螺旋槽加工用成型刀具的綠色設(shè)計(jì)制造方法

周永情，李菊麗，郭朋彥

1河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；3華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院

1 引言

螺旋槽加工用成型刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)比較困難，需采用四軸以上數(shù)控設(shè)備進(jìn)行試切加工，導(dǎo)致加工成本高，效率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重[1-3]。為了提高設(shè)計(jì)效率，降低加工成本，減少資源浪費(fèi)，提出了一種綠色設(shè)計(jì)制造螺旋槽加工用成型刀具的方法。即采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，利用螺旋槽加工過程中螺旋槽接觸點(diǎn)的公法線與成型刀具回轉(zhuǎn)面相交，計(jì)算求出成型刀具齒形[4-6]，在此基礎(chǔ)上采用可轉(zhuǎn)位式盤形成型銑刀結(jié)構(gòu)，根據(jù)齒形特點(diǎn)用直線擬合成型刀具齒形，即銑刀選用常規(guī)的方形硬質(zhì)合金刀片，用刀片刃線作為直線去嚙合齒形。在AutoCAD軟件中采用圖解法確定刀片在刀體上的安裝位置，在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)出刀體模型，利用SLM金屬3D打印技術(shù)打印出成型銑刀刀體，并安裝常規(guī)的方形硬質(zhì)合金刀片，制造出可轉(zhuǎn)位式成型銑刀。本文以KA16C型壓縮機(jī)陽螺桿加工刀具為例，介紹整個(gè)設(shè)計(jì)加工過程。

2 螺旋槽加工用成型刀具齒形計(jì)算

KA16C型壓縮機(jī)陽螺桿端面由五條曲線組成(見圖1):三條擺線線段，兩條圓弧線段。具體步驟:螺旋槽接觸點(diǎn)的公法線與成型刀具回轉(zhuǎn)面相交→求出接觸方程→求出接觸點(diǎn)參數(shù)→代入螺旋面方程→求出接觸點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y，Z)→安裝角ψ→轉(zhuǎn)換到成型銑刀坐標(biāo)系得到(Xu，Yu，Zu)→利用半徑公式獲得銑刀齒形的坐標(biāo)[7，8]。

擺線fg的接觸方程為

圖1 陽螺桿端面

圓弧段gh的接觸方程為

-R1sinρ[Acd+Pcotψ-R2cosθ-r1cos(ρ-θ)]
-p2θcos(ρ-θ)+pAdcotψsin(ρ-θ)=0

擺線hi的接觸方程為

擺線ij的接觸方程為

圓弧jf的接觸方程為

pθsin(ρ+θ)-Acotψcos(ρ+θ)=0

式中，R1=D1/2，D1為陽螺桿節(jié)圓直徑；R2=D2/2，D2為陰螺桿節(jié)圓直徑；ρ1為f點(diǎn)與原點(diǎn)連線與X軸的夾角；ρ3為i點(diǎn)與原點(diǎn)連線與X軸的夾角；A為陰陽螺桿相互嚙合時(shí)的中心距；ψ為加工螺桿時(shí)刀具的安裝角；p為螺桿螺旋參數(shù)。

圖2 刀具齒形坐標(biāo)

圖3 刀具齒形

3 螺旋槽加工用成型刀具設(shè)計(jì)及3D打印

采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好的可轉(zhuǎn)位盤形銑刀結(jié)構(gòu)對螺旋槽進(jìn)行加工。銑刀由刀片和刀體兩部分組成，刀片選用圓形或方形刀片，并盡可能均勻分布在刀體四周，以減少剪切作用對刀體強(qiáng)度的影響，可轉(zhuǎn)位式刀片在一邊磨損后可轉(zhuǎn)位到另一邊繼續(xù)使用。用刀片的刃線擬合齒形輪廓，需考慮擬合的誤差，誤差不能過大，以免引起過切。

3.1 刀片選擇

觀察銑刀的齒形線(見圖3)可以看出，若采用圓形刀片，其頂部兩拐角處的擬合誤差相對較大；若采用多邊形刀片，刀槽的設(shè)計(jì)和加工難度將提高很多，故采用有四個(gè)可更換刀刃、可以多次裝夾的正方硬質(zhì)合金刀片。由于要求夾緊刀片結(jié)構(gòu)盡可能簡單，不影響刀體，如偏心夾固式、上壓式和楔塊式都會對刀體強(qiáng)度影響很大，使銑刀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此決定采用編號為SCMW09T34的沉孔硬質(zhì)合金方形刀片，并直接用螺釘夾緊。

3.2 廓形擬合

螺旋槽成型刀具的齒形是一條不規(guī)則的曲線段，方形硬質(zhì)合金刀片的刃線是直線段，擬合過程是用直線擬合不規(guī)則曲線段，考慮直線擬合誤差，把距精銑刀輪廓形線0.2mm的等距線作為轉(zhuǎn)子標(biāo)準(zhǔn)輪廓，即假設(shè)粗加工時(shí)留0.2mm的精加工余量，成型刀具的齒形線為圖4和圖5中的轉(zhuǎn)子標(biāo)準(zhǔn)輪廓；銑刀刀體的輪廓線為距轉(zhuǎn)子標(biāo)準(zhǔn)輪廓形線1.1mm的等距線。根據(jù)銑刀轉(zhuǎn)子標(biāo)準(zhǔn)輪廓形線的長度，且刀片間需要有一定的重合，因此可采用13個(gè)(見圖4)刀片或14個(gè)刀片(見圖5)擬合輪廓。

圖4 13個(gè)刀片擬合左端形線

圖5 14個(gè)刀片擬合左端形線

圖4和圖5為AutoCAD軟件中計(jì)算機(jī)圖解法繪制，可保證其精度。型線可分為三部分:左端、頂端、右端，從圖中可以看出，無論13個(gè)或14個(gè)刀片的擬合，右端的擬合誤差都比左端的誤差小，頂端至少需要2個(gè)刀片擬合頂端型線，因此在左端可以有6個(gè)或7個(gè)刀片擬合，左端擬合是控制誤差大小的關(guān)鍵。觀察兩圖可知，7個(gè)刀片的擬合誤差為0.18，6個(gè)刀片的誤差為0.28。如果采用6個(gè)刀片擬合左端形線，可以在圓周分配刀片時(shí)對稱布置，此時(shí)毛坯的余量為0.2+0.28=0.48mm，若再考慮制造精度、安裝精度以及之后使用中的磨損，6個(gè)刀片的擬合可以保證0.6～0.8mm的精銑余量要求；7個(gè)刀片的擬合雖然擬合誤差更小，但在粗銑中主要解決如何切除多余的余量，精度要求不高，6個(gè)刀片已經(jīng)能夠滿足要求，從成本、加工難度、刀體強(qiáng)度的影響考慮，決定采用左端6個(gè)刀片進(jìn)行擬合。

通過圖解法可以確定刀片中心點(diǎn)的坐標(biāo)和每個(gè)刀片的傾斜角度，具體數(shù)值見表1。

表1 刀片傾斜角度以及中心點(diǎn)的位置

3.3 螺旋槽加工用成型銑刀的三維模擬

根據(jù)已求出的刀片刃線位置，用分布在刀體圓周的13個(gè)硬質(zhì)合金刀片擬合銑刀齒形輪廓。前面有6個(gè)刀片在180°的范圍內(nèi)進(jìn)行擬合，故每兩個(gè)刀片相差30°，背面由于采用5個(gè)刀片擬合，故每兩個(gè)刀片相差36°。調(diào)整刀片的安放順序，使整體刀體強(qiáng)度影響最小。刀片分為兩組，分別在刀體的軸心對稱布置，從而完成360°范圍的整體布置。銑刀刀體三維造型見圖6。

圖6 銑刀刀體三維造型

3.4 3D打印螺旋槽加工用成型銑刀

金屬3D打印技術(shù)是近幾年比較流行的加工技術(shù)，具有加工效率高、成本低等優(yōu)勢。螺旋槽加工成型銑刀需要加工的部分為刀體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常需在多軸數(shù)控加工機(jī)床上進(jìn)行加工。多軸數(shù)控加工機(jī)床對操作人員的技術(shù)水平要求較高，零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，加工越困難，而金屬3D打印為增材加工，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不影響打印工藝，設(shè)計(jì)的螺旋槽成型銑刀主要由刀片切削，對刀體的表面精度要求不高，對強(qiáng)度要求也有所降低，因而刀體采用SLM工藝進(jìn)行打印加工[10，11]，加工步驟為:①保存設(shè)計(jì)好的刀體三維文件為.stl數(shù)據(jù)文件格式。②對三維數(shù)據(jù)文件規(guī)劃打印路徑并生成.epc文件。③因刀體為實(shí)心結(jié)構(gòu)，刀體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，對材料的要求不高，故選擇鋁合金材料。④導(dǎo)入.epc文件，設(shè)定金屬3D打印機(jī)相關(guān)參數(shù)，因?qū)Ρ砻娲植诙纫蟛桓?，打印層高設(shè)為0.04mm。⑤對打印好的刀體進(jìn)行后處理，消除表面小氣孔。打印好的刀體零件見圖7。

圖7 刀體零件實(shí)物

在刀體上安裝常規(guī)的方形硬質(zhì)合金刀片，螺旋槽加工用成型銑刀即制造完成。

4 結(jié)語

本文主要對螺旋槽加工用成型刀具的綠色設(shè)計(jì)制造方法進(jìn)行研究，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，以KA16C型壓縮機(jī)陽螺桿加工刀具為例，詳細(xì)介紹了整個(gè)設(shè)計(jì)過程。依據(jù)螺旋槽加工過程中螺旋槽接觸點(diǎn)的公法線與成型刀具回轉(zhuǎn)面相交，計(jì)算求出成型刀具齒形，并在AutoCAD軟件中采用圖解法確定刀片在刀體上的安裝位置，進(jìn)而設(shè)計(jì)出刀具。通過此方法提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)難度，并應(yīng)用增材制造技術(shù)制造出螺旋槽加工用成型刀具。因此運(yùn)用此方法設(shè)計(jì)螺旋槽加工成型刀具有一定的推廣價(jià)值。