三面刃大直徑刀具的設(shè)計及應(yīng)用

張嚴，辛?xí)詡ィw麗麗，呂長江

株洲鉆石切削刀具股份有限公司；硬質(zhì)合金國家重點實驗室

1 引言

在發(fā)電設(shè)備、汽車行業(yè)和重型機械設(shè)備制造中，為提高生產(chǎn)效率，需用大直徑刀具對機座、缸體、壓力腔以及汽車制動器等零件進行加工，因此，研究高效工藝和大直徑刀具的應(yīng)用具有現(xiàn)實意義[1]。

機床用戶在選購機床時，通常會關(guān)注機床功率大小、刀庫裝刀直徑和刀庫裝刀數(shù)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以滿足現(xiàn)有零件的加工需求。但是，在后期開發(fā)新產(chǎn)品時，機床刀具庫的裝刀直徑或裝刀數(shù)量會對加工零件的尺寸產(chǎn)生限制。機床加工中心由于配有刀庫和自動換刀系統(tǒng)，大大減小了專用工裝夾具的數(shù)量，縮短了生產(chǎn)準備時間，提高了加工精度和效率[2]。

為實現(xiàn)大尺寸零件加工，通常需要采用大直徑刀具，其中一種方式是在滿足自動換刀的情況下，相鄰的兩個刀位不安裝刀具(但這樣會造成刀具庫位減少)；另一種方式是采用手動裝刀，但該方式費時費力，且無法滿足加工節(jié)拍的要求。因此，需要開發(fā)一種可以滿足大直徑刀具在刀具庫的安裝方案，通過優(yōu)化設(shè)計刀具外徑和合理控制刀具外型，使刀具可以正常安裝于刀具庫中，并實現(xiàn)自動換刀的功能，滿足高效加工要求。

2 刀具設(shè)計原理

2.1 機床型號及加工參數(shù)

通用臥式加工中心的刀具庫在滿刀情況下的最大安裝直徑范圍為φ80～φ160mm。本文采用HMC63E加工中心(見圖1[3])，刀具庫為圓盤式(外型見圖2)。刀具庫在滿刀情況下的刀具最大直徑為φ125mm，相鄰空刀最大直徑為φ250mm，機床參數(shù)見表1。

圖1 HMX63E加工中心

圖2 圓盤式刀具庫外型

表1 機床參數(shù)

2.2 刀具設(shè)計與分析

2.2.1 刀具外型設(shè)計

目前需要安裝φ270mm的大直徑刀具以加工制動器零件。HMC63E機床在滿刀時最大裝刀直徑為φ125mm，即使在相鄰刀座有空位時，刀具的最大直徑φ250mm也無法實現(xiàn)φ270mm刀具的安裝，因此常規(guī)刀具外型無法滿足加工要求。要實現(xiàn)自動換刀，還需要在滿足最大裝刀量的同時兼顧刀具強度，綜合以上幾點因素，對刀具外型進行優(yōu)化設(shè)計，見表2。

表2 刀具設(shè)計相關(guān)參數(shù)

因為B>A，要滿足B尺寸能夠安裝在刀具庫中且不影響最大裝刀量，則需滿足W≤A，即W≤250mm。因此采取的設(shè)計方法是改變刀具安裝方向的尺寸，將刀具外型由圓盤式優(yōu)化為如圖3所示結(jié)構(gòu)，這樣刀具能夠有效安裝在刀具庫中，以滿足加工要求。

圖3 大直徑刀具外型

2.2.2 刀具外徑與刀槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

刀具安裝方向尺寸W≤250mm即可滿足大直徑刀具安裝條件。為保證刀具的強度和加工效率，刀具安裝方向尺寸不宜小于150mm，以W=180mm設(shè)計參數(shù)來闡述大直徑刀具外徑與刀槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。以常見的三面刃大直徑刀具為研究對象，刀具結(jié)構(gòu)如圖4所示，刀具齒數(shù)為16齒，沿刀具外徑方向均勻分布A，B，C，D4組齒。

圖4 刀具結(jié)構(gòu)

三面刃刀具外徑方向設(shè)計有安裝刀片的刀槽模塊并呈上下交錯形態(tài)分布。每個刀槽模塊安裝相應(yīng)刀片，交錯搭接的刀片形成了完整的刀具切削刃。如1號刀片和2號刀片交錯搭接形成一組齒，刀具直徑方向單側(cè)共4組齒，對稱一側(cè)同樣分布有4組齒，因此三面刃刀具共計8組齒，刀具有效加工齒數(shù)z=8。

根據(jù)上述分析，為滿足大直徑刀具能夠安裝于刀庫中，刀具安裝方向尺寸由270mm減小到180mm，使得刀具加工齒數(shù)減少1/2，實際刀具缺失齒數(shù)z2=8，如圖5所示。

圖5 刀具缺失齒結(jié)構(gòu)

當(dāng)?shù)毒哒懿蝗笔X數(shù)時，滿齒z1=16。根據(jù)機床參數(shù)進給速度vf=460.8mm/min，轉(zhuǎn)速n=240r/min，刀具直徑D=270mm，在不缺失齒數(shù)條件下，刀具每轉(zhuǎn)進給量fn=vf/n=1.92mm/r，每齒進給fz1=fn/z1=0.12mm/z。

在刀具設(shè)計直徑D=270mm不變的條件下，fz1=0.12mm/z；當(dāng)?shù)毒邌蝹?cè)缺失4組齒時，則A處齒(見圖4)進給量fz2=fz1×4+0.12=0.6mm/z，則A處齒將會承受0.6mm的進給，而B，C，D處(見圖4)仍然保持0.12mm進給不變。由于刀具設(shè)計結(jié)構(gòu)原因，造成刀具進給分配不均勻的情況，A處齒將很快磨損或破損，甚至刀具無法再使用。針對上述問題，在設(shè)計刀具時應(yīng)考慮將缺失部分兩側(cè)8組齒的進給平均分配給剩余有效的8組齒，達到每組有效齒均勻分配進給量的目的。

通常，刀具直徑變化會影響刀具的每齒進給量。如圖6所示，刀具每轉(zhuǎn)一圈，相當(dāng)于在徑向方向增加一個每轉(zhuǎn)進給量。如刀具直徑50mm，齒數(shù)z′=2，每齒進給量fz′=0.12mm/z，則刀具每轉(zhuǎn)一圈，其中一個齒切削掉0.12mm的鐵屑厚度，相當(dāng)于刀具直徑方向移動0.12mm。如果將該齒的直徑減小0.12mm，則該齒將不參與切削，而另一個齒將承擔(dān)0.24mm/z的進給量[5]，所以改變刀具直徑能夠調(diào)整進給量。

圖6 刀具進給方向與進給量的關(guān)系

將4組齒A，B，C，D(見圖4)設(shè)計為不同直徑，由于是對稱關(guān)系，另外4組齒的直徑與之相同。刀片在刀具直徑上呈階梯分布，能夠滿足刀具直徑D處φ270mm的加工要求。其中，刀具A，B，C處的直徑設(shè)計計算式為

z1=z+z2

式中，z1為不缺失齒；z為有效齒數(shù)；z2為缺失齒。

進給量計算式為

式中，fz1為不缺失齒每齒進給量；fz2為缺失齒總進給量；f為刀具進給量；n為刀具轉(zhuǎn)速；fz3為有效齒每齒進給增量。

根據(jù)直徑與進給量的關(guān)系，大直徑三面刃刀具z=8，z2=8，z1=16，fz1=0.12mm/z，則A，B，C，D處的直徑a，b，c，d為

d-c=c-b=b-a=0.12mm

有

fz3=0.12mm/z

有效齒實際承擔(dān)的每齒進給量為

fz=fz1+fz3=0.24mm/z

綜合計算上述公式可以得到刀具外徑設(shè)計尺寸(見表3)。如圖7所示，按照表3的刀具外徑尺寸設(shè)計刀具，則可實現(xiàn)8組有效齒均勻承擔(dān)0.24mm/z的進給量，達到均勻分配進給量的目的。

表3 刀具外徑設(shè)計尺寸

2.2.3 刀具鍵槽設(shè)計

鍵槽可以實現(xiàn)刀具的定向作用，有效控制方向，避免大直徑刀具在換刀與裝刀過程中與刀具庫發(fā)生干涉。在刀具上安裝設(shè)計有鍵槽(與刀具安裝方向呈90°)的柄部(見圖8)，由于大直徑刀具自身重量較大，容易超出機床的裝刀重量，所以在設(shè)計這類刀具時要參考機床的裝刀重量，適當(dāng)設(shè)計減重槽。通常在機床最大裝刀直徑較小的情況下，裝刀重量也會較小，所以設(shè)計此類刀具時需要額外注意。

圖8 刀柄的鍵槽結(jié)構(gòu)

3 刀具應(yīng)用與分析

三面刃大直徑刀具(見圖9)設(shè)計制作完成后，進行現(xiàn)場加工應(yīng)用。被加工零件為卡車卡鉗嵌體(如圖9)，加工寬度要求為24mm，刀具直徑為φ270mm，機床進給速度vf=460.8mm/min，機床轉(zhuǎn)速n=240r/min，每齒進給量fz=0.24mm/z。在該參數(shù)下加工卡鉗嵌體時機床負載小，切削輕快，被加工零件表面粗糙度達到Ra3.2，刀片壽命滿足客戶要求。通過對大直徑刀具的優(yōu)化設(shè)計，解決了客戶的加工問題，成品滿足要求。

圖9 零件加工部位

圖10 現(xiàn)場應(yīng)用刀具

三面刃大直徑刀具主要用于機床刀庫無法滿足自動換刀或相鄰刀位裝刀空間不夠的情況。采用上述設(shè)計方案可以實現(xiàn)大直徑刀具在刀具庫的有效安裝，由于在一定程度上會使刀具齒數(shù)降低，所以此類刀具是在刀具無法滿足使用要求的情況下采取補救解決措施。

上述三面刃大直徑刀具設(shè)計屬于非標(biāo)刀具，在刀具設(shè)計過程中已確定進給量，如果要調(diào)節(jié)進給量，還需要根據(jù)設(shè)計要求進行微調(diào)；進給量的多少由刀具自身決定，不能任意調(diào)節(jié)。在保證剛性、強度和功率滿足要求的情況下，需要合理控制刀具的切深、切寬和切削參數(shù)，以免造成不必要的損失。

4 結(jié)語

(1)在相鄰刀位空間不足且需滿足三面刃大直徑刀具安裝與自動換刀的情況下，可以通過對刀具外型的合理設(shè)計，實現(xiàn)大直徑三面刃刀具的有效安裝及自動換刀。

(2)通過對三面刃大直徑刀具外徑及加工齒數(shù)的合理設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)加工齒數(shù)的每齒進給量均等，有效保證了三面刃刀具的切削壽命，滿足客戶的加工要求。

(3)針對三面刃大直徑刀具結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計以及現(xiàn)場加工參數(shù)的優(yōu)化，能夠解決生產(chǎn)中大直徑刀具無法安裝和換刀的問題，擴大了機床的應(yīng)用范圍，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。