高速磁懸浮列車(chē)搖枕加工用成型銑刀的設(shè)計(jì)

摘 要：高速磁懸浮列車(chē)搖枕有一處成型面的加工，因其加工部位深度大且型面復(fù)雜，采用傳統(tǒng)銑削方法難以保證其型面尺寸精度和效率。如何克服該問(wèn)題，一直是所要攻關(guān)的技術(shù)難題。根據(jù)成型車(chē)刀的切削原理，探討一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、精度高、可加工深腔內(nèi)部成型面的成型銑削刀具，可應(yīng)用于高速磁懸浮列車(chē)搖枕深腔內(nèi)部成型面的加工。

關(guān)鍵詞：磁懸浮 搖枕 大懸深 單齒 成型銑刀

中圖分類(lèi)號(hào)：TG714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）011-112-02

磁懸浮列車(chē)搖枕的孔外緣部位，如圖1所示。

其截面形狀復(fù)雜且深度大，傳統(tǒng)方法依靠對(duì)刀樣板手工磨制成型刀片切削刃，難以保證切削刃的尺寸精度，而三維加工又效率低下。為了實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的型面加工，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種大懸深單齒成型銑刀，根據(jù)成型車(chē)刀的切削原理，將車(chē)削過(guò)程中的主、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)互換，應(yīng)用于數(shù)控銑床，其經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算后的刃型能夠在滿(mǎn)足加工精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)沿任意二維曲線(xiàn)上的成型面的加工。

1 成型銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本銑刀采用單齒銑削設(shè)計(jì)，切削穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。刀片結(jié)構(gòu)如圖3所示，該設(shè)計(jì)允許大于零度的前角，切削輕快，切削力小，保證大懸深切削過(guò)程中刀桿變形小、加工精度高。刀片設(shè)計(jì)含有主切削刃后角和端部切削刃后角。刀片設(shè)計(jì)含有鎖緊螺釘避讓結(jié)構(gòu)，可加工盲腔底部平面，避免因腔體底部不平從而銑刀端部無(wú)法切削而導(dǎo)致擠壓工件表面或碰觸鎖緊螺釘所引發(fā)的事故。刀片與刀桿設(shè)計(jì)含有定位結(jié)構(gòu)，避免切削過(guò)程中切削力導(dǎo)致的刀片微小竄動(dòng)而影響被加工型面的尺寸與形狀精度。為方便加工制造，刀桿采用削平柄連接刀柄。

2 刀桿與成型刀塊的選擇

考慮到加工部位為深腔，需要采用大懸深的刀桿設(shè)計(jì)，為了避免加長(zhǎng)刀桿后所帶來(lái)的切削系統(tǒng)震動(dòng)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)增加刀桿直徑。但由于銑削空間的限制，最終我們將刀桿的徑長(zhǎng)比選定在5：1左右。材質(zhì)選用40Cr并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理工藝來(lái)提高刀桿剛性，經(jīng)過(guò)外圓磨削工藝來(lái)提高動(dòng)平衡度。

考慮到被加工工件材質(zhì)為鑄鋁，成型刀塊可以選擇高速鋼車(chē)刀塊經(jīng)線(xiàn)切割工藝制造。與硬質(zhì)合金刀塊相比較，即可降低刀塊成本，又獲得了較高的材料韌性，更適合于承受單齒切削時(shí)對(duì)刀片所造成的斷續(xù)沖擊力。

3 切削角度與最大切削回轉(zhuǎn)半徑的選擇

前角根據(jù)前角選擇的一般規(guī)律即根據(jù)工件材料來(lái)選。經(jīng)查刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)參照成型車(chē)刀的前角選擇，查表為20€??？

后角主要根據(jù)切削厚度來(lái)選，由于成型刀塊的切削厚度較薄，合理的后角應(yīng)當(dāng)選得大些，但同時(shí)也要考慮刀具的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。經(jīng)查刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)參照成型車(chē)刀的后角選擇，在保證切削刃強(qiáng)度的同時(shí)，后角選擇在30€白笥沂保邢髯刺銜榷ǎ陡蘇鴝閑 ？

考慮到切削系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，最大切削回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)盡可能的小，以降低刀桿所承受的彎曲應(yīng)力和提高刀具旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡度，但同時(shí)也要考慮刀具結(jié)構(gòu)。當(dāng)加工部位的截面已知時(shí)，最大切削回轉(zhuǎn)半徑與最小切削回轉(zhuǎn)半徑的差值即為已知，而最小切削回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)大于刀桿半徑。實(shí)際應(yīng)用中，我們使最小切削回轉(zhuǎn)半徑大于刀桿半徑10mm，用來(lái)構(gòu)造一個(gè)圓弧過(guò)渡增加刀塊強(qiáng)度，來(lái)獲得足夠的鎖緊螺釘避讓距離，見(jiàn)圖3，從而使刀具能夠接觸到工件底面，進(jìn)行類(lèi)似于盲孔鏜削的銑削加工。

4 帶正前角的切削刃形曲線(xiàn)方程的計(jì)算

因成型刀塊被設(shè)計(jì)為正前角（ >0），刀具前刀面不通過(guò)工件軸線(xiàn)，故實(shí)際上，在前刀面所在平面上，切削刃的曲線(xiàn)形狀，并不是工件的截面曲線(xiàn)形狀，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。

針對(duì)切削刃在線(xiàn)切割機(jī)床上加工的曲線(xiàn)計(jì)算方法進(jìn)行說(shuō)明，設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，詳細(xì)步驟如下：

定義： -刀具前角； -刀具后角；R2-切削刃繞主軸旋轉(zhuǎn)所成的最大回轉(zhuǎn)半徑；1-切削刃；2-前刀面。

步驟一：求取制件截面繞Z軸旋轉(zhuǎn)所成的回轉(zhuǎn)曲面。

已知制件截面在xoz平面上曲線(xiàn)為f（x）=z；

其繞Z軸旋轉(zhuǎn)在xyz空間坐標(biāo)系中所成空間曲面方程為：

步驟二：求取前刀面與回轉(zhuǎn)曲面相交所成的空間曲線(xiàn)。

在空間坐標(biāo)系xyz中前刀面所在平面的平面方程為：

故空間曲線(xiàn)方程為：

步驟三：坐標(biāo)系平移。

將原坐標(biāo)系xyz沿-x方向移動(dòng)至O'點(diǎn)，曲線(xiàn)方程式為：

步驟四：坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)。

將平移后的坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度 （后角），建立新的坐標(biāo)系x'y'z'。

則在x'y'z'中的曲線(xiàn)方程式為：

步驟五：將x'y'z'中的空間曲線(xiàn)向x'o'z'平面投影。

將步驟四中的曲線(xiàn)方程中的變量y消去即得在x'o'z'平面上的投影曲線(xiàn)：

5 刀片厚度的選用與干涉檢驗(yàn)：

刀片厚度主要與工件材料、切削深度和進(jìn)給量有關(guān)。當(dāng)切削力大時(shí)，為了保證刀片的強(qiáng)度，厚度應(yīng)選得大些。但過(guò)厚的刀片會(huì)導(dǎo)致加工干涉，造成廢品，因此需要對(duì)刀片厚度進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。

由圖4可以看出，當(dāng)后角 選定后，增加刀片厚度S，刀片將與回轉(zhuǎn)圓相交于點(diǎn)P，因此，點(diǎn)P即為刀具與工件的干涉臨界點(diǎn)。計(jì)算臨界厚度S’時(shí)，回轉(zhuǎn)圓的半徑R’應(yīng)等于最小切削回轉(zhuǎn)半徑，大于此臨界厚度即為發(fā)生干涉。計(jì)算公式為：

此結(jié)論在此不做詳細(xì)證明。

6 刀片刃形的制造工藝

采用線(xiàn)切割加工刀塊刃型，首先在刀塊上加工出前角 ，然后將前刀面向上擺放，并與水平面傾斜角度 ，按照計(jì)算出的切削刃曲線(xiàn)方程，經(jīng)過(guò)一次線(xiàn)切割即可加工出刃形與后角 。

7 結(jié)束語(yǔ)

該單齒成型銑刀現(xiàn)已成功應(yīng)用于高速磁懸浮列車(chē)搖枕的成型面加工。并以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、成本低廉、精度高的突出優(yōu)點(diǎn)，提高了我公司產(chǎn)品加工的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐵道部長(zhǎng)春客車(chē)工廠(chǎng).鐵道客車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].吉林：鐵道部長(zhǎng)春客車(chē)工廠(chǎng)，1989.

[2] 李儒荀.刀具設(shè)計(jì)原理與計(jì)算[M].江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[3] 范忠仁，陳世忠.刀具工程師手冊(cè)[M].黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[4] 同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 華南工學(xué)院，甘肅工業(yè)大學(xué).金屬切削原理及刀具設(shè)計(jì)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.