旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计

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1 引言

高速切削、强力切削可显著提高加工效率，是现代制造技术的重要发展趋势之一。但随着切削速度的提高，在某些加工场合也带来了加工质量方面的问题。如采用旋风铣削法高速铣削内、外螺纹时(见图1)，虽然加工效率高、刀具冷却效果好，但加工出的螺纹精度并不高，且螺纹牙槽两侧面的表面质量存在较大差异。对于粗加工工序，螺纹牙侧表面加工精度影响不大，但对于一次完成全牙深切削的最终加工而言，这一问题不容忽视。为此，本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面的表面质量进行了分析计算，并介绍了旋风铣刀的设计方法。
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(a)铣削外螺纹	(b)铣削内螺纹
图1 旋风铣削内、外螺纹

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2 牙槽两侧面表面质量的计算与分析

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1. 牙槽两侧面表面特征
   旋风铣削丝杠螺纹时，当铣削速度提高到2000r/min 以上，螺纹牙槽底面(沟底)及其中一侧面的表面质量明显提高。由加工结果可知，无论是采用刀具进给方式、由车床改装的旋风铣削装置，还是采用工件进给方式的专用丝杠加工设备，均为迎向铣刀的牙槽一侧(记为A侧)的表面加工质量明显优于相对的另一侧(记为B侧)。A侧表面光滑锃亮；B侧表面光泽不明显，用手触摸有细微粗糙感。
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   图2 牙槽侧面粗糙度分析

2. A侧表面粗糙度计算 7 P( U$ T* Y- E" l: K
   如图2所示，设刀刃位于水平线OO'时为零时刻，经过时间t后，铣刀盘转过一齿，则有 w_Ft+w_wt=1/Z式中，w_F、w_w分别为铣刀和工件的转动角速度，Z为装刀数。设转速比l=w_F/w_w=n_F/n_w(n_F，n_w分别为铣刀和工件的转速)，则可得 t=1(/l+1)w_wZ 9 p! A+ E3 Z# K% P
   设被加工螺纹螺距为P，则经过时间t后，刀具的轴向进给位移量为 / ? |9 z I( y; K+ q5 ~S₁=w_wtP=P(/l+1)Z与此同时，工件转过的角度为q=2pw_wt=2p(/l+1)Z
   刀具下降高度为 ) D) k% {8 a( x e0 N" x- \Y=2(R-h/2)sin(q/2)=2(R-h/2)sin[p(/l+1)Z]
   则刀具的横向位移量为 " C5 i) t5 o* O) mS₂=Ytanb=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
   式中，R为丝杠直径，h为牙槽深度，b为螺旋升角。由此可得A侧表面的理论粗糙度值为 R_z1=S₂=2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
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3. B侧表面粗糙度计算 0 J1 N, @3 W; m5 u& P Y
   由于刀具加工时既有横向位移又有进给位移，因此经过时间t后，铣刀盘转过一齿时，刀具切入点的位移量为轴向进给位移与向后的横向位移之和，则B侧表面的理论粗糙度值为 ; H7 A* {. f* F2 K$ M' `& D& GR_z2=S₁+S₂=P(/l+1)Z+2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]
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4. 两侧面表面质量差异分析
   铣刀作轴向进给运动时，A侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削。当切削速度达2000～3000r/min时，加工区火花四溅，切屑局部呈柑红色，表明该处切削温度已达800℃以上(通过计算也可得出此结论)，此时金属原子热振动振幅增大，原子间键力减弱，导致工件材料的硬度和强度降低，同时切削时的弹性变形、塑性变形和摩擦力也明显减小。由于大部分切削热被切屑带走，传入工件表层的切削热很少，渗入层很薄，表面层物理力学性能的变化在允许范围内，因此A侧面的表面质量得到提高。此外，由于每齿切削厚度和进给量减小，A侧相当于在被铣削的同时也被研磨，使表面质量进一步提高。而B侧被铣削时，由于存在进给运动，刀具在该时刻已离开被铣部位，因此不存在挤压与研磨作用。可见，切削力作用形式的差异也给两侧的表面质量带来不同的影响。

根据上述计算与分析可知，由于R_z1z2，加上A、B两侧铣削作用力的不同影响，故A侧表面质量优于B侧，这与在实际加工中的观察结果一致。 ) C5 U' p) w/ F

3 旋风铣刀的设计

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1. 刀具材料的选用 8 N" P: X3 `6 c% [
   当铣削速度达到2000r/min以上时，刀具与工件接触时间约为0.003s，而切削热在钢中的传播速度约为0.5mm/s，即在刀具与工件接触时间内热量传播距离仅为1.5µm 左右，因此仅有极少量切削热传入刀具中。此外，由于刀刃空行程较长，使刀刃承受的热脉冲大大降低，因此铣刀刃部温度始终保持在300℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨损较小。但是，由于刀刃工作方式为高速断续切削，整个工艺系统振动较大，刀刃部位需要承受较强的正压力脉冲和弯曲应力脉冲，因此要求刀具材料具有较好韧性。综合考虑上述加工特点，刀具材料不宜选用硬质合金，选用65Mn淬火钢较好。
2. 刀具结构设计
   为提高加工效率，笔者设计了图3所示铣刀盘结构和图4所示刀夹。刀夹上开有装刀槽，将长条形刀片置于其中，上面盖压一带槽薄板，然后装入铣刀盘刀槽中，用内六角螺钉压紧，即可进行铣削加工。当刀片磨损后，松开压紧螺钉，取出长条形刀片，对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用。如切削时刀片有后退倾向，可在铣刀盘上加装可调挡块。与焊接式或其它刀具结构相比，这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨、装卸和对刀工时，刀片可重复利用，具有加工效率高、加工成本低等优点。

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图3 铣刀盘装配图

图4 刀夹结构图