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自回轉(zhuǎn)刀具的運動及特點

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展枪向,高強度鋼有蒲、高溫合金汽心、鈦合金以及復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛琼娘。這些材料的切削加工性極差谍臀,普通刀具的耐磨性已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求嫌变。優(yōu)化加工條件(優(yōu)選刀具材料穴眨、合理的刀具幾何角度荚谢、最佳的切削用量宁斋、性能優(yōu)良的切削液等)可以提高刀具的耐磨性感栋,但是切削時的磨損本質(zhì)并沒有改變。采用自回轉(zhuǎn)刀具慧男,在不改變現(xiàn)有刀具材料姥仍,不降低切削用量的條件下,刀具耐用度得到明顯提高(幾倍至幾十倍)比摆,而加工表面粗糙度值則明顯降低(下降 1~3級)傻牙。
自回轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用主要有自回轉(zhuǎn)車刀纪立、自回轉(zhuǎn)銑刀和自回轉(zhuǎn)刨刀,本文從分析自回轉(zhuǎn)車刀的運動行為出發(fā)阐泻,并以切削理論對自回轉(zhuǎn)刀具的特點予以闡明胰肆。

圖1 自回轉(zhuǎn)車刀工作原理

圖2 摩擦力Ft作用對速度影響

1 自回轉(zhuǎn)車刀工作原理與運動行為

自回轉(zhuǎn)車刀與普通車刀的結(jié)構(gòu)不同,其切削部分是一個單自由度機構(gòu)担急,即自回轉(zhuǎn)車刀的刀片(切削部分)呈圓錐柱形狀桦闪,刀刃可繞本身軸線回轉(zhuǎn)。刀片的軸線與主運動矢量有一傾斜角ls,刀片的回轉(zhuǎn)是由切削產(chǎn)生的相對于圓形切削刃幾何軸線的切削扭矩來實現(xiàn)蚁趁,見圖1裙盾。
切削刃回轉(zhuǎn)速度vt的大小取決于主運動速度v,傾斜角ls以及刀具表面上的力和刀片支承中的摩擦狀態(tài),即
vt=xv
式中他嫡,x—刀片自回轉(zhuǎn)系數(shù)闷煤,一般x≤sinls,在理想支承中,不考慮刀片支承中的摩擦力影響涮瞻,切削刃最佳回轉(zhuǎn)速度
vt=vsinls (1)
有效切削速度(切削刃相對加工材料上的移動速度)vn與v、vt的關(guān)系為
而在理想支承中假褪,vn
vn=vcosls (2)
在理想支承中n與刀片回轉(zhuǎn)軸線平行署咽,而當(dāng)?shù)镀С兄械哪Σ亮t作用使vt減小為vt′時,相應(yīng)的vn′不再與刀片回轉(zhuǎn)軸線平行生音,見圖2所示宁否。
由速度三角形可得
Vn′=vn/cosDl (3)

Vt′=vt(1-cotlstanDl) (4)

這樣,刀片支承中的摩擦力使vt減小缀遍,使vn增大慕匠,并且決定了刀片以自回轉(zhuǎn)的最小角Dl。由此可以看出ls是自回轉(zhuǎn)刀具的重要參數(shù)域醇,根據(jù)ls的不同數(shù)值隔阔,自回轉(zhuǎn)刀具切削運動具有三種特征:
  1. 保證刀片能夠自回轉(zhuǎn)的最小ls1,其數(shù)值由刀片支承中的摩擦系數(shù)及加工條件決定(一般ls1<7.5°)。
  2. 隨著ls增大肖升,刀片支承中的摩擦力作用減弱贵式,會出現(xiàn)實際的vt與理論值相吻合時的ls2
  3. 保證切屑正常切離工件的極限值ls3拦袍。

圖3 自回轉(zhuǎn)車刀的兩種安裝方式

圖4 自回轉(zhuǎn)車刀角度關(guān)系

2 自回轉(zhuǎn)車刀的幾何參數(shù)

自回轉(zhuǎn)刀具的ls較大衬榕,具有斜角切削的特點,其幾何參數(shù)在法平面參考系中標(biāo)注誓拉。
  1. 安裝方式
    自回轉(zhuǎn)車刀工作時杈夜,圓形刀片的傾斜角ls可以是正值,亦可以是負(fù)值篓羊,前者稱為正切削盹组,后者稱為反切削弓呵,如圖3所示。正切削時疾词,切屑由待加工表面一側(cè)流出溃蛙,反切削時,切屑由已加工表面一側(cè)流出绑咱。
  2. 自回轉(zhuǎn)車刀的工作角度
    自回轉(zhuǎn)車刀切削運動行為使自回轉(zhuǎn)車刀切削刃上各點的工作角度發(fā)生較大變化绰筛,工作角度與靜態(tài)角度的關(guān)系如圖4所示。
    正切削時:
    gnc=gn-sn (5)
    anc=an+sn (6)
    反切削時:
    gnc=gn+sn (7)
    anc=an-sn (8)

    式中描融,gne铝噩、ane——刀具切削刃任一點的工作法前角;工作法后角窿克;
    gn骏庸、an——刀具靜系法前角、法后角年叮;
    sn——刀具切削刃任一點工作基面與刀片基面之間的夾角具被。
    cosgn= sinwcosy+coswsinysinls-zsinycosls
    ———————————————
    coswcosls+zsinls
    (9)
    w=arccosx/Rx (10)
    y=arccos[1-(x-Rm)/Rb] (11)
    z=f/(2pR) (12)
    (13)

    式中,Rb——圓形刀片切削刃半徑;
    Rx——切削刃任一點對應(yīng)的工件半徑只损;
    Rm——工件已加工表面半徑一姿;
    f——每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。

圖5 自回轉(zhuǎn)刀具加工表面殘留高度

3 自回轉(zhuǎn)刀具加工粗糙度

圖5所示為自回轉(zhuǎn)刀具加工表面殘留高度跃惫,其理論殘留高度是由長短軸分別為Rb叮叹、Rbcosls的兩橢圓組成。
理論殘留高度H可由下式計算
(14)
式中溺联,Rb——圓形刀片切削刃半徑济问;
fz——每齒進(jìn)給量(車削時為進(jìn)給量f)。
與普通刀具相同捻境,增加進(jìn)給量H值增大吝殖,但自回轉(zhuǎn)刀具的刀尖圓弧半徑比普通刀具大數(shù)倍,在同樣粗糙度的要求下炸鹅,自回轉(zhuǎn)刀具可以采用較大的進(jìn)給量娩戳。

4 結(jié)語

  1. 刀片傾斜角ls是自回轉(zhuǎn)刀具的重要參數(shù),它決定了刀具的運動狀態(tài)伍愕,影響切削中的物理變化更践。
  2. 自回轉(zhuǎn)刀具在ls>30°容易獲得較好的表面粗糙度;在不降低切削用量的條件下刀具耐用度比普通刀具明顯提高蓉庆。
  3. 自回轉(zhuǎn)刀具適用于在較高切削速度藏络,較大進(jìn)給量條件下切削難加工材料。


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