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驅動式（shì）滾切銑削機理分析（xī）及其刀具

2017-1-5 來源：北（běi）京理（lǐ）工大學機械與車（chē）輛學院唐山學院作者：李慎旺王西彬解麗靜

摘要: 為了對驅動式（shì）滾切（qiē）銑削及驅動式滾切銑刀（dāo）進（jìn）行深入（rù）研究,在充分分析滾切加工（gōng）特點的基礎上,提出了以滾切速（sù）率比表征滾壓和切（qiē）削的比例關係,結合滾切速率比對驅動式滾切銑削的加工表麵質量、刀具後刀麵接觸滑動速率、驅動式滾切銑削的銑削力的機理進（jìn）行了（le）研究. 得出（chū）了驅動（dòng）式滾（gǔn）切（qiē）銑削本身特有的切削規律,並依（yī）據這些規（guī）律提出了驅動式滾切銑削加工的硬件實現形式“內驅動式滾切（qiē）銑刀（dāo）”. 結果表明:內驅（qū）動式滾切銑刀（dāo）(又稱難加工材料專用銑刀)既能夠根（gēn）據待優化（huà）參數的要求在機加工前（qián）調節滾切速率比的值,又能夠在機加工過程中保持調（diào）節好的滾切速率比的值穩定,相對傳（chuán）統（tǒng）的自滾（gǔn）切刀具具（jù）有很強的（de）優勢.

關鍵詞: 滾切加工（gōng）; 驅動式滾切銑削; 滾切速率比; 切削力; 內驅動式滾切銑刀

滾切刀具(回轉刀具)上裝有（yǒu）圓形刀片,在切削過程中,圓形刀片一邊隨著刀體作走刀運動,一邊繞其自身（shēn）軸線（xiàn）作回轉運動. 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( drivingrotary tool,DRT);當圓形（xíng）刀片的轉動是由工件和刀片之（zhī）間的相對運（yùn）動來驅動時稱為自滾切刀具（jù）(selfpropelledrotary tool,SPRT)[1] . 由於滾切刀具的圓形刀片在切削（xuē）過程中連續旋轉,使其不僅具有斜角切削的特點,而且刀片後刀麵的棱（léng）帶還具（jù）有滾（gǔn）壓作用,因而能極大地（dì）提（tí）高刀具耐用度、加工生產率和表（biǎo）麵（miàn）質（zhì）量.

近（jìn）年來,由於高硬度（dù）、高強度、高耐磨性能的切削加工性差的難加工材料不斷出現,自回轉（zhuǎn）刀具獨特的結構和運動行為（wéi）,能（néng）在不（bú）降材料（liào）去除率的情況下,加（jiā）工表麵粗糙度得到減小,刀具耐用度得到幾倍至幾十倍的（de）增加[2] . 因此（cǐ）,引（yǐn）起了很多學者（zhě）對（duì）自回（huí）轉刀具加工難（nán）加工（gōng）材料[3-9] 的切削加工研究的興趣.這不僅促進了傳統金屬切削（xuē）的革命,也帶動了新（xīn）技術、新理論的發展.

分析已有的研（yán）究滾切加工的（de）理（lǐ）論（lùn）、技術、文獻發現:研究滾切（qiē）車削的多[1-13] , 而（ér）研究滾切銑削的少[14-15] ;研究（jiū）自滾切加工的多[1-8,14-15] ,而研（yán）究驅動式滾切加工的少[9-13] ;而驅動式滾切加工的研究都（dōu）集中在驅動式車削（xuē）加工[9-13] . 事實上從現有文獻看,還未發現驅動式滾切銑削（xuē）及（jí）驅（qū）動式滾切銑刀方麵（miàn）的深入研究. 本文分析了（le）驅動式滾（gǔn）切銑削的理論,得出了驅動式滾切銑（xǐ）削本身特有的切削規律,並依據這（zhè）些規律提出了驅動（dòng）式滾切銑削加工的硬件（jiàn）實現形式“內驅動式滾切銑（xǐ）刀”.

1.驅動（dòng）式（shì）滾切銑（xǐ）削的滾切速率（lǜ）比k

圖1 為滾切銑削加工示意圖,圖中圓形刀（dāo）片隨銑刀（dāo）刀盤以轉速n 作走刀運動的同時繞（rào）自身軸線以轉速nt旋轉完成對工件（jiàn）的加工. 圓形刀片切削刃上一點隨銑刀刀盤（pán）作走刀（dāo）運動的切削速度大小（xiǎo）為v(v = nR,R 為銑刀刀盤回轉半徑),圓形刀片切削刃上一點繞自身軸線（xiàn）旋轉的（de）旋轉線（xiàn）速度大小為vt(vt = ntr,r 為圓（yuán）刀片半徑).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（yǒu）斜

圖1 滾切銑削加工示（shì）意圖

角切削的特點,而且刀片後刀麵的（de）棱帶還具有滾壓作用. 因（yīn）此,本文根據滾切加工這個特點定義（yì）圓形刀片的旋轉線速度大小vt與切削速度大小V 的比值為（wéi）滾切速率比k,即

滾切速率比k 是表（biǎo）征滾壓和切削的比例關係的一個係數,驅動式滾（gǔn）切速率比k 不但具有可觀（guān）、可測等特點,而且還與滾切加工其他參數(如工件表質量、刀具後（hòu）刀麵接觸滑動速率、切削（xuē）力)有著（zhe）密切（qiē）的（de）關係.

如圖1 所示,滾切（qiē）加工圓（yuán）形刀片上一點的刀具軌跡為（wéi）周期為2π 的（de）變（biàn）升角的螺旋（xuán）線,而刀具前刀麵的實際工作麵為螺旋麵（miàn）,刀具螺（luó）旋線的螺距p 的計（jì）算式為

由式(2)可知,滾切速（sù）率比k 越大則（zé）滾壓螺旋線的螺距p 越（yuè）小（xiǎo）,而滾壓螺旋線的螺距（jù）p 越小圓形刀片上一點的刀具軌跡線（xiàn）越密,圓形刀片後刀麵的棱帶對工件加工表麵滾壓作用越好.

2.驅動式滾切銑削的刀具後刀麵（miàn）接觸滑動速率

圖2 為驅動式滾切銑刀的各速度之間的關係圖（tú）,其中vt 為（wéi）圓形刀片的（de）旋轉線速度;v 為切削速度;ve為後（hòu）刀麵與工件的相對摩擦速度（dù）,其數值越大則刀（dāo）具後刀麵（miàn）接觸滑動速率越（yuè）大（dà）.λs為安裝刃傾角（jiǎo）,驅動（dòng）式滾切銑刀安裝後確定的（de）刃（rèn）傾角λs 與（yǔ）製造無關,故稱為（wéi）安裝（zhuāng）刃傾角,驅動式（shì）滾切銑刀的安裝刃傾角λs 為圓形刀片（piàn）的切削（xuē）刃平麵與銑刀回轉中心連線的夾角,如圖1、2 所示.由圖2 可知,

圖2 驅動式滾切銑刀（dāo）的各速度之間的關係

3.驅動式（shì）滾切銑削的切削力與滾切速率比k的關係及仿真

3. 1 驅動式滾切加工的切削力與滾切（qiē）速率比k 的關係的分（fèn）析（xī）

圖4 滾切加工的切削力分析圖

3. 2 驅動式滾切加工的切削力與滾（gǔn）切速率比k 的關係的（de）仿真（zhēn）

圖5 切削力與（yǔ）ie 的關係

所（suǒ）以主切削力Fc 隨k 的（de）增大而減小. 取k = 0和k =0. 5 對滾切（qiē）過程進行仿真,k =0 和k =0. 5 兩次仿真過（guò）程取完全相（xiàng）同（tóng）的切削（xuē）參數,仿真過程如圖6 所示. 仿真結果如圖7 所示.

仿真結果驗證了主切削力Fc 隨k 的增大（dà）而減小的結論（lùn）,文獻[5,8]的實（shí）驗結（jié）果也證實了這（zhè）個結（jié）論. 至於當k 取很大的數值(尤其是在高速切削(v取值大)情況下k 取很大的數值)的高速過滾（gǔn）切（qiē）的情況(ie趨近正或負90°),是否如理論分析的（de）那樣,Fr 、Fcn 、Ft均大幅降低,還有待進一步研究論證. 因為這種大的v 值、大的（de）k 值的高速過滾切的情況涉（shè）及金屬（shǔ）的熱軟化和（hé）應變硬化、熱塑性失穩、快速塑變過程的溫度（dù）梯度、切削變（biàn）形的集中剪切滑移、力（lì）-熱強耦合等諸多問題.

圖6 不同k 值時的仿真過程（chéng）

圖7 不同k 值時的仿真結果

4.驅（qū）動式滾（gǔn）切銑削的硬件實現形式

由以（yǐ）上分析可知:一（yī）方麵希望能夠根據待優化（huà）參數(如工件表質量)的要求能在機（jī）加工前調節k值（zhí）,另一方麵（miàn）又（yòu）希望調節好的k 值能夠在機（jī）加工過程中保持穩定. 內（nèi）驅動式滾切（qiē）銑刀能夠滿足上述要求.

內驅動（dòng）式滾（gǔn）切銑（xǐ）刀(又稱難加工材料專用銑刀（dāo）,已獲國家發明專利（lì）,專（zhuān）利號:ZL2013100137758)結構如圖（tú）8 所（suǒ）示,其基（jī）本原理為采用了一個行星輪係結構,中心輪（lún）與機床主軸（zhóu）箱（xiāng）固連;行架與機床主（zhǔ）軸固連;行（háng）星輪通過一對（duì）錐齒（chǐ）輪副(主動錐齒輪和從動錐齒輪)將運動傳遞到圓刀片. 這樣（yàng）圓形刀片隨行架(即銑刀刀盤)作（zuò）走刀運動（dòng）的同時繞自（zì）身軸線旋轉完成對工件（jiàn）的加（jiā）工. 此時機床主軸與圓形刀（dāo）片之間的傳動鏈為內聯（lián）係傳動鏈.