1 引言球形铣刀刀刃几何形状特别 ,能进行三维曲面的成形加工 ,被广泛运用于汽车及家电制造业中的挤压、注塑模曲面加工。因模具制造周期短、品种多的发展需要 ,对球铣刀加工效率及加工表面质量提出了越来越高的要求。影响球铣刀加工精度的因素较多 ,进给速度、刀刃几何形状、铣刀刚度等都会影响切削加工表面质量。前角是球铣刀的重要几何参数之一 ,文中仅就球铣刀前角对加工表面质量的影响进行试验研究。 2 几何参数定义与前角计算2 1 几何参数定义设切削刃沿半球表面分布 ,刀具坐标系为O -XYZ ;切削刃上任意点为P ,该点螺旋角为ω(如图 1所示 ) ;过半球直径和点P作S剖面 (见图 2 ) ;在S剖面内研究切削刃几何参数 ,则前角、后角、楔角如2 2 前角的计算以两把不同刃形的球铣刀 (成品 )为对象进行对比研究。如图 1所示 ,球铣刀上P点从刀尖开始向球中心位移时 ,切削刃上该点的前角随螺旋角的增加而变化。任意点P的前角大小可通过该点前角面的法线矢量和球中心点到该点的延长线矢量进行计算。为此 ,需测定铣刀轮廓形状。用磨床从刀尖开始分层 (层距 :0 1mm) ,磨出垂直于刀具轴线的横截面 (共 5 0层 ,刀具轴向磨深总量 :6mm)。对每层横截面作图像数字扫描后 ,将数据输入计算机 ,通过专用计算程序将每层画像轮廓信息 (画素 )转化为截面轮廓信息 (位置点 )。每层取 6 0 0位置点描述后获得铣刀横截面轮廓形状 :图 4所示为其中某层外轮廓形状。图 4 铣刀轮廓形状截面轮廓相邻层之间的关系则通过对螺旋角测定的数据来建立。任意点P处的螺旋 角参数可在数控机床上用激光尺寸测量仪测定。取任意点P层及相邻层截面轮廓的三点坐标值可构成P点前角面,通过计算此小三角形片的法线矢量可求出前角面法线矢量 (如图 5所示 )。将算出的法面矢量和理论中心点到刀刃任意点的直线矢量进行坐标变换并向切削刃S剖面投影后 ,由图 3中几何关系即可求出该点前角的值。铣刀A、B前角的计算结果如图 6所示。图 5 法向矢量和直线矢量图 6 铣刀A、B前角分布曲线 3 切削试验及测试3 1 试验条件用12mm两刃硬质合金球铣刀A、B分别对试件a、b(45钢 )进行切削试验加工。铣削方式如图 7所示。铣削参数 :进给速度v =0 0 5mm ,主轴转速n =4 2 0 0rpm ,进给量f =0 5mm ;刀具倾角 :14° ;铣削行程 :4 0mm。3 2 测试方法及结果(1)切削力图 7 铣削方式示意图切削试验中刀具沿进给方向倾斜 ,与工件表面垂线构成一个 14°夹角。切削中刀具所受各项分力如图 7所示。将三分力测力仪安装在数控铣床的工作台上以测定切削力。由测力仪获得的检测值信号是随时间变化的电压值 ,通过转换得到刀具各切削力 ,将所测切削力的平均值列入表 1。表 1 切削力平均值F1 (N)F2 (N)F3(N) 合力 (N)试件A 86 844 5 8682 3 0 12 8 13试件B 71 863 6 2 165 10 10 3 5(2 )表面粗糙度加工后在高倍电子显微镜下观测试件a、b的表面精度 ,可见明显差异 :试件a表面留下的切削刀痕线条较试件b表面明显 ;用表面粗糙度测量仪测定试件a、b加工后的表面粗糙度 (测量仪测量范围 :Rmax和Rz 为 0 0 0 2～ 6 0 μm ,Ra 为 0 0 0 1～ 10 0 μm ;直线度 :0 2 μm/ 10 0mm ;纵横倍率相对误差小于 3% ;触针半径误差 :R2 μm× 2 5 %以下 ;测量力 :0 7mN) ,测定结果 (见表 2 )也验证了上述观测结果 :加工后试件a表面粗糙度Ry 的平均值 10 2 7μm大于试件b的表面粗糙度Ry 的平均值 3 0 86 μm。表 2 加工后试件a、b表面粗造度RyMax(μm) Min(μm) 平均值 (μm)试件a 14 65 5 765 10 2 7试件b 3 872 2 3 0 3 0 86 4 结论通过用球形铣刀铣削 4 5钢试件的试验研究 ,由切削力测定结果及加工后试件a、b表面粗糙度的测定结果 ,可得到如下结论 :①球铣刀的几何形状不同 ,其切削性能也不同 ,即切削力及加工表面粗糙度不同。② )铣刀A、B前角大小不同 ,所加工出的试件a、b表面质量不同。试件a的表面粗糙度值高于试件b ,表明铣刀前角对改善工件的加工质量有明显作用 ,减小负前角能提高工件表面的加工质量球形铣刀前角对切削性能的影响@郑伟刚$贵州工业大学机械工程学院!贵阳市,副教授
@银华$贵州工业大学
@王玥$贵州工业大学铣刀;;几何参数;;试验研究通过对不同刃形的球形铣刀几何参数的分析、 测算,进行了切削试验研究、切削力和粗造度测定。对比试验结果,得到球铣刀切削刃前角参数对 其切削性能影响的重要数据,其结论对提高球形铣刀的加工精度有着十分重要的意义。1 田浮夫 ,坂本诚.光学を用いた画像处理による素材变形の计测.塑性と加工,vol41,No.474(2000-7)
2 金德垣,平池牧人,中泽耕一郎,志满学,吉川浩一,水垣善夫.ボルエンドミル加工の几何シ ミュレション(第1报)-工具刃先形状のモデル化-.2000年度精密工学会秋季大会学术讲演会论文集,2000:373
3 杨广勇,王育民.金属切削原理与刀具.北京理工大学出版社,1994
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