硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)刀具設(shè)計及工藝優(yōu)化

葛占福，張軍元

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

硬質(zhì)合金打造的刀具具有穩(wěn)固、高效、高耐用性等突出優(yōu)點，是現(xiàn)代化科學(xué)自動設(shè)備加工生產(chǎn)線中至關(guān)重要的產(chǎn)品，它能夠提高生產(chǎn)線的加工效率及提高生產(chǎn)線運行的安全性[1]。各工廠引進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備中，經(jīng)常會見到這種刀具。這種刀具的設(shè)計工藝和常規(guī)高速鋼刀具之間的差別比較大，國內(nèi)使用范圍較小，生產(chǎn)廠家也比較少。很多廠家只會偶爾或定期進(jìn)口這種刀具。最近幾年，國內(nèi)一部分工廠承制了多種刀具，并自行設(shè)計，借以改造我們的生產(chǎn)流水線，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，且獲得了較高的利潤上升空間。根據(jù)我們的實踐經(jīng)驗，用現(xiàn)有的常規(guī)刀具生產(chǎn)設(shè)備，依然可以加工出較為復(fù)雜的硬質(zhì)合金刀具，比如自動切菜機(jī)刀具。

1 硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)刀具設(shè)計

1.1 刀具幾何參數(shù)的確定

硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)刀具設(shè)計參數(shù)的合理選擇是受到機(jī)床加工、部件、材料、冷卻、粗精加工等各種因素的影響[2]。在普通狀況下，刀具的設(shè)計一般會優(yōu)先考慮影響最直接、最大的因素，以及被加工部件材料的影響。在其他加工條件一樣的前提下，只有被加工部件材料發(fā)生變化，在這種假設(shè)下進(jìn)行刀具幾何參數(shù)的設(shè)計才是科學(xué)有效的。硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)加工時其刀具的選擇，在材料特征上具體表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度比較低，導(dǎo)熱性好，含一定比例的硅元素，具備硬點。在刀具受力特征上具體表現(xiàn)為阻力較小，切削溫升高，具備硬質(zhì)點，容易積屑，不會發(fā)生斷屑。刀具幾何參數(shù)選擇的特點是刀尖圓弧比較大，主偏角一般取最大值，切削刃長度較長，進(jìn)刀次數(shù)適當(dāng)減少。另外有必要選取較大前角，使刀具切削速度加快，并降低切屑發(fā)生變形的可能性，且前刀面需要保持一定的光潔度，盡量減少摩擦，控制切削溫始終處于勻速升溫狀態(tài)；同時取較大后角，避免材料因為升溫回彈導(dǎo)致后刀面摩擦嚴(yán)重。

1.2 收納箱設(shè)計方案

市場上現(xiàn)行發(fā)售的切菜機(jī)絕大多數(shù)都是機(jī)身和菜品收集部分分離處理的[3]，在使用時需要一個比機(jī)身更大的容納空間，為了解決這一問題，本文設(shè)計的切菜機(jī)設(shè)計了雙斗式收納箱，其結(jié)構(gòu)包括：收納斗移動軌道，便于支撐、引導(dǎo)收納箱發(fā)生位移；收納斗，主要作用是收集菜品；箱體，為了保護(hù)機(jī)體內(nèi)部零部件；觀察孔，便于觀察機(jī)體內(nèi)部菜品的收集情況。

1.3 刀具內(nèi)圓角和空刀及錯齒設(shè)計

很多零部件的孔口會有倒角或倒棱的存在，成形刀對應(yīng)部位為內(nèi)圓角或內(nèi)倒棱。內(nèi)倒棱很難進(jìn)行加工，應(yīng)該選擇以內(nèi)圓角來代替。通常情況下，用金剛石砂輪進(jìn)行磨削架空只可以控制大小在0.5mm左右，更小的圓角必須技藝高超或擁有多年經(jīng)驗技工者才可以做好。空刀(砂輪越程槽)及錯齒的設(shè)計上，早期因為制造工藝比較落后，刀具空刀和錯齒設(shè)計曾一度被廣泛應(yīng)用，其弊端就是被用工件孔口出現(xiàn)倒棱的概率基本為零，而多數(shù)零部件希望孔口不要太多鋒利。另外，窄而深的空刃很容易在作業(yè)的時候因卡住切屑而損壞部件，而空刀的尖棱邊棱如果不進(jìn)行倒圓加工，也會劃傷零部件，所以刀具空刀必須設(shè)計為淺而寬。

1.4 刀具模型的三維實現(xiàn)

建模的第一步就是了解并掌握刀具的設(shè)計特征，為了滿足應(yīng)用需求，根據(jù)零件加工的標(biāo)準(zhǔn)即切削目標(biāo)，去選擇刀具的類型及其有關(guān)特征，熟知哪些尺寸是關(guān)鍵的、必須的；之后在此基礎(chǔ)上，再對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)選，進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的檢驗和刪改；最后就是聯(lián)系有關(guān)經(jīng)驗或者試用結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案。

一般狹義上的刀具設(shè)計建模指的是在刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)已確定的基礎(chǔ)上，通過三維立體軟件將其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述和表達(dá)即可。

2 硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)刀具的工藝優(yōu)化

2.1 螺旋角的優(yōu)化

螺旋角能夠加大刀具實際切削過程中的前角，讓刀具變得更為鋒利。正是因為螺旋角的存在，使實際加工過程中參與切削過程的切削刃長度得到增大，一定程度上提高了刀具切削的平穩(wěn)性，降低了作業(yè)振動頻率。螺旋角的屬性具體包括角度的大小以及旋轉(zhuǎn)的方向。螺旋角的旋轉(zhuǎn)方向包括左旋和右旋。目前普遍采用右旋的方式。右旋刀具的切屑主要是從切削刃上方旋轉(zhuǎn)，這種刀具面向的加工對象比較廣泛，能夠廣泛應(yīng)用在側(cè)銑、槽洗以及平面銑等。左旋刀具的應(yīng)用范圍較為狹窄，加工時切屑從切削刃的下方旋轉(zhuǎn)，不利于切削的速度和熱量的散出，所以只適用于特殊狀況下的側(cè)統(tǒng)。在保證其他參數(shù)不變的狀況下，刀具的螺旋角越小，其強(qiáng)度就越大，刀具能夠承受的荷載力和機(jī)械沖擊就越大。但小螺旋角實際上降低了刀具的鋒利度，同等加工環(huán)境下其切削力反而更大。反之，隨著刀具螺旋角的加大，切削力出現(xiàn)遞減的趨勢，可刀具的強(qiáng)度卻得到了增強(qiáng)。所以，切菜機(jī)對于特定的加工對象，其螺旋角的選擇需要有一個合適的應(yīng)用范圍，如此才可以延長其使用壽命，提高其性價比。

2.2 齒數(shù)的優(yōu)化

整體立統(tǒng)刀的齒數(shù)一般條件下會選擇2齒、3齒、4齒以及6齒。在同等直徑下，齒數(shù)越多，刀具的內(nèi)部直徑就越大，刀體切削力也隨之加強(qiáng)（見圖1），可同時容屑槽的空間反而會減小，排屑出現(xiàn)困難。所以對待向切菜機(jī)這種半精加工、精加工的刀具需要選擇多齒整體立銑刀。

圖1 切削力遂齒數(shù)變化圖

3 結(jié)論

本文對硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)刀具設(shè)計及工藝優(yōu)化進(jìn)行分析，依托硬質(zhì)合金的物理屬性，根據(jù)自動切菜機(jī)刀具的現(xiàn)實需要，對其設(shè)計工藝進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)本文研究。希望本文的研究能夠為硬質(zhì)合金自動切菜機(jī)刀具的設(shè)計和工藝優(yōu)化方法提供理論上的依據(jù)。