鉸削試驗研究和鉸刀優化應用

圖3 螺旋刃鉸刀實體模型 

    1 引言
           

    由于我國經濟的高速增長，工業用電量持續上升，因此成套設備制造行業生產任務大幅增加，使得原有的一些機械加工方法無法滿足生產的需要，其中鉸孔加工尤為突出。鉸孔加工以往使用高速鋼鉸刀，加工時間長，刀具消耗量大，生產效率低，采用硬質合金鉸刀是有效的解決方案。以前使用標準鉸刀，當被加工孔較深 (L/D>4)時，加工過程中排屑困難，堵塞的切屑刮傷了已加工表面，孔的表面質量達不到要求；并且由于堵塞的切屑擠壓破壞了鉸刀刀刃，致使鉸刀破損嚴重。為了解決這一問題，在對加工條件和標準鉸刀結構進行分析的基礎上，進行了三種刃形硬質合金鉸刀的設計與開發研究工作。

    本文以解決生產實際需要為目標，并結合國際先進加工業日益廣泛采用的干式加工為手段，對直刃鉸刀、斜刃鉸刀和螺旋刃鉸刀進行了鉸削實驗研究，獲得了大量實驗數據，對三種刃形鉸刀的鉸削力、表面粗糙度、切屑形狀進行了綜合對比評判，得到直刃鉸刀、斜刃鉸刀、螺旋刃鉸刀的鉸削綜合性能排序，實現了鉸刀的優化，從而優選出最佳使用效果的鉸刀，解決了生產實際需求。

    2 三種刃形硬質合金鉸刀實體建模
           

    為更好地直觀了解設計的鉸刀幾何形狀及其切削性能，利用I-DEAS軟件進行實體建模工作。在造型的時候，首先，依據莫氏錐柄的尺寸，旋轉出莫氏錐度圓錐體，利用體切割做出刀柄，再拉伸出圓柱體作為刀體的頸部，旋轉拉伸并切割圓柱體，形成鉸刀的螺旋槽，將刀體的頸部與莫氏錐柄連接在一起，接下來做出刀具工作部分長度圓柱體，并在此圓柱上面切割出刀片槽，將此帶有刀槽的刀具工作圓柱體部分與前面的刀體頸部和莫氏錐柄連接在一起，形成刀體。依據刀片的實際幾何尺寸進行刀片的實體模型設計，并將刀片移至刀片槽位置，從而鉸刀實體模型完成，如圖1、圖2、圖3 所示為種刃形鉸刀的實體模型。根據實體模型加工出種刃形鉸刀。

圖5 表面粗糙度對比曲線圖 

    3 鉸削力的試驗結果及分析
           

    實驗采用了干式鉸削，通過試切的辦法最終確定了應采取的合理切削用量。使用了直刃鉸刀、斜刃鉸刀和螺旋刃鉸刀種刃型鉸刀，試驗材料為40Cr鋼，切削用量采用在相同進給量(f=0.1mm/r)與背吃刀量的情況下，通過改變不同的主軸轉速獲得切削力值。整理采集的數據，將種刃形鉸刀的鉸削力分別進行了對比，如圖4所示(符號◆代表直刃鉸刀的鉸削力曲線；符號■代表斜刃鉸刀的鉸削力曲線；符號▲代表螺旋刃鉸刀鉸削力曲線)。對比種鉸刀， 直刃鉸刀受力大于斜刃鉸刀，斜刃鉸刀受力又大于螺旋刃鉸刀。在相同切削條件下，螺旋刃鉸刀的受力最小。

    3 表面粗糙度的測量結果與分析

    表面粗糙度是反映零件表面上微觀幾何形狀誤差的一個重要指標，它主要是由于在加工過程中刀具和零件表面之間的摩擦，切屑分離時的塑性變形，以及工藝系統中存在的高頻振動等原因造成的。加工孔的表面粗糙度的好壞是評價一把鉸刀的重要指標，因此對以上實驗加工的孔進行表面粗糙度的測量。圖5為表面粗糙度曲線對比圖。

    在固定進給量(f=0.1mm/r)的情況下，變動不同的轉速，對比 種刃形鉸刀，可以發現螺旋刃鉸刀加工孔的表面粗糙度值最小，斜刃鉸刀次之，直刃鉸刀最大。

圖6 切屑形貌對比圖

    4 切屑形狀的對比分析
   

    在測量三向鉸削力的同時， 進行了切屑的搜集。隨著切削用量的改變，切屑形狀有明顯的變化。首先， 在固定進給量(f=0.1mm/r)，
           

    工件材料為40Cr鋼的實驗中，
           

    直刃鉸刀在切削用量主軸轉速為550r/min，進給量為53mm/min的時候，就呈現為顏色變藍的螺卷切屑，顏色變藍是因為加工過程中產生的大量切削熱使切屑和空氣中的氧氣發生了化學反應，其中，影響最大的因素是切削速度的改變。而斜刃鉸刀卻是在切削用量變為主軸轉速760r/min，
           

    進給量64mm/min的時候才出現這一現象。螺旋刃鉸刀在切削主軸轉速為760r/min，進給量為64mm/min，切屑形狀雖然也發生了變化，顏色有些發藍但沒有以上兩種刀具嚴重。圖6為工件材料為40Cr鋼時，固定進給量(f=0.1mm/r)情況下的切屑形狀對比圖。

    在主軸轉速較低的情況下，
           

    三種刃形鉸刀的切屑形狀都呈現為螺旋卷切屑。說明鉸刀工作狀態良好，加工過程中也沒有產生過熱的現象。在主軸轉速選定760r/min，不使用冷卻液的情況下，直刃鉸刀的切屑大多呈現發藍的氧化現象，并形成了長的連續切屑，這將嚴重影響工件的加工精度和表面質量。斜刃鉸刀在加工40Cr鋼的實驗中，切屑大多呈現為較短的螺旋卷切屑，且顏色發生了明顯的改變。只有螺旋刃鉸刀的切屑形狀一直保持短螺旋卷切屑，說明它工作狀態良好，只有當在主軸轉速 760r/min，進給量達到64mm/min的時候才出現較短較碎的切屑。這也證明了螺旋刃鉸刀的切削性能優于斜刃鉸刀和直刃鉸刀。

    5 結論
           

    通過切削力的測試， 在同一種切削條件下，即主軸轉速和進給量相同的情況下，螺旋刃鉸刀的鉸削力最小，直刃鉸刀的鉸削力最大。

           

    通過對3種刃形鉸刀加工工件的表面粗糙度對比分析，螺旋刃鉸刀加工孔的表面粗糙度值最小，斜刃鉸刀次之，直刃鉸刀最大。

           

    通過觀察對比 種刃形鉸刀加工工件的切屑形狀， 螺旋刃鉸刀的切屑形狀和顏色最好，說明螺旋刃鉸刀的切削狀態良好，切削性能最好。

           

    綜上所述，可以得出一個結論，螺旋刃鉸刀的綜合切削性能最好。本次鉸削實驗為生產實際應用提供了依據，也為今后干式鉸削的深入研究提供了理論基礎。