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高速切削、強(qiáng)力切削可明顯進(jìn)步加工效率，是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。但隨著切削速度的進(jìn)步，在某些加工場(chǎng)合也帶來(lái)了加工質(zhì)量方面的題目。如采用旋風(fēng)銑削法高速銑削內(nèi)、外螺紋時(shí)(見(jiàn)圖1)，固然加工效率高、刀具冷卻效果好，但加工出的螺紋精度并不高，且螺紋牙槽兩側(cè)面的表面質(zhì)量存在較大差異。對(duì)于粗加工工序，螺紋牙側(cè)表面加工精度影響不大，但對(duì)于一次完玉成牙深切削的終極加工而言，這一題目不容忽視。為此，本文對(duì)旋風(fēng)銑削絲杠螺紋時(shí)牙槽兩側(cè)面的表面質(zhì)量進(jìn)行了分析計(jì)算，并先容了旋風(fēng)銑刀的設(shè)計(jì)方法。

a)銑削外螺紋

(b)銑削內(nèi)螺紋

圖1 旋風(fēng)銑削內(nèi)、外螺紋

2 牙槽兩側(cè)面表面質(zhì)量的計(jì)算與分析

1) 牙槽兩側(cè)面表面特征

旋風(fēng)銑削絲杠螺紋時(shí)，當(dāng)銑削速度進(jìn)步到2000r/min 以上，螺紋牙槽底面(溝底)及其中一側(cè)面的表面質(zhì)量明顯進(jìn)步。由加工結(jié)果可知，無(wú)論是采用刀具進(jìn)給方式、由車床改裝的旋風(fēng)銑削裝置，還是采用工件進(jìn)給方式的專用絲杠加工設(shè)備，均為迎向銑刀的牙槽一側(cè)(記為A側(cè))的表面加工質(zhì)量明顯優(yōu)于相對(duì)的另一側(cè)(記為B側(cè))。A側(cè)表面光滑锃亮；B側(cè)表面光澤不明顯，用手觸摸有細(xì)微粗糙感。

2) A側(cè)表面粗糙度計(jì)算

如圖2所示，設(shè)刀刃位于水平線OO'時(shí)為零時(shí)刻，經(jīng)過(guò)期間t后，銑刀盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一齒，則有

wFt+wwt=1/Z

式中，wF、ww分別為銑刀和工件的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Z為裝刀數(shù)。設(shè)轉(zhuǎn)速比l=wF/ww=nF/nw(nF，nw分別為銑刀和工件的轉(zhuǎn)速)，則可得

t=1(/l+1)wwZ

圖2 牙槽側(cè)面粗糙度分析

設(shè)被加工螺紋螺距為P，則經(jīng)過(guò)期間t后，刀具的軸向進(jìn)給位移量為

S1=wwtP=P(/l+1)Z

與此同時(shí)，工件轉(zhuǎn)過(guò)的角度為

q=2pwwt=2p(/l+1)Z

刀具下降高度為

Y=2(R-h/2)sin(q/2)=2(R-h/2)sin[p(/l+1)Z]

則刀具的橫向位移量為

則刀具的橫向位移量為

式中，R為絲杠直徑，h為牙槽深度，b為螺旋升角。由此可得A側(cè)表面的理論粗糙度值為

3) B側(cè)表面粗糙度計(jì)算

由于刀具加工時(shí)既有橫向位移又有進(jìn)給位移，因此經(jīng)過(guò)期間t后，銑刀盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一齒時(shí)，刀具切進(jìn)點(diǎn)的位移量為軸向進(jìn)給位移與向后的橫向位移之和，則B側(cè)表面的理論粗糙度值為

Rz2=S1+S2=P(/l+1)Z+2(R-h/2)tanbsin[p(/l+1)Z]

4) 兩側(cè)面表面質(zhì)量差異分析

銑刀作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，A側(cè)面在銑刀側(cè)刃擠壓下被高速銑削。當(dāng)切削速度達(dá)2000～3000r/min時(shí)，加工區(qū)火花四濺，切屑局部呈柑紅色，表明該處切削溫度已達(dá)800℃以上(通過(guò)計(jì)算也可得出此結(jié)論)，此時(shí)金屬原子熱振動(dòng)振幅增大，原子間鍵力減弱，導(dǎo)致工件材料的硬度和強(qiáng)度降低，同時(shí)切削時(shí)的彈性變形、塑性變形和摩擦力也明顯減小。由于大部分切削熱被切屑帶走，傳進(jìn)工件表層的切削熱很少，滲透層很薄，表面層物理力學(xué)性能的變化在答應(yīng)范圍內(nèi)，因此A側(cè)面的表面質(zhì)量得到進(jìn)步。此外，由于每齒切削厚度和進(jìn)給量減小，A側(cè)相當(dāng)于在被銑削的同時(shí)也被研磨，使表面質(zhì)量進(jìn)一步進(jìn)步。而B(niǎo)側(cè)被銑削時(shí)，由于存在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，刀具在該時(shí)刻已離開(kāi)被銑部位，因此不存在擠壓與研磨作用?？梢?jiàn)，切削力作用形式的差異也給兩側(cè)的表面質(zhì)量帶來(lái)不同的影響。

根據(jù)上述計(jì)算與分析可知，由于Rz1 < Rz2，加上A、B兩側(cè)銑削作用力的不同影響，故A側(cè)表面質(zhì)量?jī)?yōu)于B側(cè)，這與在實(shí)際加工中的觀察結(jié)果一致。

3 旋風(fēng)銑刀的設(shè)計(jì)

刀具材料的選用

當(dāng)銑削速度達(dá)到2000r/min以上時(shí)，刀具與工件接觸時(shí)間約為0.003s，而切削熱在鋼中的傳播速度約為0.5mm/s，即在刀具與工件接觸時(shí)間內(nèi)熱量傳播間隔僅為1.5μm 左右，因此僅有極少量切削熱傳進(jìn)刀具中。此外，由于刀刃空行程較長(zhǎng)，使刀刃承受的熱脈沖大大降低，因此銑刀刃部溫度始終保持在300℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨損較小。但是，由于刀刃工作方式為高速斷續(xù)切削，整個(gè)工藝系統(tǒng)振動(dòng)較大，刀刃部位需要承受較強(qiáng)的正壓力脈沖和彎曲應(yīng)力脈沖，因此要求刀具材料具有較好韌性。綜合考慮上述加工特點(diǎn)，刀具材料不宜選用硬質(zhì)合金www.touzhu-jnh.com，選用65Mn淬火鋼較好。

圖3 銑刀盤(pán)裝配圖

圖4 刀夾結(jié)構(gòu)圖

刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為進(jìn)步加工效率，筆者設(shè)計(jì)了圖3所示銑刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和圖4所示刀夾。刀夾上開(kāi)有裝刀槽，將長(zhǎng)條形刀片置于其中，上面蓋壓一帶槽薄板，然后裝進(jìn)銑刀盤(pán)刀槽中，用內(nèi)六角螺釘壓緊，即可進(jìn)行銑削加工。當(dāng)?shù)镀p后，松開(kāi)壓緊螺釘，取出長(zhǎng)條形刀片，對(duì)切削刃部分重新刃磨后即可重復(fù)使用。如切削時(shí)刀片有后退傾向，可在銑刀盤(pán)上加裝可調(diào)擋塊。與焊接式或其它刀具結(jié)構(gòu)相比，這種可轉(zhuǎn)位銑刀盤(pán)結(jié)構(gòu)可減少刃磨、裝卸和對(duì)刀工時(shí)，刀片可www.touzhu-jnh.com重復(fù)利用，具有加工效率高、加工本錢(qián)低等優(yōu)點(diǎn)