加工齿轮泵壳体专用刀具的优化设计

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图1 齿圈槽加工要求
  H9 f1 W7 P4 N& {7 ^9 Q1 引言
齿轮泵是轿车发动机润滑和冷却系统的重要部件。齿轮泵壳体采用铝合金材料(Y112)制造。加工齿轮泵壳体的关键工序是对图1 所示齿圈槽部位的切削加工，它对加工的尺寸精度和表面粗糙度均有较高要求。齿圈槽毛坯为压铸件，加工余量仅约1mm，为提高加工效率，工艺设计在台湾森达MCV-50A 立式加工中心上一次加工完成。但在加工中，当刀具切削至齿圈槽槽底时，由于整个主切削刃全部进入切削状态(即所谓“全锋切削”)，切削负荷突然增大，加上工件毛坯表面不平整，极易引起加工颤振，使被加工表面出现明显波纹，造成齿圈槽槽底加工表面质量恶化，刀具寿命缩短。为此，本文在分析加工颤振产生机理的基础上，对齿圈槽加工专用刀具的刀体结构和刀具参数进行了优化设计。

. A0 E2 C  I2 B6 t0 e, ~' b图2 加工颤振发生机理
2 加工颤振机理分析
加工颤振是指切削加工过程中，在无周期性外力作用的情况下，完全由加工系统自身产生的一种自激振动。引起加工颤振的根源是切削力的动态变化量DF，其在加工系统中的反馈机理如图2所示。当切削过程中的某些因素(如刀具切到工件材料中的硬质点、材料表面不平整等)使切削力F产生一个变化量DF时，则会在刀具与工件之间产生一个相应的弹性位移DX。由于DX 改变了切削深度，必然会使切削力产生一个新的变化量DF'，并反馈回加工系统中。在DF'的作用下又会产生新的位移变化量DX'。如此往复循环，结果可能出现两种情况：①反馈量不能满足系统自激振动条件，初始扰动DF经几次衰减后回复到零，系统迅速恢复到扰动前的稳定状态；②反馈量正好满足系统自激振动条件，初始扰动经若干次激励后导致一种持续不衰的等幅振动，此时加工系统将产生颤振。

图3 交变切削力Fd的产生机理
在切削过程中，当刀具与工件产生相对振动时，切削刃的移动轨迹由直线变为波浪线，其切深也随之不断变化，由此会引起交变切削力Fd(如图3所示)。为抑制和消除加工颤振现象，通常可采用改变主轴转速的方法。但加工铝合金材料时，如转速过低，容易发生“粘刀”现象(即切削高温使铝屑熔结在刀刃上)，从而使加工状况恶化；如转速过高，则会影响刀具使用寿命。因此，为消除颤振现象，必须对原有刀具的结构及参数进行优化设计。
3 刀具的优化设计
! J2 T4 x" ?% C  l8 j) i9 R齿圈槽加工专用刀具的优化设计主要分为两部分：刀体结构设计和刀具参数选择。
5 }2 M4 D# t- |( G- {: @' b9 B刀体结构设计
, b" @! \6 H( p7 U/ L引起刀具产生相对于工件的弹性位移DX的切削力变化量DF随刀体刚性的增大而减小，即当刀具碰到硬质点时，刚性较大的刀体产生的弹性位移较小。由弹性位移DX产生的相应切削力变化量DF'可表示为
DF'=kdb(µeif-1)DX
4 ]: {, m- T, m+ n7 A$ R(1)
式中：kd——动态切削力系数
/ u' R5 C0 O, J  c* U" L) Fb——有效切削宽度
* h* f7 W+ r* d. zµ——重迭系数
7 w6 V/ J% g' w2 E1 N0 T7 Jf——原有波纹与本次切削形成波纹的相位差
% _  H# R4 F7 k" ^# O
图4 复合式刀体

' K% J$ \9 v* z5 n图5 整体可调式刀体
) U7 ]$ O% g0 g- O- |由式(1)可知，DF'与DX 成正比，即刀具刚性越大，产生弹性位移DX 越小，引起的DF'也越小，从而可使初始扰动DF经几次衰减后迅速回复到零。为此，我们将原刀具的复合式刀体(见图4)重新设计为整体可调式刀体(见图5)。刀具对齿圈槽内侧面及槽底部分的加工由刀刃1完成，对齿圈槽外侧面的加工则由刀刃2完成。原复合式刀体可通过分别调整刀刃1和刀刃2来满足齿圈槽内、外侧面的加工尺寸要求，而整体可调式刀体只能利用可调部分实现刀具的整体调整(即不能分别调整刀刃1和刀刃2)，因此槽宽尺寸的调整与复合式刀体相比较为困难与费时(为达到加工尺寸要求，需用油石对刀刃作细致修整)。为此，我们又对整体可调式刀体进行改进，将承受切削力较小的刀刃2由焊接式改为机夹式，以便于其位置调整。这样既可满足增大刀体刚性的要求，又改进了刀具的可调性。通过在原来最易发生加工颤振的主轴转速(1800r/min)下用可调式刀体进行切削试验，情况良好。然后将进给速度由F8逐渐调至F30，均未出现颤振现象。
刀具参数设计
由于齿圈槽内侧面和槽底部分的加工较为困难，因此仅对刀刃1进行分析，并设计相关刀具参数。铝合金材料硬度低、导热性好，适合于高速切削，设计选用YG8硬质合金刀片进行干式切削，设定切削速度为450m/min。由于铝合金材料熔点较低(约650℃)，在切削中容易形成积屑瘤，产生“粘刀”现象，影响加工尺寸精度和表面粗糙度，因此要求刀刃锋利性好，但刃口过于锋利又会降低刀刃刚性，容易引起崩刃。因此，选择合适的刀具前、后角，对于抑制颤振、改善齿轮泵壳体加工质量极为重要。
, V' h3 r5 c) N9 A+ S
( I+ s' V5 Y& R# p  u; a6 i7 I图6 刀刃1示意图
前刀面及前角的设计
9 X. H0 f4 r! S# C齿圈槽加工部位为沟槽，排屑顺畅对于保证加工质量十分重要。若产生小片状C 形切屑，沉积在槽底，容易刮伤已加工的齿圈槽两侧面，并可能引起“粘刀”现象。为使切屑从齿圈槽外侧面顺利流出，最理想的切屑形态是卷曲半径较大的宝塔形切屑。为此，将刀刃1的前刀面设计为圆弧形断屑槽，并将断屑槽一侧磨去少许，如图6 所示。在刀具前角和槽宽相同的情况下，圆弧形断屑槽比其它形状(如直线圆弧形、锥坑形等)的断屑槽可获得更好的刀刃刚性。
通过试切比较，发现当刀具前角g0=35°～40°时切削效果最好，为增大刀刃刚性，取前角g0=35°。前角g0与断屑槽圆弧半径R、断屑槽槽深h之间的近似关系为
5 k$ T" L( ~/ g$ Gcosg0=1-h/RDX
(2)
4 x$ L# p% l3 o7 n6 h为获得较大卷曲半径的切屑及便于刀具刃磨与检测，选取断屑槽圆弧半径R=6mm，并可计算出断屑槽深度h≈1.1mm。由于实际刃磨刀具时直接检测前角g0较为困难，因此可通过检测h及R来控制g0的大小。
' F4 J1 I- g. d6 N* a1 k, U+ A刀尖圆弧半径及后角的设计加工铝合金材料要求刀刃锋利，但实际上并不存在理想的锋利刀刃。为获得具有微小半径(R0.01～0.02mm)的圆弧刀刃，可在刀具刃磨后用油石仔细修整刀刃部分。用带有微小圆弧的刀刃进行切削时，刀刃除受切削力作用外，刀刃圆弧部分还受到一个刀刃力作用，其大小与刀刃圆弧半径有关，半径越大，刀刃力也越大。同时，后刀面与已加工表面的相互接触还会产生一个后面力(见图7)，其大小除与刀刃圆弧半径有关外，还与刀具后角有关，后角越小，后刀面与已加工表面的相互接触面积越大，产生的后面力就越大，后刀面磨损也越大。此外，当发生切削振动时，小后角容易使后刀面与已加工表面发生干涉。因此，后角应适当选取大一些。设计时，在考虑刀刃刚性的前提下，经试切比较，选取后角a0=15°。
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图7 刀刃力、后面力的产生机理
  [! @5 Q% t" u' v& N4 结语
- Q: g+ M; C3 N! c铝合金材料具有密度小、强度高、抗蚀性好、工艺性能好等特点，在航空、汽车、造船、电器、化工等领域的应用日益广泛，如何提高铝合金材料的加工质量和加工效率已成为一个重要课题。本文通过对齿轮泵壳体专用加工刀具进行优化设计，获得了较好的加工效果，明显提高了加工质量和生产效率，对铝合金材料的切削加工提供了有益参考。
文章关键词： 齿轮