張嚴(yán)，辛?xí)詡ィw麗麗，呂長江

株洲鉆石切削刀具股份有限公司；硬質(zhì)合金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

在發(fā)電設(shè)備、汽車行業(yè)和重型機(jī)械設(shè)備制造中，為提高生產(chǎn)效率，需用大直徑刀具對機(jī)座、缸體、壓力腔以及汽車制動(dòng)器等零件進(jìn)行加工，因此，研究高效工藝和大直徑刀具的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。

機(jī)床用戶在選購機(jī)床時(shí)，通常會(huì)關(guān)注機(jī)床功率大小、刀庫裝刀直徑和刀庫裝刀數(shù)量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以滿足現(xiàn)有零件的加工需求。但是，在后期開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，機(jī)床刀具庫的裝刀直徑或裝刀數(shù)量會(huì)對加工零件的尺寸產(chǎn)生限制。機(jī)床加工中心由于配有刀庫和自動(dòng)換刀系統(tǒng)，大大減小了專用工裝夾具的數(shù)量，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高了加工精度和效率[2]。

為實(shí)現(xiàn)大尺寸零件加工，通常需要采用大直徑刀具，其中一種方式是在滿足自動(dòng)換刀的情況下，相鄰的兩個(gè)刀位不安裝刀具(但這樣會(huì)造成刀具庫位減少)；另一種方式是采用手動(dòng)裝刀，但該方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法滿足加工節(jié)拍的要求。因此，需要開發(fā)一種可以滿足大直徑刀具在刀具庫的安裝方案，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)刀具外徑和合理控制刀具外型，使刀具可以正常安裝于刀具庫中，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的功能，滿足高效加工要求。

2 刀具設(shè)計(jì)原理

2.1 機(jī)床型號及加工參數(shù)

通用臥式加工中心的刀具庫在滿刀情況下的最大安裝直徑范圍為φ80～φ160mm。本文采用HMC63E加工中心(見圖1[3])，刀具庫為圓盤式(外型見圖2)。刀具庫在滿刀情況下的刀具最大直徑為φ125mm，相鄰空刀最大直徑為φ250mm，機(jī)床參數(shù)見表1。

圖1 HMX63E加工中心

圖2 圓盤式刀具庫外型

表1 機(jī)床參數(shù)

2.2 刀具設(shè)計(jì)與分析

2.2.1 刀具外型設(shè)計(jì)

目前需要安裝φ270mm的大直徑刀具以加工制動(dòng)器零件。HMC63E機(jī)床在滿刀時(shí)最大裝刀直徑為φ125mm，即使在相鄰刀座有空位時(shí)，刀具的最大直徑φ250mm也無法實(shí)現(xiàn)φ270mm刀具的安裝，因此常規(guī)刀具外型無法滿足加工要求。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，還需要在滿足最大裝刀量的同時(shí)兼顧刀具強(qiáng)度，綜合以上幾點(diǎn)因素，對刀具外型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，見表2。

表2 刀具設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

因?yàn)锽>A，要滿足B尺寸能夠安裝在刀具庫中且不影響最大裝刀量，則需滿足W≤A，即W≤250mm。因此采取的設(shè)計(jì)方法是改變刀具安裝方向的尺寸，將刀具外型由圓盤式優(yōu)化為如圖3所示結(jié)構(gòu)，這樣刀具能夠有效安裝在刀具庫中，以滿足加工要求。

圖3 大直徑刀具外型

2.2.2 刀具外徑與刀槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀具安裝方向尺寸W≤250mm即可滿足大直徑刀具安裝條件。為保證刀具的強(qiáng)度和加工效率，刀具安裝方向尺寸不宜小于150mm，以W=180mm設(shè)計(jì)參數(shù)來闡述大直徑刀具外徑與刀槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。以常見的三面刃大直徑刀具為研究對象，刀具結(jié)構(gòu)如圖4所示，刀具齒數(shù)為16齒，沿刀具外徑方向均勻分布A，B，C，D4組齒。

圖4 刀具結(jié)構(gòu)

三面刃刀具外徑方向設(shè)計(jì)有安裝刀片的刀槽模塊并呈上下交錯(cuò)形態(tài)分布。每個(gè)刀槽模塊安裝相應(yīng)刀片，交錯(cuò)搭接的刀片形成了完整的刀具切削刃。如1號刀片和2號刀片交錯(cuò)搭接形成一組齒，刀具直徑方向單側(cè)共4組齒，對稱一側(cè)同樣分布有4組齒，因此三面刃刀具共計(jì)8組齒，刀具有效加工齒數(shù)z=8。

根據(jù)上述分析，為滿足大直徑刀具能夠安裝于刀庫中，刀具安裝方向尺寸由270mm減小到180mm，使得刀具加工齒數(shù)減少1/2，實(shí)際刀具缺失齒數(shù)z2=8，如圖5所示。

圖5 刀具缺失齒結(jié)構(gòu)

當(dāng)?shù)毒哒懿蝗笔X數(shù)時(shí)，滿齒z1=16。根據(jù)機(jī)床參數(shù)進(jìn)給速度vf=460.8mm/min，轉(zhuǎn)速n=240r/min，刀具直徑D=270mm，在不缺失齒數(shù)條件下，刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fn=vf/n=1.92mm/r，每齒進(jìn)給fz1=fn/z1=0.12mm/z。

在刀具設(shè)計(jì)直徑D=270mm不變的條件下，fz1=0.12mm/z；當(dāng)?shù)毒邌蝹?cè)缺失4組齒時(shí)，則A處齒(見圖4)進(jìn)給量fz2=fz1×4+0.12=0.6mm/z，則A處齒將會(huì)承受0.6mm的進(jìn)給，而B，C，D處(見圖4)仍然保持0.12mm進(jìn)給不變。由于刀具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原因，造成刀具進(jìn)給分配不均勻的情況，A處齒將很快磨損或破損，甚至刀具無法再使用。針對上述問題，在設(shè)計(jì)刀具時(shí)應(yīng)考慮將缺失部分兩側(cè)8組齒的進(jìn)給平均分配給剩余有效的8組齒，達(dá)到每組有效齒均勻分配進(jìn)給量的目的。

通常，刀具直徑變化會(huì)影響刀具的每齒進(jìn)給量。如圖6所示，刀具每轉(zhuǎn)一圈，相當(dāng)于在徑向方向增加一個(gè)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。如刀具直徑50mm，齒數(shù)z′=2，每齒進(jìn)給量fz′=0.12mm/z，則刀具每轉(zhuǎn)一圈，其中一個(gè)齒切削掉0.12mm的鐵屑厚度，相當(dāng)于刀具直徑方向移動(dòng)0.12mm。如果將該齒的直徑減小0.12mm，則該齒將不參與切削，而另一個(gè)齒將承擔(dān)0.24mm/z的進(jìn)給量[5]，所以改變刀具直徑能夠調(diào)整進(jìn)給量。

圖6 刀具進(jìn)給方向與進(jìn)給量的關(guān)系

將4組齒A，B，C，D(見圖4)設(shè)計(jì)為不同直徑，由于是對稱關(guān)系，另外4組齒的直徑與之相同。刀片在刀具直徑上呈階梯分布，能夠滿足刀具直徑D處φ270mm的加工要求。其中，刀具A，B，C處的直徑設(shè)計(jì)計(jì)算式為

z1=z+z2

式中，z1為不缺失齒；z為有效齒數(shù)；z2為缺失齒。

進(jìn)給量計(jì)算式為

式中，fz1為不缺失齒每齒進(jìn)給量；fz2為缺失齒總進(jìn)給量；f為刀具進(jìn)給量；n為刀具轉(zhuǎn)速；fz3為有效齒每齒進(jìn)給增量。

根據(jù)直徑與進(jìn)給量的關(guān)系，大直徑三面刃刀具z=8，z2=8，z1=16，fz1=0.12mm/z，則A，B，C，D處的直徑a，b，c，d為

d-c=c-b=b-a=0.12mm

有

fz3=0.12mm/z

有效齒實(shí)際承擔(dān)的每齒進(jìn)給量為

fz=fz1+fz3=0.24mm/z

綜合計(jì)算上述公式可以得到刀具外徑設(shè)計(jì)尺寸(見表3)。如圖7所示，按照表3的刀具外徑尺寸設(shè)計(jì)刀具，則可實(shí)現(xiàn)8組有效齒均勻承擔(dān)0.24mm/z的進(jìn)給量，達(dá)到均勻分配進(jìn)給量的目的。

表3 刀具外徑設(shè)計(jì)尺寸

2.2.3 刀具鍵槽設(shè)計(jì)

鍵槽可以實(shí)現(xiàn)刀具的定向作用，有效控制方向，避免大直徑刀具在換刀與裝刀過程中與刀具庫發(fā)生干涉。在刀具上安裝設(shè)計(jì)有鍵槽(與刀具安裝方向呈90°)的柄部(見圖8)，由于大直徑刀具自身重量較大，容易超出機(jī)床的裝刀重量，所以在設(shè)計(jì)這類刀具時(shí)要參考機(jī)床的裝刀重量，適當(dāng)設(shè)計(jì)減重槽。通常在機(jī)床最大裝刀直徑較小的情況下，裝刀重量也會(huì)較小，所以設(shè)計(jì)此類刀具時(shí)需要額外注意。

圖8 刀柄的鍵槽結(jié)構(gòu)

3 刀具應(yīng)用與分析

三面刃大直徑刀具(見圖9)設(shè)計(jì)制作完成后，進(jìn)行現(xiàn)場加工應(yīng)用。被加工零件為卡車卡鉗嵌體(如圖9)，加工寬度要求為24mm，刀具直徑為φ270mm，機(jī)床進(jìn)給速度vf=460.8mm/min，機(jī)床轉(zhuǎn)速n=240r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.24mm/z。在該參數(shù)下加工卡鉗嵌體時(shí)機(jī)床負(fù)載小，切削輕快，被加工零件表面粗糙度達(dá)到Ra3.2，刀片壽命滿足客戶要求。通過對大直徑刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了客戶的加工問題，成品滿足要求。

圖9 零件加工部位

圖10 現(xiàn)場應(yīng)用刀具

三面刃大直徑刀具主要用于機(jī)床刀庫無法滿足自動(dòng)換刀或相鄰刀位裝刀空間不夠的情況。采用上述設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)大直徑刀具在刀具庫的有效安裝，由于在一定程度上會(huì)使刀具齒數(shù)降低，所以此類刀具是在刀具無法滿足使用要求的情況下采取補(bǔ)救解決措施。

上述三面刃大直徑刀具設(shè)計(jì)屬于非標(biāo)刀具，在刀具設(shè)計(jì)過程中已確定進(jìn)給量，如果要調(diào)節(jié)進(jìn)給量，還需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行微調(diào)；進(jìn)給量的多少由刀具自身決定，不能任意調(diào)節(jié)。在保證剛性、強(qiáng)度和功率滿足要求的情況下，需要合理控制刀具的切深、切寬和切削參數(shù)，以免造成不必要的損失。

4 結(jié)語

(1)在相鄰刀位空間不足且需滿足三面刃大直徑刀具安裝與自動(dòng)換刀的情況下，可以通過對刀具外型的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大直徑三面刃刀具的有效安裝及自動(dòng)換刀。

(2)通過對三面刃大直徑刀具外徑及加工齒數(shù)的合理設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)加工齒數(shù)的每齒進(jìn)給量均等，有效保證了三面刃刀具的切削壽命，滿足客戶的加工要求。

(3)針對三面刃大直徑刀具結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場加工參數(shù)的優(yōu)化，能夠解決生產(chǎn)中大直徑刀具無法安裝和換刀的問題，擴(kuò)大了機(jī)床的應(yīng)用范圍，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。