实验研究题目专业班级姓名学号指导教师自回转切削刀具的设计与实验研究机械电子工程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用自回转切削刀具的设计与实验研究摘要： 切削温度是造成刀具磨损的主要因素，对加工质量和生产效率具有重要的影响。自回转切削刀具以结构为切入点，增加一个运动单元，在加工的过程中依靠切削分力自动连续回转，使每
2、一部分切削刃实际投入切削的时间很短可以充分散热，可以有效地提高刀具材料的耐高温性能及抗磨损性能，改善刀具的工作状态 , 具有重要的研究价值。本文在介绍自回转切削刀具工作原理的基础上，对刀具的几何角度进行了分析与选择，完成了自回转车刀的结构选型与分析，然后用Pro/ENGINEER 软件对进行了实体建模。在此基础上，制作出了一种自回转车刀，并进行了单因素法切削实验。通过对切削过程中产生的现象分析，探讨了刀具设计制造过程不足，并提出了改进的方案。关键词 : 自回转切削刀具；结构优化；仿真实验；干涉检验；切削实验Research on Design and Experiment of Self-pr
3、opelled Rotary CutterAbstract:Cutting temperature is one of the primary factors resulting in tool wear. Hence, it has critical influence on machining quality and production efficiency.Theself-propelled rotary cutterhasa movement unit which takes the structure as the breakthrough point. The insert ca
4、n automatically rotate continuously depending upon the cutting force component in the processing process. The actual cutting time of each part of the cutting edge is very short to make the heat dissipation efficiently.The performance of heatendurance and wear resistance can be enormouslyenhanced. In
5、 addition,the cutter working condition can beeffectively improved.Therefore, this work has important research value.On the basis of introduction to the working principle of self-propelled cutter, the geometric parameters and the structure style of cutter was analyzed and chosen. Then, the solid mode
6、ling was carried out using the Pro/Engineer. Finally, a kind of self-propelled cutter was fabricated and tested in the cutting experiment with single factor 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用method.Through analyzing the phenomena in the cutting process, the shortag
7、es of the design and fabrication of the cutter was expounded. Moreover, some improving schemes were put forward.Key words: Self-propelled rotary cutter。 Structureoptimization 。Simulation experiment。Interfere test 。 Cutting experiment目录1绪论 11.1课题研究背景和意义11.2课题的主要研究内容22自回转切削刀具的设计与干涉检验32.1自回转切削刀具的基本原理32
8、.2自回转切削刀具的主要几何参数选择52.3自回转切削刀具的结构设计72.4基于 Pro/Engineer的自回转切削刀具实体建模82.4.1自回转切削刀具各零件的实体建模82.4.2自回转切削刀具的组装102.5 基于 Pro/Engineer的自回转切削刀具的运动仿真和干涉检验分析113自回转切削刀具的制作与切削实验133.1自回转切削刀具的制作133.2切削实验的目的 163.3实验过程中的现象173.4实验现象分析 174结论与展望 194.1结论 194.2不足与展望 19参考文献 21精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4
9、页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用1绪论1.1 课题研究背景和意义高硬度、高强度、高耐磨性能的新型材料的日益广泛应用，促进了现代机械制造业、汽车制造业、航空航天研究等传统与新兴工业的发展，这些新型材料对切削刀具提出了新的要求。实践表明，用普通切削刀具加工这些材料时，刀具磨损快，寿命短，且只能采用很低的切削速度或使用切削液的湿式切削加工方法等，这样不仅制约了这些材料的广泛应用，也不符合绿色制造工艺的要求。采用 CBN PCD 刀具不但价格昂贵而且不容易加工。因此，研制结构合理、几何参数最佳、切削性能优良的新型刀具己成为切削刀具发展的重要方向之一1,2。自回转切削刀具以结构为切入点，增加一个
10、运动单元，在加工的过程中依靠切削分力自动连续回转，使每一部分切削刃实际投入切削的时间很短可以充分散热，可以有效地提高刀具材料的耐高温性能及抗磨损性能，改善刀具的工作状态 , 具有重要的研究价值。金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量形成合格加工表面的过程。在这过程中将产生许多物理现象，如切削热、刀具磨损、切削力等，这些现象都会对刀具造成很大的破坏3。合理使用和设计工艺装备特别是刀具，提高加工质量和生产效率，降低生产成本等方面有着重要的意义。切削过程中，刀具一方面从工件表面切下切屑，一方面被切屑、工件所损坏。磨损后的刀具继续切削，会使切削力增加，切削温度升高，加工质量和生产效率降低，成本提高
11、。刀具切削工件时切削热主要由刀具、切屑和工件传出，它们吸收切削热而使温度升高，温度的高低不仅取决于切削时产生热量的多少，还与热的传导密切相关。所以吸热多且散热不宜的部位温度高。过高的切削温度不仅对工件、刀具及切削过程将产生很大影响，是造成刀具磨损的主要原因，而且使工件本身和刀杆受热膨胀致使工件尺寸达不到要求3。在这种情况下回转刀具应运而生。一种是驱动式回转刀具，它主要是靠微型动力系统带动转轴来实现刀片的旋转，这种方式在车削加工中也有先例，不过它的变量太多，优点和缺点都很明显。自回转刀具通用性强，是一种有重要推广价值。它有一个旋转自由度，在切削加工的过程中，高速钢刀片在零件切精选学习资料 - -
12、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用削摩擦的过程中可以作自回转转动，使整个高速钢刀片的切削刃循环的切削，刀片逐渐进入切削逐渐退出切削，切削平稳。自回转刀具凭借其先进的理念和优点已经提出就引起了国内外众多学者的兴趣，在这种情况下推动了科学的发进步，为生产力发展指明了方向。1.2 课题的主要研究内容我国的自回转刀具的研究起步比较晚，在这一领域的文献还不多，特别是以刀具的磨损机理和使用寿命为主要方向的研究还有待完善。本文主要研究内容如下 :1论述自回转刀具的基本原理、几何参数选择、结构优化设计。刀具倾斜角、速度三角形等
13、概念反映了自回转刀具与普通刀具切削过程的本质区别。安装刀具倾斜角是自回转刀具的基本角度，是决定其切削性能的最重要的参数，使用时必须首先选择合理的值8。分析刀片切削刃半径的选取原则以及车刀法前角和车刀法后角的取值重要性。2在理论分析的基础上设计一种自回转切削刀具。利用三维软件 Pro/E 对自回转切削刀具进行实体建模，并在此基础上进行运动仿真和干涉检验分析。3在结构设计和实践的基础上，制作一种自回转切削刀具。刀片采用高速钢经高温淬火和高温回火硬度达到HRS63 65。刀体刀杆和转轴用45 号钢，刀体经调制处理增加轴的硬度和耐磨性，硬度达到HRS40 45。进行单因素法切削实验。通过切削过程中产生
14、的现象，分析刀具设计制造过程中可能出现的问题、不足以及需要改进的地方。2自回转切削刀具的设计与干涉检验本章以自回转切削刀具的基本原理为基础对刀具的工作角度结构参数选择进行了论述。然后设计了一种自回转切削刀具，对自回转切削刀具进行了实体建模，在此基础上进行了刀具的运动仿真和干涉检验分析，以便对刀具进行研究和改善。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用2.1 自回转切削刀具的基本原理自回转切削刀具的高速钢圆刀片是一个单自由度机构。下图2.1 所示为自回转切削刀具的工作原理图。圆刀片的回转轴线与主运动
15、有一倾斜角度 , 该角度即为切削平面内的主切削刃与基面间的刃倾角。在切削过程中主运动被分解成切向分量 ( 切削刃的回转速度 和法向分量 (有效切削速度 , 高速钢圆刀片的圆周速度的大小由主运动速度、刃倾角、刀片表面上的摩擦系数和刀片支承机构的摩擦状态决定, 即(2-1 (2-2 式中: -刀片的自回转系数 , 在理想支承机构中 , 不考虑其它因素的影响时取, 一般情况下都达不到这个值，我们取理想状态下计算此时(2-3 (2-4 图2.1 自回转刀具的原理图8首先：由于自回转刀具的圆弧切削，各个微段圆弧逐渐进入切削逐渐退出切削，切削量是逐渐增大的，相当于每段圆弧的切削量很小。其次：由于这种刀具在
16、加工过程中存在一个刃倾角，自回转切削刀具有效切削速度小于主运动速度, 减少了刀具磨损路程。刀具的切削刃长度比普通刀具大的多，相当于每段圆弧参加切削的时间很短。刀具的耐用度得到明显提高。最后：由于切向分量的作用 , 在切削过程中刀片可连续回转, 各段切削刃精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用顺序参加切削 , 切削刃可充分冷却 , 刀面上有氧化膜和润滑油膜等保护层, 可降低摩擦系数减小摩擦 , 不易形成积屑瘤。当刃倾角较大时 , 自回转切削刀具切削刃上选定点工作角度与标注角度相差很大, 车刀的几何
17、参数选取不当会影响刀具的切削性能, 甚至不能工作。图 2.2 为自转切削刀具的工作角度和实际角度之间的关系。图2.2 工作角度与标注角度关系9由图2.2 可知： (2-5 (2-6 式中: - 车刀切削刃选定点的工作法前角； - 车刀切削刃选定点的工作法后角；- 车刀标注法前角；- 车刀标注法后角；- 车刀切削刃选定点的工作基面与刀面基面间夹角。通常可采用下面简化公式计算：(2-7 式中:- 背吃刀量 (切削刃选定点的切削深度； - 刀片切削刃半径；上面式子中值正负由决定，即与的安装方式有关。当时, 称为正切削 (，。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
18、- - - -第 8 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用图2.3 自回转刀具的两种安装方法1如上图所示当时，工作前角减小，受到允许最大负前角的限制( 应保证- 40 。时，工作后角减小，为避免出现负工作后角，反切削时通常采用刀片双向倾斜，刀片除刃倾角，刀片轴线在其与工件轴线相垂直的平面内再有倾斜角，如下图 2.4图2.4 双向倾斜的自回转刀具12.2 自回转切削刀具的主要几何参数选择自回转切削刀具的几何参数在法平面参考系标注，参数的选择确定要考虑车刀工作角度的变化。实际生产中采用自回转切削刀具面临的最大难题就是结构参数的优化设计这会影响其加工制造问题。这些问题解决不好，就会引起下列不良现
19、象：如刃倾角角太小，会显著地降低刀具使用寿命；角过大，切削力会显著增加；当刀片回转轴与刀片孔间的间隙过小，会停滞不转，但间隙过大，又会产生强列的震动1。1车刀刃倾角。是自回转切削刀具的重要参数，它决定了车刀切削刃的运动行为。据切削刃运动特征可把分为三种情况：是保证刀片能够自回转的最小值，由刀片支承结构的摩擦系数决定( 通常；是实际的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用与理论值接近吻合时( 即；是保证切屑正常切离工件的极限值. 自回转切削刀具的选择范围在与之间(根据不同的加工条件 ,的范围6。刃
20、倾角影响刀具切削性能，最佳值应由实验确定，从提高刀具耐用度考虑，在合理范围内可取较大值。2刀片切削刃半径。刀片切削刃半径主要有以下两方面决定：自回转切削刀具的最大背吃刀量和刀具的结构尺寸。如果为了增加切削刃的磨损强度增加自回转刀具的工作稳定性，则可以选择大的刀片切削刃半径。如果为了减小自回转刀具的径向切削力，则可以选择小的刀片切削刃半径。本刀具主要用于普通车床刀片的切削刃半径取32mm 。3车刀工作法前角、工作法后角。确定车刀法前角和法后角之前要计算工作角度改变量，切削上各点的切削深度不相同 , 最大处的值最大，对工作角度的影响最大，因此只需要计算出该处的。正切削时，减小，增大，的选取应在满足
21、刀刃强度的条件下适当选大些，而可按合理后角的下限选取。切削时，前角后角的变化与正切削相反，一般选取，而应保证工作后角不能过小3。合考虑后选择车刀法前角取15车刀法后角取 8 。4. 刀片法前角、法后角。刀片法前角和法后角的选取原则是：正向进给时，让刀片的法前角和法后角分别和车刀的工作法前角和工作法后角一致；反向进给时比较复杂，车刀双向有刀体和刀片两个倾斜角度的安装，刃倾角和刀片轴线在其与工件轴线相垂直的平面内有倾斜角。刀片法前角和法后角一定要和车刀切削刃选定点的工作法前角、工作法后角协调。2.3 自回转切削刀具的结构设计自回转刀具的结构直接影响刀具的配合情况，如果刀具过于复杂组成的间隙过多就会
22、是刀具在回转过程中产生振动，如果刀具过于简单就会增加刀具的精度要求。综合考虑后刀具的结构设计如下图2.5精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用图2.5 自回转刀具的结构1. 紧固螺钉 M8 ）2. 垫圈3. 高速钢圆刀片4. 刀片回转轴5. 推力轴承6. 滚针轴承 7. 推力轴承8. 垫片紧固螺母9. 紧固螺母 10. 刀体11. 刀杆12. 紧固螺钉 刀体与滚针轴承之间的配合不需要相对运动，它们之间采用过度配合。刀体上下表面需要一定的粗糙度以及和刀片回转轴的垂直度，在加工的过程中要留一定的余
23、量。2原材料的选取。刀体的刀杆是一个偏心轴，根据经验数据圆棒料的直径应大于刀体支撑面的对角线长度，经过计算长宽分别为40mm 48mm 的支撑面的对角线为 62mm 。为了使刀具的加工有少许富裕，经过计算我们用65mm 的45号钢圆棒料。3偏心轴的加工。偏心轴只能在车床上加工，并且只能以偏心轴的圆心为回转中心。偏心轴的加工有两种方法。其中一种方法是把三角卡盘卸下来换上四角卡盘，这种方法比较复杂，其精度比较高。另一种是用三爪卡盘的两个爪支撑圆棒料，另一个爪上垫上垫片，垫片的厚度要保证偏心轴中心和机床的转轴中心重合。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
24、 - -第 16 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用4自回转刀具支撑平台的加工。刀体支撑面的加工主要是要铣出两个光滑平面，这两个平面要满足一定的粗糙度和一定垂直度。考虑到这个自回转刀具是以普通车床为平台，回转零件的回转中心线(刀片刀刃回转面 到车刀刀杆底面的高度一般是 25mm，这样根据图纸得到刀刃回转面到刀体上支撑面AE 的尺寸是 10mm+4mm+9mm=23mm。得出刀体上支撑面AE 比刀杆底面高 2mm，偏心轴中心线高出刀体上支撑面13.5mm+2mm=15.5mm的高度。以偏心轴的中心为基准分别画出距离为15.5mm和 28.5mm的两条线，以这两条线为基准的平面就是刀体的上下
25、支撑面。5为了利于铣削棒料，在铣削时应尽量保证如下原则：当铣刀顺时针转动时从材料的左向右铣削时应保证铣刀的运动是从远到近，使排屑从最近的途径排出；当铣刀逆时针方向转动时，从材料的左向右铣削时应保证铣刀的运动是从近到远。当加工时刀具从右向左时亦然。这样做的结果保证了铣刀的散热和顺利排屑有利于铣削。6铣削加工到上下支撑面各有1mm 到 2mm 的余量后，保证以上支撑面为基准下支撑面留有0.7mm的富裕，以便进行精加工。7在使用分度转盘的过程中，应懂得它的基本原理。它主要是由蜗杆机构组成，根据蜗杆机构原理，这种型号的分度转盘的涡轮是由40个齿组成，一转可以转动 9 度。这种机构可以精确的实现零件的角
26、度划分。8在加工刀体圆孔的过程中，要把刀体装夹在四爪卡盘上，这就需要首先把三爪卡盘的三个爪装成反爪，再把一个四爪卡盘装在三爪卡盘上。三爪卡盘的主要机构是一个蜗杆机构，三个爪也是有一定顺序的，编号为一号、二号、三号，安装的时候是按照顺序装的，这样就能保证三个脚卡住的是一个圆。2刀杆的制作刀杆采用 45号钢，加工过程中不需要多少计算，加工工序比较简单，精度要求也不高，加工相对比较简单。在刀杆的加工过程中应注意周四刀杆的加工过程中最主要的要在刀杆的端面画出五条线。在铣削的过程中不用严格以划线为准进行加工。可以大概把划线摆放水平，进行铣削，铣好一个面后以加工好的这个面为水平基准加工相对的另一个面。两个
27、面加工好以后以这两个面为垂直基准夹紧进行铣削，至于尺寸的实际大小靠测量来保证。3刀片回转轴的制作精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用刀片回转轴的加工过程比较简单，关键是要保证几段轴和一个轴肩的精度要求。在刀片回转轴的加工过程中应注意以下几点：1刀片回转轴有多处过度配合，加工精度较高，在加工的过程中要留一定的加工余量。2回转轴采用 45 号钢，考虑到回转轴在转动过程中受对称疲劳应力的作用，最后要进行调制处理。3因自回转切削刀具结构限制，与刀片回转轴相配合的轴承只能采用滚针轴承。若刀片回转轴与滚
28、针轴承内环相配合，一方面由于刀片回转轴直径很小，刚度较差；另一方面由于滚针轴承内环制造精度比较低( 主要是内孔与外圆的圆度和圆柱度，内环外圆柱表面上下母线的平行度，内孔与外圆的同轴度误差，使刀片轴旋转精度降低，因此圆刀片回转不均匀。采用刀片回转轴直接与滚针轴承内环相配合，其配合间隙范围为0.01mm-0.02mm ，通过修配加工满足要求。与滚针轴承内环、刀片内孔相配合轴颈的制造精度及上述二轴颈同轴度均要求在 0.01mm 之内，通过一次装夹的加工方法得到保证，从而使圆刀片回转均匀。4圆刀片的制作刀片是自回转刀具最重要的部分，刀具切削性能的优良关键取决于刀片，其中, 高速钢圆刀片车削加工工艺、淬
29、火热处理工艺、工具磨床磨削加工工艺性、刀片外锥面及内孔的制造精度及二者的磨削质量等是最关键的问题, 尤其是刀片外锥面圆度及刀片外锥面与内孔之间的同轴度均应小于0 008mm-0.01mm, 这是影响刀片回转均匀的主要因素之一。加工材质坚硬强度大的材料一般首选硬质合金和高速钢，但硬质合金圆刀片的外圆锥面和内孔均需磨削工，由于条件限制，保证很高的加工精度与表面质量尚有一定难度，故采用高速钢作为刀片材料。5其余标准件的购买为了高效精确的完成自回转车刀的制作，同时进行一些市场调研，购买了有关标准件：表 3.1需购买的标准件零件名称型号尺寸数量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总
30、结 - - - - - - -第 18 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用推力球轴承5110010mm 0.9449in9mm 1 推力球轴承51102 15mm28mm9mm 1 滚针轴承RNA4900 14mm22mm13mm 1 平垫圈GB/T971-2002=8.4mm=16mm h=1.6mm2 平垫圈GB/T971-2002=10.5mm=20mm h=2mm 4 六角薄螺母GB/T6172 1-2000M10 4 2 内六角螺钉GB/T67 1-2000 M10 15 1 内六角螺钉GB/T67 1-2000 M8 15 1 6自回转切削刀具的组装自回转刀具的各个部分制作好
31、以后，刀具的组装以及刀具各个可变参数的调试直接关系到刀具的切削性能。自回转刀具的两个薄螺母安装很重要，安装的紧了影响刀片的自回转，安装的松了刀具的间隙过大产生振动。下图3.5 给出了自回转刀具实物图。图 3.1 高速钢圆刀片自回转切削刀具3.2 切削实验的目的切削实验的实验设备有车床CA6140A、照相机、刀片直径为 32mm的自回转高速钢车刀、工件直径为20mm的45钢圆棒。切削深度为 0.15mm，进给精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 24 页个人资料整理仅限学习使用量为0.12mm,车床转速为 200r/min。通
32、过对 45钢进行单因素法切削，观察和了解自回转切削刀具的切削性能。经过分析对切削过程中出现的现象和问题，对切削刀具提出改进的方法，不断提高自回转切削刀具的切削性能。3.3 实验过程中的现象在用自回转切削刀具进行切削实验时，当车刀的安装刃倾角=0时，无论刀具正反向进给，圆形刀片因受摩擦力的影响时转时停，转向与进给方向总是相反。当刃倾角=15正向进给时正向圆形刀片旋转不均匀，时转时停；反向进给时刀架被零件弹了出去。当刃倾角=35正向进给时旋转较均匀；反向进给时刀架被弹出去。在实验过程中还遇到刀片切削时振动的现象，由于切削力的波动，进而造成工件表面被划伤、工件被挤弯、车刀崩刃。图3.2 自回转刀具的
33、切削实验在自回转切削车刀的切削实验中车刀转速为200转每分钟，圆棒料上如图6.1出现不连续的刀痕。在切削过程中横向进给少了就车不到，进给多了自回转车刀就会吃的太深打刀。总的来说，在这几次的切削实验中，最后要不把圆棒料打弯，刀体出现一个瞬间弯曲；要不车床的刀架由于刀片吃的太深被零件弹出去，工件表面被划伤；要不就是车刀崩刃。3.4 实验现象分析1刀具刀体的刚度问题。由于切削过程中出现了刀体瞬时弹性变形的现象，所以判断刀体的刚度略显不足。解决方案是把刀体热处理增加刚度，或者是精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 24 页个人资料整
34、理仅限学习使用重新制造一个刀体增加关键点处的厚度。2刀具的组成配合问题。由于刀体是由两个推力轴承和一个滚针轴承等很多组件组成的，组成的部件较复杂，配合较多，出现较配合不良和间隙的可能性很大。尽管用手转动刀具感觉配合紧密，但在刀具切削的过程中零件和刀具的挤压力很大。解决方案是在车刀的制作过程中改善切削条件尽量实现各个组件的加工精度和调节自回转切削车刀各个零件间的间隙使各个零件间的配合达到最佳值。即使各个零件间的配合紧密在车削过程中不出现间隙，又使刀片在车削过程中不因配合太紧而不发生转动，失去自回转刀具的亮点。3刀具刃倾角调节的问题。解决方案是多次实验得出刃倾角的最佳值。4刀片硬度的问题，在刀片的
35、加工过程中淬火阶段温度没达到一定的温度，经淬火后测量的硬度为55到 56 度洛氏）远远低于要求达到的63到 65度:78 802 塞姆良斯基, 鲁勃克英 , 杨玉译 . 高强度材料的自回转刀具加工M. 国防工业出版社 ,1983: 3 熊良山，严晓光，张福润. 机械制造技术基础M. 华中科技大学出版社.2007,3:1161414 M.C.Shaw,P.A.Smith,N.A.Cook,The Rotary Cutting ToolJ.ASME1952,74:10651952,74:1065 1076. 5 焦建成 , 郝旺身 , 李锡峰 . 自回转刀具发展简况综述J.机械工程师 .2004,
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