基于线切割的棱体成形车刀制造的直接廓形法

魔神

    引言

为便于设计、制造和测量，回转体工件的廓形是规定在通过其轴线的平面内测量的，其中包括廓形的宽度和深度：而棱体成形车刀的廓形是规定在与后刀面垂直的剖面(法面)内测量的。成形车刀由于需要有合理的前角和后角才能正常而有效地工作，因而造成刀具廓形将不同于工件廓形而产生畸变，设计时大量的工作都花在刀具廓形的修正计算上。棱体成形车刀的设计，传统方法就是根据工件的轴向廓形来确定刀具在法面内的廓形，由于刀具廓形上各点的轴向宽度尺寸与工件廓形上相应点的轴向宽度尺寸是相同的，不需进行修正计算。所以，棱体成形车刀的廓形设计的实质就是根据工件的廓形深度来确定刀具在法面内的廓形深度。工件廓形上组成点，一般可选择其转折点作为计算组成点。若工件为直线廓形，可取直线两端点作为组成点：当工件为曲线型面时，除两端点外，视曲线型面精度要求，在曲线部分中间应再取若干点作为组成点。计算时工件上各组成点的尺寸应取其平均尺寸。计算过程中的数据处理，要求精确到小数点后’ 位以上。但是，对工件的直线廓形仅取两端点作为组成点存在双曲线误差的问题：对曲线部分取多少中间点才能满足精度要求以及由此增加的数据处理量也是一个较大的难题。棱体成形车刀廓形的加工，传统加工方法通常都是先按修正计算所得的廓形值制作样板，然后按样板铣切或刨削，最后在光学曲线工具磨床上磨削成形。这种工艺方法不但工序多，周期长，而且一般工厂也不具备光学曲线工具磨床这种专用设备。目前，多数工厂的线切割机床已日益普及，根据设计所得的刀具廓形数据进行编程，可以一次加工成形。此法不但能保证刀具较高的制造精度，而且所用夹具简单，加工周期短。

1 前角g_f=0°和后角a_f=0°的棱体成形车刀的制造

当刀具的前角和后角都等于0°时，成形车刀的廓形和工件廓形完全相符。装夹方法是将后刀面垂直于床面，以工件的廓形来进行编程加工，可以直接切割出和工件廓形相同的刀具廓形来。但后角a_f=0°的刀具是不能工作的，没有实用价值。
 

1. 钼丝 2.棱体成形车刀 3.床面 图1 gf=0°和af>0°的棱体成形车刀

图2 刀具廓形与工件廓形相同的中间剖面

2 前角g_f=0°和后角a_f>0°的棱体成形车刀的制造

为了改善刀具的切削性能，可以使后角有一个合理角度，即a_f>0°的某个值。当前角g_f=0°和后角a_f>0°时，成形车刀在前刀面上廓形和工件廓形完全相符，后刀面的法面(垂直面)廓形将由于后角a_f>0°而不同于工件廓形。此时，按图1所示的装夹方法，将前刀面平行于床面，再将钼丝倾斜使之形成同床面的垂直方向夹角等于a_f，再以工件的廓形来进行编程加工(床面运动)，就可以按钼丝的倾斜方向直接切割出刀具的廓形来。

3 前角g_f=0°和后角a_f=0°的棱体成形车刀的制造

对于前角和后角均大于0°棱体成形车刀，如图2所示，在不同截面上廓形深度是不相同的。在前刀面(K-K剖面)上的廓形深度C(12')要大于工件相应点处的廓形深度a_p(12)，而在与后刀面垂直的法面N-N内的廓形深度P则又比同样点处的工件廓形深度a_p要小，显然，K-K和N-N之间，必定可以找到某一个中间剖面A-A，其上的廓形深度n2'将和工件廓形深度a_p是相同的。为了确定该平面的位置，可通过刀具基点1作平行于A-A平面的辅助平面A'-A'，刀具在此A'-A'平面内的辅助前角为g_fe，可由图2中D12'm和Dn2'm求出辅助前角为g_fe。

由图2中关系有 P=Ccos(g_f+a_f)=n2'cos(g_fe+a_f)

显然n2'=a_p，而cosg_f≈a_p/C，故可得到

gfe=arccos[ cos(gf+af) ]-af   cosgf

(1)

同时还可以求出此时后刀面和辅助平面的夹角为90°-(g_fe +a_f)。

由以上的结果可以知道，A-A或A'-A'剖面内刀具的廓形深度和工件的廓形深度相同，而在工件的轴向长度上，工件尺寸和刀具的尺寸是一直保持相同不发生畸变的。换句话说，此时刀具在A-A或A'-A'剖面内的廓形与工件的廓形是相同的。
 

1.钼丝 2.棱体成形车刀 3.床面 图3 棱体成形车刀线切割加工装夹示意图

图3所示为棱体成形车刀线切割加工时的装夹示意图。线切割前，须先加工好棱柱体和燕尾榫，经热处理并磨平各面，然后以刀具上的燕尾榫通过双向刃磨夹具固定刀体，使刀体的后刀面和线切割机床床面的垂直方向成g_fe +a_f角度，线切割机床需要钼丝有较大的偏角(g_fe +a_f)，使钼丝和后刀面平行。按这样的几何关系安装，和后刀面成[90°-(g_fe+a_f)]角度的辅助平面A'-A'就和床面平行了。

根据前述原理，其辅助平面A'-A'上的廓形与工件廓形是相同的，已将辅助平面A'-A'同线切割机床的床面相平行(图3中A'-A')，在进行线切割的程序编制时，就可以直接用工件廓形的数据来实现床面的运动轨迹，同时按钼丝的斜向就切割出所要求的后刀面廓形。最后再在前刀面上切割出(或刃磨出)g_f+a_f角来，刀具的加工即告完成。

通过实践，线切割加工时，选择合适的电流和走丝速度，可使刀具型面的粗糙度值较低，即使不经研磨加工也基本达到要求。

4 结语

实践证明，用此法加工成形车刀，直接用工件的廓形参数进行线切割编程，通过控制合理的电流参数和走丝速度，使刀具的表面粗糙度值符合要求，从而将线切割工序安排在热处理以后，线切割后不再进行磨削加工，大大简化了刀具的设计和制造工作，同时对于高硬度的硬质合金成形车刀的制造，此法更具优势。