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CBN滾切車刀研制及其加工質(zhì)量研究

時(shí)間:2011-06-03 08:29:58 來(lái)源:未知
滾切刀具上裝有圓形刀片，切削過(guò)程中圓形刀片繞自身軸線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)镀霓D(zhuǎn)動(dòng)是由專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，稱為驅(qū)動(dòng)式滾切刀具(Driving rotary tool 或DRT)；當(dāng)?shù)镀霓D(zhuǎn)動(dòng)是由切削運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)時(shí)稱為自滾切刀具(Self-propelled rotary tool 或SPRT)。自滾切刀具的切削刃必須具有一定的刃傾角(e)，以產(chǎn)生沿刀刃切向的速度分量vt，帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)(圖1)。SPRT的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠極大提高刀具耐用度，因此SPRT適宜于加工難加工材料，在此情況下刀具耐用度可提高30～100倍。雖然SPRT在工業(yè)上已有應(yīng)用，有些設(shè)計(jì)已獲專利，但由有文獻(xiàn)告訴我們，SPRT上采用的刀具材料尚僅限于高速鋼和硬質(zhì)合金，超硬刀具材料如CBN和PCD尚未用于這一領(lǐng)域。本文介紹了裝有CBN刀片的SPRT車刀。作者曾對(duì)這種刀具的滾切速度、切削力、切削溫度、加工質(zhì)量、刀具磨損等方面進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，裝CBN刀片的SPRT車刀不僅可以用很高的速度(190～250m/min)加工淬火鋼(HRC50～55)，而且可保持很長(zhǎng)的刀具耐用度(VB＝0.01～0.02mm/h)。因而刀具磨損已經(jīng)不是CBN-SPRT在使用中的主要矛盾。研究結(jié)果同時(shí)表明，加工表面波紋度成為影響加工質(zhì)量的主要因素，不適當(dāng)?shù)募庸l件會(huì)加大表面波紋。本文針對(duì)各種因素對(duì)加工波紋的影響進(jìn)行了更為深入的探討。

1 刀桿設(shè)計(jì)

根據(jù)以往的研究，滾切加工中的2個(gè)主要問(wèn)題是刀片旋轉(zhuǎn)所引起的附加誤差和較大的徑向力所誘發(fā)的振動(dòng)。因此，刀軸軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和刀桿的剛性就成為SPRT刀桿設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。對(duì)于CBN-SPRT的設(shè)計(jì)，由于刀片無(wú)孔無(wú)后角，所以給刀具制作帶來(lái)更多的問(wèn)題，迄今所發(fā)表的關(guān)于各種滾切刀桿設(shè)計(jì)的文章未涉及這一情況。本文中的CBN-SPRT要用于實(shí)驗(yàn)，刀桿還應(yīng)具有可調(diào)的幾何參數(shù)，以探討不同幾何參數(shù)對(duì)切削性的影響。

圖1 自滾切刀具工作原理
圖2 調(diào)整前角d使無(wú)后刀片產(chǎn)生切削后角
考慮到以上各種要求，所設(shè)計(jì)的刀桿具有下列特點(diǎn)：
  1. 當(dāng)使用無(wú)后角刀片時(shí)，刀桿除了能設(shè)置刃傾角e外還能夠設(shè)置負(fù)前角d，以便在后刀面和加工表面間形成后角，如圖2。在本文所介紹的刀桿上設(shè)計(jì)了前角架和傾角架，使得前角和刃傾角連續(xù)可調(diào)，見(jiàn)圖3。前角架和傾角架可繞相互垂直的空間軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，
  2. 軸線在刀尖處相交，以使前角和刃傾角的調(diào)整不影響刀尖高度。為了將刀桿的受力變形減到最小，刀桿采用了緊湊的結(jié)構(gòu)以提高剛性。

(a)滾動(dòng)軸承刀桿側(cè)視圖
(b)滑動(dòng)軸承刀桿側(cè)視圖
(c)刀桿正視圖
1.鎖緊螺母 2.軸承內(nèi)環(huán) 3.軸承外環(huán) 4.滾動(dòng)體 5.Ø12.7～Ø23刀片 6.壓板 7.前角架 8.刀軸 9.彈簧卡頭 10.Ø9.5刀片 11.刀桿 12.傾角架
圖3 使用CBN刀片的雙向傾斜滾切車刀


圖4 表面波紋度檢測(cè)裝置

2 實(shí)驗(yàn)條件

車削實(shí)驗(yàn)在C620-1型車床上進(jìn)行，全部實(shí)驗(yàn)為干切削，具體實(shí)驗(yàn)條件如下：
  1. 刀具及工件材料 刀具材料是BZN-6000CBN 圓刀片，直徑分別為Ø9.5，Ø12.7，Ø23。工件材料為55鋼(GB699-88)，淬火硬度為HRC50～55。試件中心鉆有50mm直徑的通孔，以提高淬透性，在整個(gè)截面上獲得均勻的硬度。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
  2. 波紋度測(cè)量裝置 表面波紋度定義為一種表面紋理，其上疊加有表面粗糙度輪廓。但標(biāo)準(zhǔn)中并未提供波紋度的測(cè)量方法。本項(xiàng)目中采用了千分表進(jìn)行測(cè)量。千分表固定在刀臺(tái)上，見(jiàn)圖4，并沿工件表面移動(dòng)，5mm采樣長(zhǎng)度內(nèi)的峰谷值作為波紋度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量減小隨機(jī)誤差，以重復(fù)測(cè)量的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
  3. 切削參數(shù) 在改變前角、刃傾角、切削速度、進(jìn)給量的四因素實(shí)驗(yàn)中使用了裝有Ø12.7刀片的SPRT，參數(shù)范圍為：前角d=-10°， -17°， -30°;刃傾角e=-10°，-14°， -20°， -28°， -40°;切削速度v=100， 137， 187， 256， 350m/min;進(jìn)給量f=0.1，0.14， 0.2， 0.28， 0.4mm/r。切削深度為0.05mm，保持不變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用多元回歸的方法進(jìn)行處理，回歸曲線見(jiàn)圖5。研究中還針對(duì)刀片直徑9.5，12.7， 23mm，刃傾角的正負(fù)，滾動(dòng)、滑動(dòng)軸承的不同進(jìn)行了波紋度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

(a)滾動(dòng)軸承刀桿側(cè)視圖
(b)滑動(dòng)軸承刀桿側(cè)視圖
圖5 刀具角度和切削用量對(duì)波紋度影響

(a)滾動(dòng)軸承刀桿，Ø23刀片
(b)滾動(dòng)軸承刀桿，Ø12.7刀片
(c)滑動(dòng)軸承刀桿，Ø9.5刀片
圖6 刃傾角方向和軸承結(jié)構(gòu)對(duì)波紋度影響

3 分析討論

由圖5(a)可見(jiàn)，較大的負(fù)前角使波紋度增大。一般而言，負(fù)前角增大使得切削力增大，而增大的切削力。尤其是徑向力，容易造成振動(dòng)，從而產(chǎn)生波紋。減小負(fù)前角，切削力隨之減小。但對(duì)于無(wú)后角的刀片，此時(shí)后角也同時(shí)減小。后角過(guò)小時(shí)會(huì)加劇后刀面與加工表面回彈層之間的摩擦，反而使切削力增大。因此只有選用適當(dāng)?shù)那敖遣拍墚a(chǎn)生較低的波紋。進(jìn)給量越大，波紋度越大。
切削速度和刃傾角對(duì)波紋度的影響見(jiàn)圖5(b)。滾切速度、切削速度和刃傾角之間的關(guān)系可由下式表示(參見(jiàn)圖1) vt=vsine(1)
所以提高切削速度或增大刃傾角都會(huì)使?jié)L切速度增大。滾切速度的增大使得離心力增大，降低了切削過(guò)程的平穩(wěn)性，波紋度隨之變差。但由圖5(b)可見(jiàn)，同時(shí)減小切削速度和刃傾角同樣不能改善表面質(zhì)量。理論上講，無(wú)論v和e多么小都會(huì)驅(qū)動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)(見(jiàn)式1)，但實(shí)際情況并非如此，由于軸承中存在摩擦，所以當(dāng)切削速度和刃傾角都比較小時(shí)，刀片很難產(chǎn)生連續(xù)的滾切運(yùn)動(dòng)。所以只有選用適當(dāng)?shù)那邢魉俣群腿袃A角，才能使刀片均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生均勻的加工表面。
由于切削參數(shù)對(duì)波紋度的影響趨勢(shì)比較復(fù)雜，研究中采用了數(shù)學(xué)優(yōu)化來(lái)尋找最佳切削條件。優(yōu)化中使用的數(shù)學(xué)模型即為回歸分析所得的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)優(yōu)化計(jì)算，對(duì)于使用滾動(dòng)軸承和Ø12.7刀片的SPRT，當(dāng)d=-12°， e= -13°， v=256m/min， f=0.14 mm/r時(shí)得到的波紋度最小。
實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在同樣的切削條件下，當(dāng)將刀軸固定使刀片停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，就可以大大減小甚至完全消除振動(dòng)，從而使波紋度降低至2～3µm。這進(jìn)一步證明，振動(dòng)和波紋都與刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。由于刀軸的偏心和軸承間隙，會(huì)使得切削深度變化，造成切削力波動(dòng)，從而產(chǎn)生了振動(dòng)。根據(jù)星鐵太郎的論述，當(dāng)振動(dòng)是由外部的周期位移干擾所激發(fā)，并以自激振動(dòng)的形式持續(xù)進(jìn)行時(shí)，這種振動(dòng)中含有強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，稱為混合型顫振。一般情況下，振動(dòng)所產(chǎn)生的加工波紋往往形成左旋、右旋或直紋的形式。但SPRT所產(chǎn)生的波紋有時(shí)呈隨機(jī)分布。此時(shí)切削過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，在刀具和工件上感覺(jué)不到明顯的振動(dòng)。這似乎表明，僅僅有周期位移干擾并不足以造成振動(dòng)，如果其它一些參數(shù)，例如受力大小、干擾頻率、系統(tǒng)剛性、阻尼特性、固有頻率等不滿足一定條件，振動(dòng)便不會(huì)持續(xù)下去。此時(shí)的加工波紋僅僅是由于刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)偏心引起。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，此時(shí)波紋度較低，能達(dá)到3µm。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
本文中使用的滾切刀桿在結(jié)構(gòu)和精度上尚不十分理想，若經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善，有可能獲得更好的加工質(zhì)量。為便于今后改進(jìn)刀具的設(shè)計(jì)，針對(duì)刀片直徑、刃傾角方向、軸承結(jié)構(gòu)等因素對(duì)表面波紋度的影響進(jìn)行了研究。在大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用直方圖圖6表達(dá)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中橫軸表示波紋度值，縱軸表示觀測(cè)頻數(shù)。
由圖6可見(jiàn)，刀片直徑越小，所產(chǎn)生的波紋度越低。這是由于隨著刀片直徑的增大，平均主偏角減小，這將改變切削力的大小和方向，使得徑向力(Fy)增大。這一分析在測(cè)力實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，裝有Ø3mm刀片的刀具所產(chǎn)生的切削力是裝Ø12.7mm刀片的刀具的3倍。影響波紋度的另一個(gè)主要因素是軸承結(jié)構(gòu)?；瑒?dòng)軸承刀具加工出的表面質(zhì)量高于滾動(dòng)軸承刀具。原因可能是滑動(dòng)軸承的阻尼特性優(yōu)于滾動(dòng)軸承；同時(shí)滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生誤差的因素較少。從圖6中還可看到，對(duì)于具有滑動(dòng)軸承的刀具來(lái)說(shuō)，軸承間隙越小，加工質(zhì)量越好。
因此可以認(rèn)為，裝有小直徑刀片、小間隙滑動(dòng)軸承的SPRT，更容易產(chǎn)生較好的加工質(zhì)量。

4 結(jié) 論

  1. 所研制的CBN-SPRT采用了彈性卡頭周邊裝卡的方式。為避免刀具工件干涉并驅(qū)動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，采用了可調(diào)的前角和刃傾角。
  2. 表面波紋度主要由刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)偏心和振動(dòng)造成，振動(dòng)由強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)組成。
  3. 過(guò)大或過(guò)小的前角都會(huì)加劇振動(dòng)、加大波紋度。滾切轉(zhuǎn)速過(guò)高過(guò)低也會(huì)使切削過(guò)程穩(wěn)定性降低，加大波紋。對(duì)于裝有滾動(dòng)軸承和Ø12.7刀片的SPRT，當(dāng)d=-12°，e=-13°， v=256m/min， f=0.14mm/r時(shí)得到的波紋度最小。
  4. 裝有小直徑刀片、小間隙滑動(dòng)軸承的SPRT，更容易產(chǎn)生較好的加工質(zhì)量。