高效內驅動式滾切銑刀硬件實現及其優勢分析

李慎旺 李中生 韓旭來 劉純祥 卜 勻

（1.河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，唐山學院，河北 唐山 063000 ；2.天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

0 引言

滾切加工所用的滾切刀具、回轉刀具上裝有圓形刀片，在切削過程中，圓形刀片隨著刀體做走刀運動的同時還繞其自身軸線做回轉運動，即滾切加工比普通銑削增加了一個圓形刀片繞其自身軸線做回轉運動的自由度。

由于增加了一個圓形刀片繞其自身軸線做回轉運動的自由度，因此滾切刀具具有斜角切削的特點，同時刀片后刀面的棱帶還具有滾壓作用，極大地提高了刀具的耐用度，提升了加工生產率和表面質量。

當圓形刀片的轉動是由外加動力來驅動時，稱為驅動式滾切刀具（Driving rotary tool或DRT）；當圓形刀片的轉動是由工件和刀片之間的相對運動來驅動時稱為自滾切刀具（Self-propelle drotary tool或SPRT）。從現有文獻看，還未對驅動式滾切銑削及驅動式滾切銑刀進行深入研究。

1 高效內驅動式滾切銑刀硬件實現

1.1 內驅動式滾切銑刀硬件組成

如圖1（a），中心輪架通過輪架螺栓與機床主軸箱連接，銑刀定位心軸位于機床旋轉主軸、刀盤的孔中，刀盤通過銑刀定位心軸定心，通過緊固螺釘與機床旋轉主軸連接，上蓋板通過多根上蓋板螺栓與刀盤連接，中心輪架與刀盤之間裝有中心輪架內油封，中心輪架與上蓋板之間裝有中心輪架外油封，直齒圓柱齒輪通過齒輪副與中心輪架連接，直齒圓柱齒輪通過上圓螺母、平鍵、上圓螺母止動墊緊固于行星輪軸上，行星輪軸通過下軸承、上軸承與行星輪套杯連接，上軸承由上軸承壓蓋壓緊，上軸承壓蓋由多根上軸承壓蓋螺釘與行星輪套杯緊固，行星輪套杯通過外側錐面與刀盤的錐孔配合并由兩個下圓螺母緊固于刀盤上，如圖1（c），行星輪套杯和刀盤之間裝有密封圈，密封圈由孔用彈性檔圈與刀盤固定，行星輪軸通過錐齒輪副與旋轉刀軸連接，旋轉刀軸通過右軸承、左軸承與行星輪套杯連接，右軸承、左軸承分別由對應的右軸承壓蓋、左軸承壓蓋壓緊，右軸承壓蓋、左軸承壓蓋分別由對應的多根右軸承壓蓋螺栓、左軸承壓蓋螺釘與行星輪套杯緊固，旋轉刀軸和右軸承壓蓋之間裝有油封，圓刀片座通過錐孔與旋轉刀軸的外錐面配合，圓刀片位于圓刀片座上通過刀片壓板壓緊，圓螺母、圓螺母止動墊將圓刀片、圓刀片座、壓板與旋轉刀軸緊固。

如圖1所示，由圓螺母、平鍵、行星輪軸、上圓螺母止動墊、直齒圓柱齒輪、下圓螺母、行星輪套杯、旋轉刀軸、下軸承、上軸承、圓刀片、上軸承壓蓋螺釘、上軸承壓蓋、圓刀片座、刀片壓板、圓螺母止動墊、圓螺母、油封、右軸承壓蓋、右軸承壓蓋螺栓、右軸承、左軸承壓蓋螺釘、左軸承壓蓋、左軸承組成四組組件，且四組組件等間距排列于以機床旋轉主軸的軸線為回轉中心的水平圓周上。

圖1 內驅動式滾切銑刀硬件組成

中心輪架下部外側有一圈直齒輪齒。行星輪軸的下部有一圈錐齒輪齒。行星輪套杯的中部外側為錐面。旋轉刀軸中部有一圈錐齒輪齒。

1.2 內驅動式滾切銑刀切削運動過程

機床旋轉主軸的轉動帶動與其連接的刀盤轉動，刀盤上的元件包括上圓螺母、平鍵、行星輪軸、上圓螺母止動墊、上蓋板、上蓋板螺栓、下圓螺母、行星輪套杯、旋轉刀軸、下軸承、上軸承、密封圈、孔用彈性檔圈、直齒圓柱齒輪、圓刀片、上軸承壓蓋螺釘、上軸承壓蓋、圓刀片座、刀片壓板、圓螺母止動墊、圓螺母、油封、右軸承壓蓋、右軸承壓蓋螺栓、右軸承、左軸承壓蓋螺釘、左軸承壓蓋、左軸承，均隨刀盤繞機床旋轉主軸的軸線旋轉，而中心輪架是與機床主軸箱連接的，因此中心輪架沒有旋轉運動，即中心輪架靜止，直齒圓柱齒輪與中心輪架通過直齒輪副連接，因此直齒圓柱齒輪和與其固連的行星輪軸除繞機床旋轉主軸的軸線旋轉外還繞自身軸線旋轉，行星輪軸通過錐齒輪副將繞自身軸線的旋轉運動傳遞給旋轉刀軸，旋轉刀軸和與其固連的圓刀片除繞機床旋轉主軸的軸線旋轉外還繞自身軸線旋轉，圓刀片隨刀盤做走刀運動的同時繞自身軸線旋轉完成對工件的加工。

密封圈、中心輪架外油封、中心輪架內油封、油封均起密封作用。兩個端面相互接觸的下圓螺母能夠起到摩擦防松的作用，上圓螺母止動墊、圓螺母止動墊起防松作用。

行星輪套杯通過外側錐面與刀盤的錐孔配合并由兩個下圓螺母緊固在刀盤上，靠外側錐面與錐孔面之間的摩擦力防止行星輪套杯因受外力而繞自身軸線旋轉，松開兩個下圓螺母，將行星輪套杯向上頂起，行星輪套杯外側錐面與刀盤的錐孔面分離，沿行星輪套杯自身軸線轉動星輪套杯則可調整圓刀片安裝角度。安裝角度是指圓刀片的軸線以行星輪軸的軸線為軸轉動形成的角度。孔用彈性檔圈主要防止密封圈在行星輪套杯向上頂起時從刀盤中脫落。中心輪架下部外側有一圈直齒輪齒，能夠保證星輪套杯被向上頂起時直齒圓柱齒輪向上順利滑動。調整好圓刀片安裝角度后，擰緊兩個下圓螺母，實現行星輪套杯與刀盤的緊固。即一種難加工材料專用銑刀的圓刀片的安裝角度不但調整方便而且可實現任意角度的調整。由于圓形刀片繞自身軸線主動旋轉運動的驅動來自機床本身而不是外加的電機驅動，所以將其稱為“內驅動式滾切銑刀”。

2 高效內驅動式滾切銑刀優勢分析

圓刀片隨刀盤做走刀運動的同時繞自身軸線主動旋轉，而且圓刀片繞自身軸線主動旋轉運動的驅動來自機床本身，所以圓刀片繞自身軸線主動旋轉的速度大小與切削速度的大小成比例，其傳動比由各齒輪傳動副之間的齒數比決定。圓刀片繞自身軸線主動旋轉的轉向，可通過在直齒圓柱齒輪與中心輪架的齒輪副之間加惰輪來改變。

另一方面圓刀片的前刀面的排屑速度也與切削速度成比例，通過設計各齒輪傳動副之間的齒數比并調整安裝角度，使切屑在圓刀片前刀面的相對滑動速度降低，甚至降為零，有效地防止刀具前刀面的磨損。圓刀片采用隨刀盤做走刀運動同時繞自身軸線旋轉的方式完成對工件的加工，使后刀面的磨損量平均到了整個圓周上，從而減少了后刀面的磨損。內驅動式滾切銑刀能有效地降低刀具磨損、提高刀具使用壽命，提高切削速度和加工效率。

如圖2 所示，圓形刀片隨銑刀刀盤以轉速作走刀運動的同時繞自身軸線以轉速n旋轉完成對工件的加工。圓形刀片切削刃上一點隨銑刀刀盤作走刀運動的切削速度大小為（=，為銑刀刀盤回轉半徑），圓形刀片切削刃上一點繞自身軸線旋轉的旋轉線速度大小為V（V=nr，為圓刀片半徑）。

圖2 滾切銑削加工示意圖

滾切加工是滾壓和普通切削結合的加工方法，圓形刀片在切削過程中連續旋轉，使其不僅具有斜角切削的特點，而且刀片后刀面的棱帶還具有滾壓作用。因此該文根據滾切加工這個特點定義圓形刀片的旋轉線速度V與切削速度的比值為滾切速率比，如公式（1）所示。

滾切速率比是表征“滾壓”和“切削”的比例關系的一個系數，和銑-銑復合加工方法中的銑-銑切削速率比k相同，滾切速率比也是滾切銑削加工方法中的一個重要的參數，滾切銑削加工方法中的滾切速率比不但具有可觀、可測等重要特點，而且還與滾切加工其他參數（如工件表質量參數、刀具后刀面磨損速率、切削力參數）有密切的關系。

圖3的加工仿真表明：主切削力F隨的增大而減小。

圖3 滾切銑削加工仿真

滾切加工圓形刀片上一點的刀具軌跡為周期為2π的變升角的螺旋線（如圖2所示），而刀具前刀面的實際工作面為螺旋面，刀具螺旋線的螺距的計算公式如下。

上述特性決定了內驅動式滾切銑刀能有效地降低刀具磨損，延長刀具使用壽命，加快切削速度，提升加工效率。

3 結論

在原有機械加工設備的基礎上提高加工的效率是人們一直研究的課題。內驅動式滾切銑刀的基本原理為采用了一個行星輪系結構，中心輪與機床調速軸固連；行架與機床旋轉主軸固連；行星輪通過一對錐齒輪副將運動傳遞到圓刀片。一對錐齒輪副中包括主動錐齒輪和從動錐齒輪。這樣圓形刀片隨行架（即銑刀刀盤）做走刀運動的同時繞自身軸線旋轉完成對工件的加工，此時機床主軸與圓形刀片之間的傳動鏈為“內聯系傳動鏈”。內驅動式滾切銑刀的圓形刀片能夠在不改動機床、不外加電機驅動的情況下實現隨銑刀刀盤做走刀運動的同時繞自身軸線旋轉完成對工件的滾切加工運動。圓刀片采用隨刀盤做走刀運動同時繞自身軸線旋轉的方式完成對工件的加工，使后刀面的磨損量平均到了整個圓周上，從而減少了后刀面的磨損。內驅動式滾切銑刀能有效地減少刀具磨損，延長刀具使用壽命，加快切削速度，提升加工效率。