收稿日期:2000年8月等螺旋角圆锥立铣刀制造新工艺清华大学(北京100084) 张 辉大连理工大学(116024) 姚南王旬摘 要:根据等螺旋角圆锥立铣刀刀刃的几何特点,提出一种可保证刀刃设计参数的刀具制造新工艺,分析了工艺原理、工艺调整方法和加工干涉问题。
关键词:圆锥立铣刀,等螺旋角,制造工艺,槽形,干涉New Technology of Manufacturing Conical EndMilling Cutter with Equal Helix AngleZhang Hui et alA bstract:According to the feature of the cuttin g edge of conical end milling cutters with the equal helix angle,a new manu-facturing technology to assurance its design parameters is presented.The technologic principle,process setting method and machin-ing interference are analyzed.Keywords:conical end milling cutter,equal helix angle,manufacturing technology,groove,interference 1 引言等螺旋角圆锥立铣刀虽然已在机械加工中得到广泛使用,但刀具本身的制造仍然存在以下问题[1]:①制造工艺难以保证获得符合设计要求的刃线几何参数(如等螺旋角、等前角);②齿面干涉问题未得到有效解决。
因此,有必要研究开发可保证该刀具设计要求的制造新工艺。
本文从分析等螺旋角圆锥立铣刀的刀刃几何特性入手,根据特征点成型法[2]原理提出了一种新的制造工艺,该工艺既可保证等螺旋角、等前角刀具的加工要求,又为加工时工艺参数的调整提供了理论依据。
此外,对加工等螺旋角锥形立铣刀的机床设计亦有一定指导作用。
2 等螺旋角圆锥螺旋线的特点及其投影曲线 等螺旋角圆锥螺旋线的特点是螺旋线上任意一图1 圆锥螺旋线示意图点的切线始终与母线成定角———等螺旋角(见图1)。
根据定义,可列出等螺旋角圆锥螺旋线方程为X=Rtgα(e sinαctgβ·θ-1)Y=R e sinαctgβ·θcosθZ=R e sinαctgβ·θs inθ(1)式中 R———螺旋线起始点所在圆锥截面的半径,即圆锥体小端半径α———圆锥体锥顶半角β———等螺旋角螺旋线的螺旋角θ———螺旋线上任意点相对于起始点的转角将该螺旋线投影到XZ平面上,得到投影线上各点的投影螺旋角β′为tgβ′=d Z/dθd X/dθ=cosθtgβcosα+sinθtgα(2)若已知右旋锥形立铣刀R=7.5mm,α=15°,β=40°,γn=20°,根据式(2),可得到螺旋线的投影螺旋角变化曲线(见图2)及投影图(见图3)。
图2 螺旋线投影螺旋角的变化曲线152000年第34卷№12图3 螺旋线的投影图3 等螺旋角圆锥立铣刀制造新工艺3.1 按特征点成型法确定工艺原理特征点成型法的实质是以获得具有正确几何形状及参数要求的刀刃曲线为求解目的。
首先在工件刃线上起始被加工点处按照刃线几何角度要求确定刀具的搬角;然后在刀具上非切削面对整条刃线不发生干涉的前提下,控制刀具始终沿着刃线方程要求的正确几何形状运动,完成刀刃曲线的加工。
加工等螺旋角圆锥立铣刀时一般采用单角铣刀或砂轮。
切削时,用大端面加工前刀面,后锥面加工齿背面,其成形过程与成形铣刀铣制螺旋沟槽一样都属于无瞬心包络法。
根据文献[1]的分析可知,加工等螺旋角锥形立铣刀前刀面时,铣刀包络面上的接触线是变化的,找不出与前刀面共轭的线接触回转体,所以无法用成形刀具加工出符合等螺旋角、等前角要求的刀刃和前刀面。
为解决这一问题,可引入特征点成型法原理,选定具有一定参数要求的刀刃作为基准曲线来研究刃线及前刀面的加工。
用单角铣刀加工等螺旋角锥形立铣刀的过程遵循共轭原理,两曲面在接触点处相切接触,即两曲面在接触点处有公切面。
由于锥形立铣刀前刀面刀刃参数已经给出,因而很容易确定前刀面在刃线上各点的切面位置。
在此情况下,将铣刀的加工面在起始加工点处的切面直接调整到与刃线上起始被加工点处的切面重合的位置,并通过控制刀具的运动使两切面始终重合,即可得到具有正确几何参数的刃线。
此时,前刀面是圆锥螺旋面的近似曲面。
3.2 单角铣刀的工艺调整用单角铣刀加工等螺旋角锥形立铣刀时,通常是先根据经验初选工艺参数,经反复试切、调整后得到满意的槽形,然后才正式加工。
根据特征点成型法的原理,单角铣刀加工的工艺调整过程如下:根据图4所示的工艺系统图,选取单角铣刀大端外圆上的任意一点S 作为加工点,首先令单角铣刀绕Z u 轴逆转一螺旋角,将单角铣刀加工面在加工点处的切面调整到与刃线的某一切面重合,则该切面与过水平母线的轴截面之夹角为螺旋角;再令单角铣刀绕X u 轴逆转规定的法向前角γn ,使切面与前刀面在刃线上被加工点处的切面重合,即铣刀轴线与前刀面在此点的法矢平行;移动加工点,使之与被加工点重合,即完成了工艺调整。
经过上述调整,可以保证在起始加工点处得到正确的刃线。
只要在运动中始终保持这一加工状态,即可保证整条刃线上的参数要求,避免了过去既繁琐又不稳定的工艺调整过程。
图4 工艺系统图3.3 铣刀上S 点的运动方程建立如图4所示的固定坐标系O c -X c Y c Z c 、工件坐标系O a -X a Y a Z a 和刀具坐标系O u -X u Y u Z u 。
为了简化运动过程,将锥形工件母线扳平,且与X c 轴重合,使被加工点始终位于水平母线上,螺旋线的起始点位于Z a 轴的负方向上。
根据螺旋角的定义可知,如果在加工过程中始终保持水平母线上的公切面方向一致,即可得到正确的刃线。
为此,根据式(1)确定刀具上S 点的运动方程式为X c =R sin α(e sin αctg β·θ-1)(3)S 点按式(3)方式作直线运动,同时令工件以θ角联动回转,即可加工出具有正确几何参数的刀刃。
不难发现,刀具上S 点的位置会影响槽深,因此在加工过程中,若加工点在公切面内移动,可得到变深的槽形,而刀刃曲线及前刀面参数保持不变。
3.4 加工干涉分析由图3可知,螺旋线投影曲线上每点的投影螺旋角是变化的,且角度峰值偏离水平母线位置。
分析16工具技术实际加工情况可知:在已加工面处,由于刃线投影螺旋角随着加工走向逐渐增大,所以单角铣刀与已加工刃线不会发生干涉;此外,由于加工点位于与工件接触的最外端,因而与未加工面也不会发生干涉。
所以,采用本文提出的工艺方法可以得到满足预期参数要求的槽形。
为了减少加工接触面积,可将单角铣刀大端面修成内锥形。
4 加工铣刀用数控机床的功能要求根据本文提出的工艺方法,用于加工等螺旋角锥形立铣刀的数控机床除必须具有两轴联动(即一个直线轴和一个回转轴联动)功能外,还应具备三个电控或手动角度调整轴,以满足工艺角度调整要求。
5 结语本文提出的等螺旋角锥形立铣刀加工新工艺不仅可满足等螺旋角锥形立铣刀的刀刃设计要求,还为此类刀具加工时的参数调整和机床选择提供了科学的理论依据。
参考文献1 吴序堂.圆锥螺旋面加工原理及其在分析螺旋槽锥形立铣刀参数时的应用.西安交通大学科技报告,19832 张 辉,姚南王旬等.数控刃磨等螺旋角刀具的特征点磨削法.第七届全国生产工程学术年会暨现代制造技术青年学术研讨会,1995编辑:胡红兵收稿日期:2000年9月加工铝合金工件大锥面专用数控成形刀具宁波高等专科学校(315010) 陈俊龙摘 要:设计和研制了用于加工铝合金工件大锥面的专用数控成形刀具,通过切削试验,确定了适当的切削速度和进给量。
关键词:数控刀具,铝合金,大锥面,切削速度,进给量S pecial NC Forming Cutter Used for MachiningBig Tapered Surface of Aluminum Alloy PartsChen JunlongA bstract:The special NC forming cutter used for machining the big tapered surface of aluminum alloy parts is designed andmanufactured.Through cutting tests,the suitable cutting speed and feed are determined.Keywords:NC cutter,aluminu m alloy,big tapered surface,cutting speed,feed 1 齿轮室大锥面的切削加工齿轮室是铝合金板类零件,材料为压铸铝Y112,在两大面上分布有多种直径的孔(如2-10+0.026+0.005mm、2- 10-0.025-0.04mm、 36+0.025 0mm等),还有一些特殊的台阶孔和大锥面。
图1所示的140°大锥面是锥面叶片泵的型腔面,该型腔面对锥度精度和表面粗糙度要求较高。
在立式加工中心上加工该型腔面的关键是采用适当的切削方式和切削刀具。
图1 齿轮室大锥面图由于锥面面积较大,压铸件表面又不平整,因此加工中常发生以下问题:①切削过程中发生啸叫和振动,导致表面质量达不到要求;②刀具耐用度低,一般只能加工20～30件工件;③退刀时易在已加工锥面上留下刀刃的直线痕迹。
2 专用数控成形刀具的设计将YG6硬质合金刀片焊接在刀头体上,再将刀头体安装在刀座和刀杆上制成专用数控成形刀具。
该刀具可利用专用刀杆在工具磨床上进行磨削,因而制作和修磨较方便。
我们分别制作了单刃、双刃和三刃的专用成形刀具,并进行了较长时间的试验及比较。
表1为三种结构型式刀具的切削试验结果(切削条件:主轴转速500r/min,进给量5mm/min)。
为便于计算和测试,刀具耐用度以加工工件数表示。
为便于比较,三种刀具的前角均磨成35°,后角均为10°。
172000年第34卷№12。