加工齒輪泵殼體專用刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、加工齒輪泵殼體專用刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)1 引言齒輪泵是轎車發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑和冷卻系統(tǒng)的重要部件。齒輪泵殼體采用鋁合金材料(Y112)制造。加工齒輪泵殼體的關(guān)鍵工序是對(duì)圖1 所示齒圈槽部位的切削加工，它對(duì)加工的尺寸精度和表面粗糙度均有較高要求。齒圈槽毛坯為壓鑄件，加工余量僅約1mm，為提高加工效率，工藝設(shè)計(jì)在臺(tái)灣森達(dá)MCV-50A 立式加工中心上一次加工完成。但在加工中，當(dāng)?shù)毒咔邢髦笼X圈槽槽底時(shí)，由于整個(gè)主切削刃全部進(jìn)入切削狀態(tài)(即所謂“全鋒切削”)，切削負(fù)荷突然增大，加上工件毛坯表面不平整，極易引起加工顫振，使被加工表面出現(xiàn)明顯波紋，造成齒圈槽槽底加工表面質(zhì)量惡化，刀具壽命縮短。為此，本文在分析加工顫振產(chǎn)

2、生機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)齒圈槽加工專用刀具的刀體結(jié)構(gòu)和刀具參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。2 加工顫振機(jī)理分析加工顫振是指切削加工過程中，在無周期性外力作用的情況下，完全由加工系統(tǒng)自身產(chǎn)生的一種自激振動(dòng)。引起加工顫振的根源是切削力的動(dòng)態(tài)變化量DF，其在加工系統(tǒng)中的反饋機(jī)理如圖2所示。當(dāng)切削過程中的某些因素(如刀具切到工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)、材料表面不平整等)使切削力F產(chǎn)生一個(gè)變化量DF時(shí)，則會(huì)在刀具與工件之間產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的彈性位移DX。由于DX 改變了切削深度，必然會(huì)使切削力產(chǎn)生一個(gè)新的變化量DF，并反饋回加工系統(tǒng)中。在DF的作用下又會(huì)產(chǎn)生新的位移變化量DX。如此往復(fù)循環(huán)，結(jié)果可能出現(xiàn)兩種情況：反饋量不能滿足系統(tǒng)自

3、激振動(dòng)條件，初始擾動(dòng)DF經(jīng)幾次衰減后回復(fù)到零，系統(tǒng)迅速恢復(fù)到擾動(dòng)前的穩(wěn)定狀態(tài)；反饋量正好滿足系統(tǒng)自激振動(dòng)條件，初始擾動(dòng)經(jīng)若干次激勵(lì)后導(dǎo)致一種持續(xù)不衰的等幅振動(dòng)，此時(shí)加工系統(tǒng)將產(chǎn)生顫振。在切削過程中，當(dāng)?shù)毒吲c工件產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)時(shí)，切削刃的移動(dòng)軌跡由直線變?yōu)椴ɡ司€，其切深也隨之不斷變化，由此會(huì)引起交變切削力Fd(如圖3所示)。為抑制和消除加工顫振現(xiàn)象，通?？刹捎酶淖冎鬏S轉(zhuǎn)速的方法。但加工鋁合金材料時(shí)，如轉(zhuǎn)速過低，容易發(fā)生“粘刀”現(xiàn)象(即切削高溫使鋁屑熔結(jié)在刀刃上)，從而使加工狀況惡化；如轉(zhuǎn)速過高，則會(huì)影響刀具使用壽命。因此，為消除顫振現(xiàn)象，必須對(duì)原有刀具的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 3 刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4、齒圈槽加工專用刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要分為兩部分：刀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和刀具參數(shù)選擇。 1. 刀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.引起刀具產(chǎn)生相對(duì)于工件的彈性位移DX的切削力變化量DF隨刀體剛性的增大而減小，即當(dāng)?shù)毒吲龅接操|(zhì)點(diǎn)時(shí)，剛性較大的刀體產(chǎn)生的彈性位移較小。由彈性位移DX產(chǎn)生的相應(yīng)切削力變化量DF可表示為 式中：kd動(dòng)態(tài)切削力系數(shù) 2.b有效切削寬度 3.重迭系數(shù) 4.f原有波紋與本次切削形成波紋的相位差5.由式(1)可知，DF與DX 成正比，即刀具剛性越大，產(chǎn)生彈性位移DX 越小，引起的DF也越小，從而可使初始擾動(dòng)DF經(jīng)幾次衰減后迅速回復(fù)到零。為此，我們將原刀具的復(fù)合式刀體(見圖4)重新設(shè)計(jì)為整體可調(diào)式刀體(見圖5)

5、。刀具對(duì)齒圈槽內(nèi)側(cè)面及槽底部分的加工由刀刃1完成，對(duì)齒圈槽外側(cè)面的加工則由刀刃2完成。原復(fù)合式刀體可通過分別調(diào)整刀刃1和刀刃2來滿足齒圈槽內(nèi)、外側(cè)面的加工尺寸要求，而整體可調(diào)式刀體只能利用可調(diào)部分實(shí)現(xiàn)刀具的整體調(diào)整(即不能分別調(diào)整刀刃1和刀刃2)，因此槽寬尺寸的調(diào)整與復(fù)合式刀體相比較為困難與費(fèi)時(shí)(為達(dá)到加工尺寸要求，需用油石對(duì)刀刃作細(xì)致修整)。為此，我們又對(duì)整體可調(diào)式刀體進(jìn)行改進(jìn)，將承受切削力較小的刀刃2由焊接式改為機(jī)夾式，以便于其位置調(diào)整。這樣既可滿足增大刀體剛性的要求，又改進(jìn)了刀具的可調(diào)性。通過在原來最易發(fā)生加工顫振的主軸轉(zhuǎn)速(1800r/min)下用可調(diào)式刀體進(jìn)行切削試驗(yàn)，情況良好。然后

6、將進(jìn)給速度由F8逐漸調(diào)至F30，均未出現(xiàn)顫振現(xiàn)象。6.7. 刀具參數(shù)設(shè)計(jì) 由于齒圈槽內(nèi)側(cè)面和槽底部分的加工較為困難，因此僅對(duì)刀刃1進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)相關(guān)刀具參數(shù)。鋁合金材料硬度低、導(dǎo)熱性好，適合于高速切削，設(shè)計(jì)選用YG8硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行干式切削，設(shè)定切削速度為450m/min。由于鋁合金材料熔點(diǎn)較低(約650)，在切削中容易形成積屑瘤，產(chǎn)生“粘刀”現(xiàn)象，影響加工尺寸精度和表面粗糙度，因此要求刀刃鋒利性好，但刃口過于鋒利又會(huì)降低刀刃剛性，容易引起崩刃。因此，選擇合適的刀具前、后角，對(duì)于抑制顫振、改善齒輪泵殼體加工質(zhì)量極為重要。 8.a. 前刀面及前角的設(shè)計(jì) b.齒圈槽加工部位為溝槽，排屑順暢對(duì)于保

7、證加工質(zhì)量十分重要。若產(chǎn)生小片狀C 形切屑，沉積在槽底，容易刮傷已加工的齒圈槽兩側(cè)面，并可能引起“粘刀”現(xiàn)象。為使切屑從齒圈槽外側(cè)面順利流出，最理想的切屑形態(tài)是卷曲半徑較大的寶塔形切屑。為此，將刀刃1的前刀面設(shè)計(jì)為圓弧形斷屑槽，并將斷屑槽一側(cè)磨去少許，如圖6 所示。在刀具前角和槽寬相同的情況下，圓弧形斷屑槽比其它形狀(如直線圓弧形、錐坑形等)的斷屑槽可獲得更好的刀刃剛性。 c.通過試切比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)毒咔敖莋0=3540時(shí)切削效果最好，為增大刀刃剛性，取前角g0=35。前角g0與斷屑槽圓弧半徑R、斷屑槽槽深h之間的近似關(guān)系為d.a.a.為獲得較大卷曲半徑的切屑及便于刀具刃磨與檢測(cè)，選取斷屑槽圓弧

8、半徑R=6mm，并可計(jì)算出斷屑槽深度h1.1mm。由于實(shí)際刃磨刀具時(shí)直接檢測(cè)前角g0較為困難，因此可通過檢測(cè)h及R來控制g0的大小。b.c. 刀尖圓弧半徑及后角的設(shè)計(jì)加工鋁合金材料要求刀刃鋒利，但實(shí)際上并不存在理想的鋒利刀刃。為獲得具有微小半徑(R0.010.02mm)的圓弧刀刃，可在刀具刃磨后用油石仔細(xì)修整刀刃部分。用帶有微小圓弧的刀刃進(jìn)行切削時(shí)，刀刃除受切削力作用外，刀刃圓弧部分還受到一個(gè)刀刃力作用，其大小與刀刃圓弧半徑有關(guān)，半徑越大，刀刃力也越大。同時(shí)，后刀面與已加工表面的相互接觸還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后面力(見圖7)，其大小除與刀刃圓弧半徑有關(guān)外，還與刀具后角有關(guān)，后角越小，后刀面與已加工表面的相互接觸面積越大，產(chǎn)生的后面力就越大，后刀面磨損也越大。此外，當(dāng)發(fā)生切削振動(dòng)時(shí)，小后角容易使后刀面與已加工表面發(fā)生干涉。因此，后角應(yīng)適當(dāng)選取大一些。設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮刀刃剛性的前提下，經(jīng)試切比較，選取后角a0=15。4 結(jié)語鋁合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、抗蝕性好