雙螺桿泵螺桿成形銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 建，董黎敏，楊妙妙，史津平，郭津津

(天津理工大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津市300384)

0 前言

可轉(zhuǎn)位成形銑刀主要是由刀體、刀片、定位元件及夾緊元件組成，各個零件缺一不可，各自發(fā)揮著不同的作用。刀體參數(shù)、刀片槽設(shè)計以及容屑槽的確定都是可轉(zhuǎn)位成形銑刀設(shè)計的重要組成部分。其中，刀體和刀片槽的設(shè)計尤為關(guān)鍵，刀體參數(shù)影響刀體的強度，刀片槽的尺寸和角度影響刀片的裝配，進而影響刀片的切削角度和參數(shù)，容屑槽的合理確定有利于切屑的冷卻和排出［1］，本文提出了一種可轉(zhuǎn)位成形銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，用以設(shè)計雙螺桿泵螺桿成形銑刀。

1 可轉(zhuǎn)位成形銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

1.1 刀片的定位方式

可轉(zhuǎn)位成形銑刀刀片的定位是由刀片在刀體上的位置確定的，常用的定位方式主要有三點定位、面定位和點面定位，三種定位方式各有優(yōu)缺點。面定位的定位接觸面積最大，載荷分布也比較分散，定位精度能夠保持較長的時間，但其缺點也很明顯，刀片與刀片槽在制造中產(chǎn)生的誤差對刀片定位精度影響較大。該雙螺桿泵螺桿成形銑刀主要用于粗加工，對定位精度要求不高，因此選擇面定位方式，刀片形狀選擇正方形和菱形，定位方式如圖1所示。

圖1 刀片定位方式Fig.1 Location mode of cutter blade

1.2 刀片的夾緊形式

刀片的夾緊形式受很多因素的影響，如刀片形狀、刀具尺寸等，在夾緊刀片時須滿足以下要求:

(1)刀片在定位時必須符合切削力的定位夾緊原理;

(2)刀片的定位必須滿足三點定位原理;

(3)切削力和裝夾力的合力在定位基面上產(chǎn)生的摩擦力大于切削振動等外力引起的使刀片脫離定位基面的交變力。

刀片的夾緊形式包括圓柱孔夾緊、頂面夾緊、圓柱孔和頂面同時夾緊以及沉孔夾緊等。沉孔夾緊方式結(jié)構(gòu)比較簡單并且能保證切屑的通暢排出，本文采用沉孔夾緊方式，如圖2所示。

圖2 刀片夾緊形式Fig.2 Clamping mode of cutter blade

1.3 可轉(zhuǎn)位成形銑刀求解流程(圖3)

圖3 流程圖Fig.3 Flow chart

2 可轉(zhuǎn)位成形銑刀刀體及刀槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 刀體設(shè)計

可轉(zhuǎn)位成形銑刀的刀體設(shè)計在整個刀具設(shè)計中至關(guān)重要，根據(jù)已知的銑刀軸截面廓形(圖4)，將廓形數(shù)據(jù)點導(dǎo)入三維建模軟件Pro/E，用樣條曲線將數(shù)據(jù)點依次連接，為了以后鑲嵌硬質(zhì)合金刀片，需要讓出部分切削空間，此處樣條曲線縮進0.8 mm，最后沿中心線進行旋轉(zhuǎn)，完成銑刀刀體的設(shè)計。后續(xù)還要在刀體上加工刀片槽、鍵槽、中心孔、容削槽及螺釘孔，其位置精度及公差都會影響到所加工螺桿的精度。

圖4 銑刀廓形Fig.4 Milling cutter profile

2.2 刀片槽設(shè)計

刀片槽設(shè)計是整個可轉(zhuǎn)位成形銑刀設(shè)計的關(guān)鍵，在進行刀片槽設(shè)計之前，需要先對銑刀廓形進行廓形擬合，由于刃傾角λs的存在不能直接按照刀片的實際長度來擬合銑刀廓形，而是以刀片的刀刃投影到基面后的擬合長度L作為刀刃長度

式中，L1為刀片實際長度。

銑刀廓形擬合過程:首先確定中間刀片的位置，兩側(cè)擬合刀片以中間刀片作為基準，以一定的重疊量及擬合刀片長度逐次排開來，根據(jù)擬合刀片長度和重疊量截銑刀理論廓形，設(shè)刀刃與所截廓形弧之間的最大距離為d，如果d在要求的誤差之內(nèi)，則所選刀片符合要求，否則，用等長的圓弧型刀片擬合相應(yīng)的廓形。刀片選型參考中國哈量集團提供的精密刀柄可轉(zhuǎn)位刀具(2013)［2］，正方形刀片型號為 SNC55，如圖 5所示，B=15.9 mm，L=15.9 mm，H=7.9 mm;平行四邊形刀片型號CNE44，如圖6所示，B=12.7 mm，L=12.7 mm，H=6.4 mm。最后利用Matlab軟件進行編程得到每個刀片的廓形擬合坐標基點，在擬合編程的過程中，如果擬合得到的廓形不符合設(shè)計要求，可以適當?shù)男薷牡镀c刀片之間的重疊量，對刀片位置進行適當調(diào)整，最后得到符合要求的擬合結(jié)果，擬合后的銑刀廓形擬合圖如圖7所示，一組刀片共20片，頂端采用正方形刀片，側(cè)面采用菱形刀片。

圖5 SNC55Fig.5 SNC55

圖6 CNE44Fig.6 CNE44

圖7 銑刀擬合廓形Fig.7 Fitting profile of milling cutter

2.2.1 建立坐標系

根據(jù)刀片槽與刀片間的位置關(guān)系，將刀片槽的位置計算轉(zhuǎn)化成刀片在刀體上的位置計算。刀片坐標系轉(zhuǎn)化為刀體坐標系比較復(fù)雜，可以理解為四次空間旋轉(zhuǎn)和一次平移，前三次旋轉(zhuǎn)是繞刀片參考坐標系實現(xiàn)的，第一次繞y1軸旋轉(zhuǎn)φy1，第二次繞x1軸旋轉(zhuǎn)φx1，第三次繞z1軸旋轉(zhuǎn)φz1，最終形成了可轉(zhuǎn)位刀具的切削角度:前角γ0，主偏角 K，刃傾角 λs。根據(jù)刀具常用取值范圍［3］，采用 γo= －7°的安裝前角，αo=7°的工作后角，出于刀刃的強度以及切入切出平穩(wěn)性的考慮，選擇λs=－5°的刃傾角。刀片和刀體坐標系如圖8所示，刀片繞刀片坐標系進行3次旋轉(zhuǎn)如圖9所示，刀片在刀體中平移并進行第四次旋轉(zhuǎn)如圖10所示，最后以刀片前刀面作為基準向刀體內(nèi)拉伸一個刀片厚度形成刀片槽底面。

圖8 刀片和刀體坐標系Fig.8 Coordinate system of cutter blade and cutter

圖9 刀片繞刀片坐標系進行旋轉(zhuǎn)Fig.9 Cutter blade rotate around its coordinate system

圖10 刀片繞刀體坐標系進行平移和旋轉(zhuǎn)Fig.10 Translation and rotation of cutter blade around its coordinate system

2.2.2 刀片定位計算

最后每個刀片繞刀體坐標系旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度就可以最終確定每個刀片前刀面空間坐標:

式中，θi為各刀片繞z軸旋轉(zhuǎn)的角度。

2.3 容屑槽和螺釘孔的設(shè)計

刀片槽的設(shè)計完成以后，需要對容削槽和螺釘孔進行設(shè)計。刀具切削工件時必須保證有足夠的空間來排出切屑，并使切屑易于卷曲排出。該容屑槽通過拉伸切除得到一個方形槽，再對其底部進行倒圓角，對其側(cè)面進行拔模，以保證槽體的光滑，易于切屑的排出，容屑槽與螺釘孔設(shè)計如圖11所示。

圖11 容屑槽和螺釘孔Fig.11 Chip pocket and screw hole

3 PRO/E三維實體建模

最后利用三維設(shè)計軟件PRO/E 5.0建立的可轉(zhuǎn)位成形銑刀刀體如圖12所示，刀槽如圖13所示，裝配圖如圖14所示。

圖12 刀體Fig.12 Milling cutter body

圖13 刀槽Fig.13 Milling cutter groove

圖14 可轉(zhuǎn)位成形銑刀裝配圖Fig.14 Assembly drawing of indexable milling cutter

4 結(jié)論

本文根據(jù)已知的銑刀軸截面廓形，通過銑刀軸截面廓形擬合求出銑刀廓形擬合坐標基點，通過坐標系間的相對旋轉(zhuǎn)角度與銑刀切削角度的關(guān)系方程，計算出刀片槽的位置坐標，最后完成銑刀的整體裝配。該雙螺桿泵螺桿成形銑刀的成功設(shè)計，為以后可轉(zhuǎn)位成形銑刀的有限元分析提供了模型基礎(chǔ)，對實際設(shè)計具有指導(dǎo)作用。

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