专用梳形成形刀的设计

HEATS

摘要：论述了V30开门机轮轴零件上10个小槽的梳形成形加工工艺，设计了片形成形刀，计算了切削参数和切削用量，探讨了刀具耐用度，经车间使用，加工效果良好。 3 c* w+ Q, u/ r# j: d$ T& b z$ K! r) v# P

图1 零件简图

V30开门机轮轴是电梯开门机上的一个关键件，材料是LC4，零件形状见图1。为了确保零件中10个小槽精度，笔者设计制造了DS/1006梳形成形刀。

1 刀具的材料结构及其几何参数

1. 材料
   　　V30开门机轮轴使用的材料是超硬铝合金LC4，硬度150HB＜8HRC(177HB相当8HRC)。工件外圆上要加工10个小槽，加工精度高，形状复杂，吃刀宽度长。鉴于工件的材料硬度及形状特点，我们选择了W18Cr4V高速钢。 ( i1 Q8 F( H( J! @8 P& r0 f
2. 1.2 刀具结构
   　　成形车刀可分为片形(平体)和圆形两种：圆形成形刀的寿命要比片形(平体)成形刀长。这种成形刀制造工艺复杂，成本高。为此我们选用了片形(平体)成形刀，它是由片状刀片和刀杆组成的，刀杆与刀片是分体的，刀片的互换性好，刀杆可重复使用。刀片加工只需加工上下面与后角，刀具前角在安装时自然形成。刀具制造工艺性好、周期短，成本低是这类成形刀的最大特点。DS/1006梳形成形刀是片形平体结构(图2)。刀具结构为机夹刀的模式。刀刃是10个齿形的梳形结构。10个齿前面还有一个定位面，是为了保证工件上第一个齿的中心线到端面的1.8mm。这样既能保证质量，使用又方便。刀杆的定位面要求粗糙度Ra0.8µm，是为了刀具安装时，可调整梳形刀的刀刃与工件的轴心线平行，以保证工件10个小槽的形状正确，深度一致。
   3 Y" U; a. B* v$ J# z, R8 e: W* ~! ?/ Y' H' B4 J, L8 ?7 V; Z, L9 c

   图2 刀具简图

3. 几何角度选择
   1. 前角g₀ 成形刀具的前角，为保证其形状，常取较小值，但是加工铝材时又可用大前角。综合考虑各方面因素和有关资料的数据，DS/1006成形车刀的前角选取8°。刀刃各处的法向前角是不相等的，法向前角从8°～0°，又从0°～8°。
   2. 后角a₀ 成形车刀的刃形复杂，后角一般常取较小值，加工铝材可用较大后角。综合考虑各方面因素，决定成形刀的后角选取a₀=10°。刀刃各处的法向后角也是不相等的，法向后角从10°～0°，又从0°～10°。

2 切削力的计算

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1. 被加工件加工表面的展开长度 h4 J2 V) K- l
   被加工件加工表面的展开长度(图3) , [) Q4 b0 s- L; j
   已知：齿顶圆角R=0.4mm,r=0.2mm,齿形角为40°，齿间距为2.34mm。利用ΔABC求出 3 ~6 z* u5 o1 C8 u4 b
   在四边形AEOE′中 . n! t" K1 v) n$ Y
   在四边形BF′O′F中 ' a+ s4 b+ d) O8 W5 ^ u3 u$ Q, Y4 F+ D0 M: j5 s0 _; _+ {
   一个槽长 - f$ j6 _; o. M) R" A
   10个槽长为：50.1mm
   可见计算出的加工展开长为50.1mm
   5 U. g: u2 [* p, I1 A' ?4 z* K
2. 切削力计算
   　　有关资料论述：“铝合金有良好的切削性能，切削力比切削黄铜与钢时小得多，在切削量相同时，刀具所受的力及能耗也比切削黄铜与钢相应的低不少”。根据切削力公式
   3 F- B/ y( h3 G" O2 D

   图3 槽形尺寸

   F_z=C_Fza^x_Fzpf^y_Fzv^n_Fzk_Fz公式中 1 \: ~' v, e5 i0 o. XC_Fz=490,x_Fz=1,y_Fz=1,n_Fz=0
   当成形车削刀具宽度≥50mm,进给量f=0.025～0.055mm/r时，将进给量分别代入上式可得 ) ~' ]9 o8 z3 W8 A5 C. w# @F_z=490×50.11¹×0.025¹×1×k_Fz=614k_Fz
   F_z=490×50.11¹×0.055¹×1×k_Fz=1350k_Fz * p/ r9 l7 j6 P+ B0 M$ b4 X
   k_Fz是切削力的修正系数，由被加工材料的机械性能、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等所决定。加工钢材时切削力的经验公式为：F_z=2000a_pfv，加工铸铁时切削力的经验公式为：F_z=1000a_pfv。也就是说加工钢材时它的切削力为2000N左右，加工铸铁时它的切削力为1000N左右。与上面数据比较，证明这把成形刀的切削力是可行的。

M; @/ ?* S$ [5 H1 B6 B

3 刀具耐用度

　　刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，定为刀具耐用度，以T表示。它不包括测量、对刀等非切削时间。在相同的切削用量和磨钝标准时，刀具耐用度越高，表示刀具磨损得越慢或刀具切削性能好。
刀具耐用度与切削用量的关系可用扩充的泰勒公式表示，车削速度v为 式中的系数和指数在文献4中查表可得。当加工材料为硬铝、加工形式为外圆纵车、刀具材料为高速钢时，f≤0.20mm/r、C_v=388、x_v=0.12、y_v=0.25、m=0.28，代入上式后得到 vT^0.28=363。
　　根据以上关系式可得下表(设：a_p=50.11mm,f=0.20mm/r)。
5 r+ {7 n- x9 O( J' H+ A: p2 b) h) {4 k+ F# a1 d3 @# v3 X2 Y$ |) x. [$ @3 i u5 J `# C6 f" F O& E D8 G; j$ l3 Y( W! r$ Q; o- W2 F4 a% x. U8 r n% c+ @ L6 ~5 w) O3 c) u/ E; E8 U0 B* \/ A2 `2 E2 n( y( U2 ~+ c& A, C2 A6 {2 X$ e, {0 o# B' ~' W* l6 }( \" z, |6 X

硬铝车削时耐用度与切削速度的对应关系表

耐用度T(min)		500	1000	2372	4000	7915
切削速度 v(m/min)	外圆纵车	63.7	52.5	41.2	35.6	29.4
	成形车削	54.2	44.6	35.0	30.3	25.0

7 f0 R) y* m& Q/ V: r& A! } ' u7 \+ n, {* n9 m7 B- n. M, z

4 切削用量的选择

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1. 吃刀量a_p DS/1006成形刀的吃刀量是变化的，随着吃刀深度的增加吃刀量由小到大直至50.11mm。 . h; H' v. B! @4 o
2. 进给量f 粗加工时限制进给量的主要因素是切削力，精加工时限制进给量的主要因素是表面粗糙度。DS/1006成形刀粗加工时吃刀量由小变大，为确保切削力不至于太大，选择进给量从0.20mm/r开始逐渐变小，进入精加工时一直变小到0.02mm/r。
3. 切削速度v 当a_p和f选定后在此基础上选择切削速度v。切削速度受到刀具耐用度的限制，必须在保证刀具的合理耐用度下选最大的切削速度。在车削过程中，冷却液采用煤油。经过以上刀具切削力、耐用度的分析再加上多年的加工经验，最后切削用量为：在加工全过程中，先后用二种切削速度来加工。切削初期粗加工时吃刀宽度不大，切削速度用35m/min,进给量较大为0.20～0.05mm/r，随着切削宽度的增加，切削力也逐渐增加，此时减小进给量。当切削宽度达到30mm左右时变换切削速度为25m/min，进给量取0.05～0.02mm/r，逐渐减小。经过这种方法加工的零件完全达到技术要求，且生产效率提高10倍，降低了生产成本。

5 结论

　　在刀具设计中，加工质量、耐用度、成本取决于刀具材料选用是否合理、正确。DS/1006梳形成形刀的结构采用机夹式分体结构。比圆形成形刀加工工艺性好、互换性好。刀具几何参数：前角8°、后角10°，法向前角和后角是变化的。
　　为适应吃刀宽度50.11mm的特定条件，DS/1006梳形成形刀采用了变化的进给量，以及二种较低的可变换的切削速度来完成一个零件的加工过程。在正常切削用量下，其切削力为1000～2000N之间，在刀具切削力通常允许的范围内。
　　泰勒公式是耐用度的重要计算公式。根据扩充的泰勒公式计算出DS/1006梳形成形刀的耐用度：粗车时(v=35m/min)为2372min；精车时(v=25m/min)为7915min。要正确选择切削用量才能保证刀具的耐用度。根据资料的测算，这把刀具的耐用度能加工约1000个V30开门机轮轴。
　　DS/1006梳形成形刀确保V30开门机轮轴的加工质量，使开门机的多楔形皮带传动平稳、噪声低、传递功率大、使用寿命长。 6 j1 N' {# B6 M; R" t

xinliu77

学习学习，，。。。

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学习学习了{:soso_e144:}