优化槽加工的几点建议

时间:2019-05-22    原创:《国际金属加工商情》杂志    编辑:Anduin
各种槽是机械零件上常见到的结构形状。通常有圆柱体内外表面上的环槽、密封圈槽、带倒角的斜 槽、成形槽、各种标准的螺纹槽、内外圆柱体端 面上的槽;圆柱面上和孔内与轴线平行的键槽、花键槽、 齿槽以及平面上的多种形状的槽等等。

一般回转体表面上 的各类槽,常用车削的方法加工,也可以用铣和插补铣削的方法(Milling by circular interpolation),即使铣刀一面自转一面公转。铣螺纹槽时,再加上轴向进给。外圆柱面上 的与轴心线平行的各种槽与平面上的各种槽可用铣削等方法加工,与轴心方向平行孔内的键槽、花键槽、多边形孔槽用插削、拉削推削等方法加工。“槽”看起来形状很简单,但实际加工时仍有它的特殊性和困难性。

槽加工的特殊性和困难性是:①它通常是用刀具的一个 主刀刃和两侧的副刀刃同时进行三面切削,被加工材料塑性变形复杂,摩擦阻力大,因此加工速度和进给量受限制,切削厚度虽薄,但平均变形大,单位切削力,总切削力与功耗大, 有统计它比一般外圆切削大20 %左右。同时产生切削热也多, 散热条件差,切削温度高 , 刀具易损伤;

②随切深加大 , 工件直径不断减少,切削速度实际在不断变化,切削力热等状 况也在不断变化,特别在切深大和切断加工时,切削速度由 最大逐渐减少甚至到“零”;

③工件或刀具一面旋转 , 刀具 一面逐渐切入,在工件表面实际形成的是阿基米德螺旋线, 由此造成实际前角和后角也在不断变化,使加工过程更为复 杂;

④通常所切的槽较窄,刀片也窄,刀片在刀杆刀体中的 定位安装面小。定位安装不稳定,刚性差易振动,槽越窄越深, 刀片悬伸越长,刀具刚性越差,更不稳定,更易移位振动损伤。对待这些问题应如何处理好呢?各槽加工刀具公司为此煞费 苦心,这里请看 SIMTEK 这位槽加工专家为此费心所出的点子和他们的具体改进措施吧。

SIMTEK 是德国也是世界著名的专业制造各种精密槽加 工用刀具的公司。在槽加工方面积累了丰富的经验,并研发 了各种新的槽加工刀具产品。他们的产品系列目前分三大 类:⑴ simturn 类是车削镗削各种槽、孔等的加工用刀具;⑵ simmill 类是铣削用的各种槽加工刀具;⑶ simcut 类是其 他槽加工方法,如插削、旋风铣螺纹等所用的刀具。

他们的第一个重要点子是:好刀先要自身坚硬。除用优 质材料、涂层、合理的刀刃形状结构外,还必须能改进刚性差的刀片的定位面形状结构以使它能被牢靠稳固地安装,即必须要解决好固有刚性不足的刀片的定位夹紧问题。

Simturn 是他们的车槽系列刀具。除可切各种槽外,改 变刀头形状、进刀方向后还可加工内外圆、倒角、切断等。按可加工孔径的大小,槽的宽度和深度与分布等的不同, 产品又分了以下几个子系列:

⑴加工 Φ0.3 起的小内孔槽的 AX 系列,改进的方法是把其较粗硬质合金刀杆与刀头做成 一体,刀杆多为圆形 (Φ4-8), 尺寸较大的还有方形。刀杆上 的刀头,据加工部位需要,应伸出得尽量短,这样切槽刀的 定位面由整个较粗圆形和方形的刀杆承担 , 刀杆插入相应的 刀座和刀柄的配合孔中。用座和刀柄上螺钉压紧,就可提高 安装刚性,还可用靠刀柄前端螺母旋紧夹套从四周夹紧刀杆 的 ME 夹紧系统。使定位安装刚性和可靠性得到更一步提高 (图 1)

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图1:AX系列刀杆的定位安装

⑵可加工较大孔中的各类槽的 DX 和 C4 系列刀具。若 用更粗的整体硬质合金做刀杆较贵不合算,因此可以改用钢 刀杆前面装硬质合金刀片,为了使刀片安装刚性好,可将刀片端面做出三个 V 形突齿,定位安装时将此突齿与刀杆上的 与之形状一致的 V 形槽相配合,两端平面靠紧。由于这些 结构形状尺寸与相对位置做得非常精确,虽属多面定位,过定位,但互相不干扰,反而使得定位刚性大增。刀片有中心孔,用中心螺钉穿过刀片拧紧在刀杆上。刀片刀杆如一整体, 这样就提高了安装刚性。所用的刀杆有带扁平面的圆柱形也有方形。

DX 可加工最小孔径为 Φ7,刀杆直径可达 Φ25。根据加工表面形状不同,刀刃形状可以做出多种多样,如可 把刀片转角做成 90°形成与轴向平行的刀刃,就可加工端 面槽了。与之类似的 C4 型它的外形和定位安装如 DX,但刀头只延刀杆轴向伸出,故只能加工各种外槽,它的刀杆都 是方形,此型是为一些小零件特殊加工要求设计制作的。最大切深是 5.5mm。

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图2:DX和C4系列刀片定位结构

⑶ H2 和 GX 型的刀片具有对称的前后两刃,刀片薄弱定位面窄小,为此 H2 在刀片一侧背上特意做有 V 形凹槽, GX 则做有 V 形突齿,H2 和 GX 刀片的下面都做有突齿。刀片座有相应的凹槽,刀片的上压板有凸齿或凹槽,螺钉旋 转上压板向下使刀片紧紧定位夹紧在上下 V 形凹槽中。薄弱刀片由于上下 V 形槽的多面定位夹紧,提高了安装刚性。它 的刀杆为钢制,有带扁平面的圆柱形和方形两种。它们主要用 于切内外槽和切断。H2 和 GX 可分别加工 Φ24.5 和 Φ38 以上 的孔,最大切深分别为 18mm 和 26mm。

⑷ K2 型刀片具有前后上下对称的两个角形刀头,主要用于 切外槽和切断。加工时一端的刀头切削,另一端的角形刀头作 为 V 形凸齿插装在刀杆与之相对应的 V 形凹槽中。靠它们和侧 平面在刀杆中定位,以侧面螺钉穿过刀片中心孔同 DX、CX 一 样进行压紧。它最大的切槽深度是 7mm。

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图3:K2系列刀片定位与安装

⑸ E3、E12、F3 三型的刀片都是三角形 , 可用三个刀刃, 使用经济高效。E3、F3 较窄的刀片的侧面设计具有突出多面体, 配合刀片侧面或另两个刀背面和侧面定位在刀杆刀座相应的多 面槽和侧平面上,E12 刀片或用中心孔螺钉或用上压板压紧。用中孔螺钉压紧可承受轴向力较高。这三型均能加工内外槽。

E3 和 E12 型适应的最小内径分别是 Φ41 和 Φ46,能切出的最大槽深分别是 5 和 8mm。FX 型是专供客户订制特殊品,可满足 客户多种需要。Simturn 车削类刀片还有一种是光面宽型的 (Decolletage)系列,据客户需要可在宽刀片上磨出客户需 要的槽形槽数,一次径向进刀可加工出多个槽。由于刀片较 宽,刀片背后可做出一到数个 V 形突齿,在刀杆上做出相 应数量的 V 形凹槽,再配合底面共同对刀片定位。

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图4:E3的安装

Simmill 是 SIMTEK 公司铣削各类内槽 ( 一般槽、螺 纹槽、带倒角槽等 ) 的刀具,他们不采用一般传统的铣削方 法,而是采用使铣刀一面自转一面公转的插补式铣削方法, 铣螺纹槽时还需加上轴向的插补进给。加工时,多齿的铣 刀每个刀齿每次在运转中只切除很少的金属,切屑小,排屑易,切削力热比车槽小得多。但需承受一定的冲击力, 整体槽铣刀或装可转位刀片的槽铣刀,刀片在刀体上的安装时,槽加工刀具固有的刚性不足问题仍存在,故也如车削类刀具一样。

为提高槽铣刀定位安装的刚性可靠性,SIMTEK 公司将直径小于 Φ11 的刀头和伸出的圆刀杆部分 做成一体,伸出部分接钢刀杆插入刀柄中的配合圆孔定位。加工Φ10-Φ42较大孔的盘铣刀头也类似DX型车刀片一样, 在后端面做出突齿镶装在刀杆端面的同形凹槽中,结合刀 片的端平面定位,并靠穿过刀片中心的螺钉压紧。可实现 可靠的刚性好的定位安装。

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图5:铣削刀头和刀杆的定位安装


Simcut 是插削各类槽、型孔和旋风铣削螺纹槽的有关刀 具产品系列,与之前的系列相同,他们也设计了相应的增强 刀头和刀片的安装刚性的多面定位结构。

他们针对改善槽加工切削条件的第二个点子是必须改善冷却液供应。特别是车槽方面,刀片一直在切削,切削温度高,又由于是槽形,槽向及他们所处的位置不同,为达 到有效冷却,SIMTEK 公司提供了四种方便可调的供冷却 液方式:即从刀具的左方、右方、左右两方或刀具中孔喷 射冷却液,以满足各种槽加工的需要,从而可有效地降低 切削温度,保障了刀具持续工作。实际操作时,他们设计 的结构非常简单,更换四种冷却液供给方向,只要调节两 个螺纹销就可以实现。

为了解决在一般车、铣机床难以加工的与轴向平行的孔 内键槽、花键槽、齿槽和多面槽等问题。他们的第三个点子是:不用专门的插床、拉床等而是用他们的优质刀具配合数 控车铣床上转塔刀架上的 VDI 动力刀座。通过这些机构,即 可实现插刀的往复切削运动和沿槽深方向进给运动,完成插 削。同样插刀的结构,在较小孔内键槽加工时采用整体硬质合金插刀,较大孔内键槽则用插刀片安装在相应较粗的钢制 刀杆上。车铣机床上能加工出孔内的槽了,就可能使整个零 件的加工在一台机床上完成。实现了工艺集中,达到了”Do in One”。

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图6:机床转塔上VDI刀座安装刀切槽

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图7:键槽插销过程

在加工数量很多的小型螺钉,如材料多为难加工的 钛合金,不锈钢等的医用接骨螺钉等时,一般的车、铣办法效率太低,零件夹持不便。

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他们的第四个点子是:在能纵切的走心式车床上安装专门的螺纹旋风铣 (Thread Whiriing) 刀架,使用他们特制的 2-3 齿优质涂层刀片进行旋风铣 ( 因用压缩空气和高压冷却液等排屑冷却,加工时切屑飞溅故名之 )。旋风铣加工时刀盘高速旋转是切削的主运 动,辅助运动有机床主轴带动工件的慢速回转,有按螺距 大小所作的轴向进给和刀盘高速旋转。工件螺旋升角改变 时,刀片可据需要调整。由于转速较高达 60-120m/min,每 刃齿进给量 0.02-0.10mm,这种方法的效率比传统的加工 方法高许多,加工精度也高许多。只需使用走心式车床即可实现自动化加工。

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