旋风铣削螺纹梳形铣刀的研究

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图1 螺纹梳形铣刀的结构

图2 梳铣刀铣削内螺纹时螺纹形成示意图

1 引言

旋风铣削螺纹是一种先进的高效率加工方法，即在专用的螺纹铣床上安装锥柄的梳形铣刀来高速加工短小而螺距较小的内、外螺纹或锥形螺纹。梳形铣刀的结构可看成是若干个盘形螺纹铣刀的组合，刀齿呈环形，无切削锥部，各刀齿负荷均匀(见图1)，加工时梳形铣刀与工件轴线平行，工件只需旋转一周，同时铣刀沿工件轴线移动一个螺距，就可以铣削出全部螺纹。目前在药筒螺纹的加工中得到了广泛的应用。药筒螺纹一般为特种英制锯齿形内螺纹，起连接底火、密封底火室的作用，它的加工精度、加工质量将直接决定着底火室的装配质量。一旦出现质量问题，就会在药筒使用时所产生的高温高压下发生底火室漏烟和底火脱落的严重后果。因此，旋风铣削药筒螺纹所用的梳形铣刀的设计加工就显得十分重要，尤其是梳形铣刀的外径和齿顶高的设计。为此，我们做了一些研究探讨，并将研究结果通过生产实践得到了验证。

2 梳形铣刀设计中的问题研究

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旋风铣削药筒螺纹时，梳形铣刀的轴线与药筒的轴线平行，其环形齿与自身轴线相垂直，因而切削刃旋转形成的回转面与药筒螺纹的螺旋线形成一个和螺旋升角相等的角度。在横剖面内，梳形铣刀剖面形状始终为圆，而药筒螺纹剖面的形状则是以轴线为极点的阿基米德螺旋线(见图2)。这样刀齿截面轮廓线与螺纹截面轮廓线的交点并不在梳铣刀和螺纹的连心线上，而偏向一边(如图2中的a、b、c点所示)，且随剖面的不同其位置也在变化。由于这些交点在梳形铣刀的刃口上，因此由各个剖面内的这些交点所形成的刃口不是直线而是曲线;但实际中为了便于制造，常把刃口作成直线，这样铣出的螺纹总会有一定的畸变，这种误差对于药筒螺纹来说是允许的，可忽略不计。 + s# g) E9 l9 C# ^' T0 a

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1. 药筒螺纹是特殊牙型的内螺纹，因此梳形铣刀的外径除与药筒螺纹外径和螺距有关外，还与螺纹牙型和允许的畸变值有着密切的关系。若取得过大，易碰伤药筒，损伤机床精度;若取得过小，又易引起刀具径向波动，使得加工的螺纹表面出现鱼鳞状波纹，甚至在螺纹接头处出现凹凸不平的条带，因此，合理确定梳形铣刀的外径就显得十分重要。梳形铣刀的外径设计因历史原因一直沿用前苏联刀具专家谢明钦科、T·A·阿列克席也夫的有关著作及所提供的技术资料，T·A·阿列克席也夫认为：用于铣削内螺纹的梳形铣刀其外径D不能大于被加工螺纹内径d的0.9倍；谢明钦科认为：梳形铣刀的外径D应是被加工螺纹内径d的0.85～0.95倍;而有的技术资料则经验地将梳形铣刀的外径D取为被加工螺纹内径d的0.643～0.65倍。这些取值在设计应用中均出现了程度不同的质量问题，我们在理论研究和设计实践的基础上，经过大量的生产实践，提出了用于药筒螺纹加工的梳形铣刀外径的计算公式: 5 L+ S% |7 ^4 m2 v* ~" @D=(0.7～0.8)d-D式中:D——梳铣刀铲磨时的直径公差，通常取D=0.2～0.6mm - d- e: Z9 w7 w7 V; q6 c2 Y" {3 \9 q0 T; c
   该公式较好地解决了梳形铣刀外径的设计问题，能满足药筒螺纹加工的质量要求。
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   (a)磨损量的影响	(b)梳铣刀廓形的影响
   图3 磨损量及梳铣刀廓形对齿项高的影响

2. 梳形铣刀齿顶高H_d的确定应充分考虑其允许的磨损量d_hd的影响(见图3)。目的是保证梳形铣刀后刀面磨损后加工螺纹时仍有必要的高度，因此梳形铣刀的齿形高度在设计时就必须比螺纹高度大一个允许的磨损量d_hd。我们通过大量的设计加工实践得出其与被加工螺纹的螺距s之间的关系是:d_hd=0.03S^0.75mm较为合适;梳形铣刀的制造公差为d_hd=0.0163S^1/3较合适，这样齿顶高dd就可按下式计算：H_d=h_g+d_hd+Dh+d 式中:h_g——螺纹的齿根高;Dh——梳铣刀允许的位移量： Dh=(b-b')/[2tg(e/2)]式中b——螺纹齿底槽宽;e——螺纹槽形角;b'——梳铣刀齿顶宽b'=(0.75～0.8)b

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图4 梳铣刀的前刀面齿形

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3 梳形铣刀加工中的问题分析

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1. 螺纹梳形铣刀若具有前角后，其刀齿在轴间截面内的齿形和前刀面上的齿形即与工件法剖面内的截形不同，与g=0°时相比，因畸变而产生一定的加工误差，但此误差不大，尤其在g< 5°时误差值更小。因此，一般仅对加工钢质药筒的梳形铣刀(g> 5°)轴剖面内的齿形和前刀面上的齿形进行修正计算或查表修正计算，也可用作图法求出齿形。 . P& E U" D; \* u
   梳形铣刀前刀面的齿形修正按成形铣刀进行修正以保证回转面轴向齿形角不变，从图4中的几何关系可以看出： $ u% V1 M& K" |! D
   sinb₁=Rsing_p/(R-h₁₀)
   sinb₂=Rsing_p/[R-(h₁₀+h₂₀)] 5 @% e% @& o. V* r. y
   h_10g=[(R-h₁₀)sin(b₁-g_p)]/sing_p
   h_20g=[(R-(h₁₀+h₂₀)]sin(b₂-b₁)]/sinb₁ + w( |6 w) t: @' c( u! f n
   则： tg(a_g/2)=tg(a/2)=(h₁₀+h₂₀)sing_p/{[R-(h₁₀+h₂₀]sin(b₂-g_p)}式中：R——梳铣刀半径；g_p——梳铣刀顶刃前角 9 y. l) H# E) ?5 z6 _# h) y' [* b
   a——螺纹牙型角；a_g——梳铣刀前刀面齿形角 8 x# O8 M- r/ q/ N5 t7 q
   h₁₀，h₂₀——梳铣刀回转面轴向齿形齿顶高和齿根高 + Z. i( D# ~$ l7 A A. B& G# \ ~
   h_10g，h_20g——梳铣刀前刀面齿形齿顶高和齿根高
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2. 旋风铣削药筒螺纹的梳形铣刀由于其一侧齿形角很小，为达到侧刃后角a₀的正常工作角度，而采用斜向铲齿，这样梳形铣刀齿形两则和齿顶必须在一次调整中加工出来，来确保梳形铣刀重磨后齿形保持不变。
3. 直槽式梳形铣刀旋风铣削螺纹时，切削不平稳，振动较大，致使铣制的螺纹表面带有不平滑的波纹，尤其梳形铣刀切削长度L较大时，影响最为严重。为改善切削状态，可改用螺旋槽式的结构，螺旋角通常取5°～8°，但由于直槽式制造容易，刃磨和检验方便，加之药筒螺纹长度较短(l<20mm)，因此，我们认为铣削药筒螺纹的梳形铣刀采用直槽式能达到加工要求，且经济可行。

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4 结语

本文对旋风铣削药筒螺纹梳形铣刀的外径和齿顶高两个重要设计参数进行了研究探讨，提出了计算公式和经验数值，并对其加工中所涉及的主要问题进行了分析。我们将这些研究成果均用于了梳形铣刀的设计和制造。从药筒螺纹(黄铜药筒螺纹直径d=13～30mm；钢质药筒螺纹直径d=13～32mm)的加工生产实践表明：刀具设计参数正确能满足加工质量要求，可以在生产实际中使用。