滾刀車(chē)絲工序數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片加工方法研究

許張琦 陳 明

(①上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240;②上優(yōu)機(jī)床工具(上海)有限公司，上海201822)

滾刀生產(chǎn)加工中，其螺旋槽的車(chē)削是必不可少的。傳統(tǒng)的加工方式是用事先線切割好齒形的白鋼刀作為刀具進(jìn)行車(chē)絲加工。這樣加工由于白鋼刀材料的限制，無(wú)法給予較大的進(jìn)給與切削轉(zhuǎn)速，期間還需不定期的修磨刀具。以至于加工時(shí)間與輔助時(shí)間都較長(zhǎng)，加工時(shí)對(duì)機(jī)床的負(fù)擔(dān)也非常大。即使是大批量同一圖紙的滾刀生產(chǎn)也很可能1天1臺(tái)機(jī)床只能生產(chǎn)3～5件，這已經(jīng)造成車(chē)絲工序成為了整個(gè)滾刀生產(chǎn)的瓶頸。其實(shí)這些問(wèn)題都可以通過(guò)宏程序用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金車(chē)刀片加工來(lái)解決。由于無(wú)論是什么類(lèi)型的齒形，都可以通過(guò)有限的幾種硬質(zhì)合金刀片來(lái)解決，所以在小批量非標(biāo)產(chǎn)品加工時(shí)優(yōu)勢(shì)更為明顯。

1 工藝分析

1.1 二次裝夾

由于后續(xù)還會(huì)有鏟齒工序，所以車(chē)絲僅僅是去除大部分加工余量的粗車(chē)加工。在大加工量的粗車(chē)加工中，如使用線切割成齒形的白鋼刀，刀具必然磨損嚴(yán)重。不可避免地會(huì)需要中途換刀，刃磨。刀具的二次裝夾與對(duì)刀也會(huì)產(chǎn)生一定的輔助時(shí)間。而對(duì)于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片來(lái)說(shuō)，刀片磨損后只需更換刀片，不需變動(dòng)刀桿位置，在快速換刀的同時(shí)又保證了換刀后的位置精度。

1.2 加工路徑

由于滾刀齒形根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，齒形變化較大。如果模數(shù)較大，對(duì)應(yīng)的牙型也會(huì)相應(yīng)增大。齒形一致的白鋼刀加工中一般只能采用單一的進(jìn)刀方式或者左右兩側(cè)分別車(chē)削來(lái)減小切削力。硬質(zhì)合金刀片則無(wú)法像白鋼刀那樣與每種規(guī)格的齒形一一對(duì)應(yīng)，采用單一的進(jìn)刀方式很難車(chē)出齒形。所以對(duì)于硬質(zhì)合金刀片需要利用宏程序進(jìn)行分層剝離切削，來(lái)較好地解決這一問(wèn)題。分層法通常不是一次性就把齒形槽切削出來(lái)，而是將齒形槽按一定的深度分成若干層，轉(zhuǎn)化成若干個(gè)較淺的槽再進(jìn)行切削;在每一層的切削過(guò)程中又分別采用徑向進(jìn)刀和軸向“趕刀”的方法進(jìn)行螺紋加工［1］。具體實(shí)施辦法見(jiàn)圖1。

首先將切槽刀定位在第1層左側(cè)，走完1刀后，z向沿z軸正方向移動(dòng)一定距離(移動(dòng)距離根據(jù)刀片圓角確定)，如此循環(huán)，直至切刀軸向移到第1層右側(cè)。采用同樣的加工方法，將第2層材料車(chē)掉。依次類(lèi)推，直至完成整個(gè)齒形螺紋的加工。這樣，原來(lái)的齒形螺紋被分解成若干層，在整個(gè)切削過(guò)程中，可轉(zhuǎn)位刀片切削刃每次參加切削加工的大小只有材料的一小塊，刀尖受力狀況和散熱情況都得到改善，排屑順利，不易扎刀。切削效率可成倍提高［1］。

考慮到盡可能多的利用刀片，切削路徑選用如圖1箭頭所示的蛇形路徑為宜。這樣可以較平均的損耗刀尖圓角兩側(cè)的刃口來(lái)提高刀片壽命。

1.3 齒形簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

滾刀設(shè)計(jì)時(shí)考慮到避免滾刀后角磨損太快，即使是變壓力角設(shè)計(jì)也很少把壓力角設(shè)計(jì)成15°以下。標(biāo)準(zhǔn)的可轉(zhuǎn)位刀片最小有35°刀片可以直接用于加工的壓力角大于等于18°的齒形，對(duì)于壓力角小于18°的齒形可以用26°的非標(biāo)刀片來(lái)加工。但對(duì)于有觸角設(shè)計(jì)的滾刀來(lái)說(shuō)，觸角壓力角大多數(shù)都小于18°，最小的可以達(dá)到10°甚至更小，可轉(zhuǎn)位刀片的可加工范圍大大減小。不過(guò)車(chē)絲工序僅僅是粗加工并不需要齒形完全準(zhǔn)確，所以為了使26°與35°刀片能涵蓋絕大多數(shù)的滾刀，需要對(duì)于觸角設(shè)計(jì)的齒形稍加簡(jiǎn)化(如圖2)，過(guò)滾刀齒形修緣起始點(diǎn)做一條直線與齒頂圓相切作為簡(jiǎn)化后的壓力角從而將觸角設(shè)計(jì)的齒形簡(jiǎn)化為無(wú)觸角壓力角稍小的齒形。最終簡(jiǎn)化后槽形如圖1所示。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)預(yù)處理

在實(shí)際的應(yīng)用中，需要先將齒形的參數(shù)與所選用的刀片相結(jié)合計(jì)算出簡(jiǎn)化齒形、刀片讓刀量和走刀路徑等相關(guān)數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)化前齒形圓角部分各尺寸之間相關(guān)關(guān)系如圖3，簡(jiǎn)化后如圖4。

設(shè)簡(jiǎn)化后稍小的壓力角為β，其與齒形各參數(shù)關(guān)系為

化簡(jiǎn)后得:

式中:s為齒頂圓角圓心與齒形修緣起始點(diǎn)的水平距離，計(jì)算為

式中:r為齒頂圓角圓弧半徑，H為齒形修緣起始點(diǎn)到齒頂?shù)母叨?α為滾刀壓力角;α'為觸角角度，h為齒形修緣起始點(diǎn)到觸角起始點(diǎn)的高度。

針對(duì)壓力角β，齒形槽寬應(yīng)相應(yīng)縮減Δ，其計(jì)算式為

式中:r'為刀片圓角圓弧半徑。

由于公式有些復(fù)雜，可以為此用VB編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的程序以便操作人員計(jì)算參數(shù)。操作人員調(diào)出所需加工齒形的數(shù)據(jù)點(diǎn)擊“TO CN”鍵令程序?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)算并生成機(jī)床參數(shù)程序，如圖5。

將其傳入機(jī)床后，調(diào)用主程序運(yùn)行即可。大大減少輔助時(shí)間與降低操作難度。

2.2 主程序參數(shù)引用

主程序開(kāi)頭先應(yīng)用如下參數(shù):

O0050;

#600=100;

#611=1(加工起始縲紋頭);

#602=#604(加工結(jié)束螺紋頭);

#724=0(X軸開(kāi)始點(diǎn));

在加工多頭螺紋滾刀時(shí)，由#604引入螺紋頭數(shù)，相應(yīng)的改變機(jī)床G32命令中的Q值來(lái)進(jìn)行分頭。程序采用一頭完全車(chē)出后再開(kāi)始第二頭的方式。主程序中引入#611與#724以便操作者在中途斷刀時(shí)從斷刀處直接開(kāi)始加工。#611表示從第幾個(gè)頭開(kāi)始加工，#724表示開(kāi)始加工的深度是多少。如#611=2，#724=-8即為從第二頭深度8處(雙邊深度)開(kāi)始車(chē)螺紋［2］。

最后加工成品如圖6。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用中已證明以上操作方法有效地解決了滾刀生產(chǎn)加工中車(chē)絲工序在實(shí)際生產(chǎn)中處于瓶頸的問(wèn)題。加工時(shí)間平均縮減到白鋼刀加工時(shí)間的1/3左右，加工成本大致不變而且稍有下降。操作者勞動(dòng)強(qiáng)度與編程難度都大大降低。運(yùn)行可靠，大大降低了操作者出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

［1］計(jì)小輩，王麗敏，王卓群.多頭大導(dǎo)程梯形螺紋數(shù)控加工方法研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(8):127-129.

［2］FANUCSeries 0i-TC系統(tǒng)操作說(shuō)明書(shū)［Z］.