旋風(fēng)銑削絲杠螺紋時牙槽兩側(cè)表面質(zhì)量差異分析及銑刀設(shè)計

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引言高速切削、強(qiáng)力切削可顯著提高加工效率，是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。但隨著切削速度的提高，在某些加

刀具冷卻效果好，但加工出的螺紋精度并不高，且螺紋牙槽兩側(cè)面的表面質(zhì)量存在較大差異。對于粗加工工序，螺紋牙側(cè)表面加工精度影響不大，但對于一次完成全牙深切削的最終加工而言，這一問題不容忽視。為此，本文對旋風(fēng)銑削絲杠螺紋時牙槽兩側(cè)面的表面質(zhì)量進(jìn)行了分析計算，并介紹了旋風(fēng)銑刀的設(shè)計方法。

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牙槽兩側(cè)面表面質(zhì)量的計算與分析1)

牙槽兩側(cè)面表面特征

(溝底)加工結(jié)果可知，無論是采用刀具進(jìn)給方式、由車床改裝的旋風(fēng)銑削裝置，還是采用工件進(jìn)給方式的專用絲杠加工設(shè)備，均為迎向銑刀的牙槽一側(cè)(記為

側(cè))的表面加工質(zhì)量明顯優(yōu)于相對的另一側(cè)(記為B

側(cè))。

側(cè)表面光滑锃亮；B

側(cè)表面光澤不明顯，用手觸摸有細(xì)微粗糙感。

側(cè)表面粗糙度計算如圖

所示，設(shè)刀刃位于水平線時為零時刻，經(jīng)過時間

后，銑刀盤轉(zhuǎn)過一齒，則有Ft+式中，F(xiàn)、分別為銑刀和工件的轉(zhuǎn)動角速度，

=F/FF，分別為銑刀和工件的轉(zhuǎn)速)，則可得

設(shè)被加工螺紋螺距為P，則經(jīng)過時間

后，刀具的軸向進(jìn)給位移量為S=與此同時，工件轉(zhuǎn)過的角度為刀具下降高度為則刀具的橫向位移量為S式中，R

為絲杠直徑，

為牙槽深度，為螺旋升角。由此可得

側(cè)表面的理論粗糙度值為R

B

側(cè)表面粗糙度計算

位移與向后的橫向位移之和，則B

側(cè)表面的理論粗糙度值為R

兩側(cè)面表面質(zhì)量差異分析銑刀作軸向進(jìn)給運(yùn)動時，

側(cè)面在銑刀側(cè)刃擠壓下被高速銑削。當(dāng)切削速度達(dá)～時，加工區(qū)火花四濺，切屑局部呈柑紅色，表明該處切削溫度已達(dá)

℃以上(通過計算也可得出此結(jié)論)，此時金屬原子熱振動振幅增大，原子間鍵力減弱，導(dǎo)致工件材料的硬度和強(qiáng)度降低，同時切削時的彈性變形、塑性變形和摩擦力也明顯減小。由于大部分切削熱被切屑帶走，傳入工件表層的切削熱很少，滲入層很薄，表面層物理力學(xué)性能的變化在允許范圍內(nèi)，因此側(cè)面的表面質(zhì)量得到提高。此外，由于每齒切削厚度和進(jìn)給量減小，

側(cè)相當(dāng)于在被銑削的同時也被研磨，使表面質(zhì)量進(jìn)一步提高。而B

側(cè)被銑削時，由于存在進(jìn)給運(yùn)動，刀具在該時刻已離開被銑部位，因此不存在擠壓與研磨作用?？梢姡邢髁ψ饔眯问降牟町愐步o兩側(cè)的表面質(zhì)量帶來不同的影響。根據(jù)上述計算與分析可知，由于Rz1

<

Rz2，加上

、B

兩側(cè)銑削作用力的不同影響，故

側(cè)表面質(zhì)量優(yōu)于B

側(cè)，這與在實(shí)際加工中的觀察結(jié)果一致。

旋風(fēng)銑刀的設(shè)計刀具材料的選用當(dāng)銑削速度達(dá)到

以上時，刀具與工件接觸時間約為，而切削熱在鋼中的傳播速度約為，即在刀具與工件接觸時間內(nèi)熱量傳播距離僅為

左右，因此僅有極少量切削熱傳入刀具中。此外，由于刀刃空行程較長，使刀刃承受的熱脈沖大大降低，因此銑刀刃部溫度始終保持在℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨損較小。但是，由于刀刃工作方式為高速斷續(xù)切削，整個工藝系統(tǒng)振動較大，刀刃部位需要承受較強(qiáng)的正壓力脈沖和彎曲應(yīng)力脈沖，因此要求刀具材料具有較好韌性。綜合考慮上述加工特點(diǎn)，刀具材料不宜選用硬質(zhì)合金，選用

淬火鋼較好。

刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計為提高加工效率，筆者設(shè)計了圖

所示銑刀盤結(jié)構(gòu)和圖

所示刀夾。刀夾上開有裝刀槽，將長條形刀片置于其中，上面蓋壓一帶槽薄板，然后裝入銑刀盤刀槽中，用內(nèi)六角螺釘壓緊，即可進(jìn)行銑削加工。當(dāng)?shù)镀p后，松開壓緊螺釘，取出長條形刀片，對切削刃部分重新刃磨后即可重復(fù)使用。如切削時刀片有后退傾向，可在銑刀盤上加裝可調(diào)擋塊。與焊接式或其它刀具結(jié)構(gòu)相比，這種可轉(zhuǎn)位銑刀盤結(jié)構(gòu)可減少刃磨、裝卸和對刀工時，刀片可重復(fù)利用，具有加工效率高、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

GF

公司是一家全球性的復(fù)雜精密渦輪機(jī)械零部件生產(chǎn)商，在美國設(shè)有兩家工廠、在英國和印度各設(shè)有一家工廠，專業(yè)從事內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器葉輪和噴氣機(jī)發(fā)動機(jī)的葉輪制造。

公司也是少數(shù)幾家能夠按照重型卡車和乘用汽車制造商的一些特殊要求制造渦輪增壓器葉輪的公司之一。隨著內(nèi)燃機(jī)功率和

公司逐步發(fā)展成為了一個內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器葉輪的核心制造公司。目前，在歐洲帶有渦輪增壓器的汽車已經(jīng)占到了左右，美國、亞洲等地對渦輪增壓器的需求也都在迅速增長，

公司當(dāng)然不能錯過這樣旺盛發(fā)展的市場機(jī)遇。從澆鑄到實(shí)心加工歷史上早期的渦輪增壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，對葉輪的精度要求也不高，因而葉輪通常采用成本非常低的傳統(tǒng)的澆鑄方式制造，而不是機(jī)械加工制造。隨著發(fā)動機(jī)功率的不斷提高，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍以及空氣流量都發(fā)生了很大變化，各種排放法規(guī)也越來越苛刻，這些都對渦輪增壓器也提出了相應(yīng)的新要求?，F(xiàn)代渦輪增壓器葉輪具有～

個葉片，呈放射線狀曲線排列，葉片具有復(fù)雜的三維曲面形狀，壁厚小于。顯然，傳統(tǒng)的澆鑄方式已不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的工藝要求。五軸聯(lián)動加工方案發(fā)動機(jī)技術(shù)以及加工工藝的進(jìn)步都是飛速的，而且相得益彰，當(dāng)硬度更高、性能更優(yōu)異、能夠耐受℃左右高溫的材料用于發(fā)動機(jī)及渦輪增壓器時，柔性化生產(chǎn)、五軸加工、高速加工等技術(shù)正逐步發(fā)展成熟。經(jīng)過不斷的探索，

公司的技術(shù)團(tuán)隊對渦輪增壓器葉輪加工的現(xiàn)代化加工工藝以及機(jī)床、軟件等進(jìn)行了認(rèn)真的分析，最終得出的結(jié)論：對于具有復(fù)雜且非標(biāo)準(zhǔn)形狀的葉輪的大批量加工，必須采用高速、高自動化的五軸聯(lián)動加工方案，隨后，公司專門成立了自動化生產(chǎn)系統(tǒng)部（TAPS），并很快在來自瑞士GF

阿奇夏米爾集團(tuán)的高性能米克朗

型五軸聯(lián)動加工中心上成功進(jìn)行了

無人看守、連續(xù)加工卡車渦輪增壓器葉輪的試驗(yàn)。

型機(jī)床都完全滿足了

公司的要求。

公司的葉輪加工業(yè)務(wù)在持續(xù)拓展。前不久，TAPS搬到了其全球總部所在地的一座新的具有世界水平的制造中心。在這個新的制造中心里，

臺米克朗

五軸聯(lián)動高速加工中心專門從事以不銹鋼、鈦鋼坯等為材料的

余種卡車渦輪增壓器葉輪的生產(chǎn)，而且多數(shù)加工中心安裝了托盤交換裝置，使得生產(chǎn)效率更高，機(jī)床利用率更高，TAPS

的葉輪年產(chǎn)量可達(dá)幾十萬件。加工利器米克朗

米克朗

型五軸聯(lián)動加工中心是瑞士GF

阿奇夏米爾集團(tuán)銑削技術(shù)部新一代高速銑床的杰作之一，瑞士GF

個軸）、工件加工精度、人機(jī)友好界面、自動化和過程可靠性以及優(yōu)越的操作性能等，其中最吸引人的特性是，對于/各軸、高速回轉(zhuǎn)/擺動工作臺均配有液冷式直接驅(qū)動裝置，這種直接驅(qū)動技術(shù)可使回轉(zhuǎn)擺動工作臺的動態(tài)特性達(dá)到新的/水平。該機(jī)可配工件托盤交換裝置，實(shí)現(xiàn)無人化自動加工。顯然，米克朗

為用戶將來的發(fā)展提供了高度的附加值。對于

公司的葉輪加工而言，米克朗

所表現(xiàn)出的多種先進(jìn)技術(shù)使其在多方面大大受益。、高性能主軸與高速加工高速加工是

公司的一貫作風(fēng)，速度是其在生產(chǎn)中的各個階段都需要不斷加快的。

型機(jī)床的回轉(zhuǎn)/擺動工作臺采用了線性電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計和結(jié)構(gòu)使其速度能夠達(dá)到傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)工作臺速度的

倍。主軸電機(jī)采用混合陶瓷滾珠軸承液體冷卻技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了在TAPS

應(yīng)用中

的高轉(zhuǎn)速可靠運(yùn)行。、高精確性和高動態(tài)性的刀具系統(tǒng)

型機(jī)床配備有激光測量系統(tǒng)，可以對刀具的長度和半徑進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，同時，玻璃光柵尺線性測量系統(tǒng)可以確保極高的定位精度，從而帶來極其精確的動態(tài)加工特性，并可滿足快速連續(xù)加工復(fù)雜的螺旋形葉輪時加工所需的大于

的加速度或減速度。、完美的表面加工質(zhì)量

型機(jī)床具有的混凝土聚合床身為加工過程提供了極高的剛性、良好的減振效果以及極高的熱穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)更高的零件表面光潔度和精度提供了保障，同時也減小了刀具磨損。夾緊、定位、工件交換和先進(jìn)的控制系統(tǒng)也都處處體現(xiàn)著

型機(jī)床的優(yōu)秀特性，從而更加確保了零件加工完畢時的表面質(zhì)量。、先進(jìn)的控制系統(tǒng)和

軟件

型機(jī)床采用海德漢

控制系統(tǒng)，具有較高的信息處理速度，可以運(yùn)行包含有零件幾何形狀等信息在內(nèi)的

子程序。此外，該系統(tǒng)還具有許多標(biāo)準(zhǔn)特性與配置，如

圖形和

刀具補(bǔ)償仿真、1.5G硬盤和以太網(wǎng)接口等。當(dāng)然，

公司成功的關(guān)鍵因素還包括他們定制和編寫五軸

軟件的能力。在米克朗

型機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)中，

公司和加拿大

軟件公司合作開發(fā)出了更為先進(jìn)的

編程以后，公司的工程技術(shù)人員利用檢查和優(yōu)化

型機(jī)床的刀具路徑，從而可以減少錯誤、估計周期時間并優(yōu)化計算出的進(jìn)給速度等。無人看守的可靠運(yùn)行總之，瑞士GF

阿奇夏米爾集團(tuán)的米克朗

型機(jī)床為

公司提供了在一個生產(chǎn)周期內(nèi)，％的時間可以無人看守、％正常運(yùn)行的高可靠性。在

公司位于美國巴靈頓（）的另一個工廠里，有

個由

ABB

機(jī)器人和

3R

機(jī)械手組成的機(jī)器人工作單元，其中的

個機(jī)