旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计

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引言高速切削、强力切削可显著提高加工效率，是现代制造技术的重要发展趋势之一。但随着切削速度的提高，在某些加

刀具冷却效果好，但加工出的螺纹精度并不高，且螺纹牙槽两侧面的表面质量存在较大差异。对于粗加工工序，螺纹牙侧表面加工精度影响不大，但对于一次完成全牙深切削的最终加工而言，这一问题不容忽视。为此，本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面的表面质量进行了分析计算，并介绍了旋风铣刀的设计方法。

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牙槽两侧面表面质量的计算与分析1)

牙槽两侧面表面特征

(沟底)加工结果可知，无论是采用刀具进给方式、由车床改装的旋风铣削装置，还是采用工件进给方式的专用丝杠加工设备，均为迎向铣刀的牙槽一侧(记为

侧)的表面加工质量明显优于相对的另一侧(记为B

侧)。

侧表面光滑锃亮；B

侧表面光泽不明显，用手触摸有细微粗糙感。

侧表面粗糙度计算如图

所示，设刀刃位于水平线时为零时刻，经过时间

后，铣刀盘转过一齿，则有Ft+式中，F、分别为铣刀和工件的转动角速度，

=F/FF，分别为铣刀和工件的转速)，则可得

设被加工螺纹螺距为P，则经过时间

后，刀具的轴向进给位移量为S=与此同时，工件转过的角度为刀具下降高度为则刀具的横向位移量为S式中，R

为丝杠直径，

为牙槽深度，为螺旋升角。由此可得

侧表面的理论粗糙度值为R

B

侧表面粗糙度计算

位移与向后的横向位移之和，则B

侧表面的理论粗糙度值为R

两侧面表面质量差异分析铣刀作轴向进给运动时，

侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削。当切削速度达～时，加工区火花四溅，切屑局部呈柑红色，表明该处切削温度已达

℃以上(通过计算也可得出此结论)，此时金属原子热振动振幅增大，原子间键力减弱，导致工件材料的硬度和强度降低，同时切削时的弹性变形、塑性变形和摩擦力也明显减小。由于大部分切削热被切屑带走，传入工件表层的切削热很少，渗入层很薄，表面层物理力学性能的变化在允许范围内，因此侧面的表面质量得到提高。此外，由于每齿切削厚度和进给量减小，

侧相当于在被铣削的同时也被研磨，使表面质量进一步提高。而B

侧被铣削时，由于存在进给运动，刀具在该时刻已离开被铣部位，因此不存在挤压与研磨作用。可见，切削力作用形式的差异也给两侧的表面质量带来不同的影响。根据上述计算与分析可知，由于Rz1

<

Rz2，加上

、B

两侧铣削作用力的不同影响，故

侧表面质量优于B

侧，这与在实际加工中的观察结果一致。

旋风铣刀的设计刀具材料的选用当铣削速度达到

以上时，刀具与工件接触时间约为，而切削热在钢中的传播速度约为，即在刀具与工件接触时间内热量传播距离仅为

左右，因此仅有极少量切削热传入刀具中。此外，由于刀刃空行程较长，使刀刃承受的热脉冲大大降低，因此铣刀刃部温度始终保持在℃左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨损较小。但是，由于刀刃工作方式为高速断续切削，整个工艺系统振动较大，刀刃部位需要承受较强的正压力脉冲和弯曲应力脉冲，因此要求刀具材料具有较好韧性。综合考虑上述加工特点，刀具材料不宜选用硬质合金，选用

淬火钢较好。

刀具结构设计为提高加工效率，笔者设计了图

所示铣刀盘结构和图

所示刀夹。刀夹上开有装刀槽，将长条形刀片置于其中，上面盖压一带槽薄板，然后装入铣刀盘刀槽中，用内六角螺钉压紧，即可进行铣削加工。当刀片磨损后，松开压紧螺钉，取出长条形刀片，对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用。如切削时刀片有后退倾向，可在铣刀盘上加装可调挡块。与焊接式或其它刀具结构相比，这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨、装卸和对刀工时，刀片可重复利用，具有加工效率高、加工成本低等优点。

GF

公司是一家全球性的复杂精密涡轮机械零部件生产商，在美国设有两家工厂、在英国和印度各设有一家工厂，专业从事内燃机涡轮增压器叶轮和喷气机发动机的叶轮制造。

公司也是少数几家能够按照重型卡车和乘用汽车制造商的一些特殊要求制造涡轮增压器叶轮的公司之一。随着内燃机功率和

公司逐步发展成为了一个内燃机涡轮增压器叶轮的核心制造公司。目前，在欧洲带有涡轮增压器的汽车已经占到了左右，美国、亚洲等地对涡轮增压器的需求也都在迅速增长，

公司当然不能错过这样旺盛发展的市场机遇。从浇铸到实心加工历史上早期的涡轮增压器结构比较简单，对叶轮的精度要求也不高，因而叶轮通常采用成本非常低的传统的浇铸方式制造，而不是机械加工制造。随着发动机功率的不断提高，发动机的转速范围以及空气流量都发生了很大变化，各种排放法规也越来越苛刻，这些都对涡轮增压器也提出了相应的新要求。现代涡轮增压器叶轮具有～

个叶片，呈放射线状曲线排列，叶片具有复杂的三维曲面形状，壁厚小于。显然，传统的浇铸方式已不能满足现代产品的工艺要求。五轴联动加工方案发动机技术以及加工工艺的进步都是飞速的，而且相得益彰，当硬度更高、性能更优异、能够耐受℃左右高温的材料用于发动机及涡轮增压器时，柔性化生产、五轴加工、高速加工等技术正逐步发展成熟。经过不断的探索，

公司的技术团队对涡轮增压器叶轮加工的现代化加工工艺以及机床、软件等进行了认真的分析，最终得出的结论：对于具有复杂且非标准形状的叶轮的大批量加工，必须采用高速、高自动化的五轴联动加工方案，随后，公司专门成立了自动化生产系统部（TAPS），并很快在来自瑞士GF

阿奇夏米尔集团的高性能米克朗

型五轴联动加工中心上成功进行了

无人看守、连续加工卡车涡轮增压器叶轮的试验。

型机床都完全满足了

公司的要求。

公司的叶轮加工业务在持续拓展。前不久，TAPS搬到了其全球总部所在地的一座新的具有世界水平的制造中心。在这个新的制造中心里，

台米克朗

五轴联动高速加工中心专门从事以不锈钢、钛钢坯等为材料的

余种卡车涡轮增压器叶轮的生产，而且多数加工中心安装了托盘交换装置，使得生产效率更高，机床利用率更高，TAPS

的叶轮年产量可达几十万件。加工利器米克朗

米克朗

型五轴联动加工中心是瑞士GF

阿奇夏米尔集团铣削技术部新一代高速铣床的杰作之一，瑞士GF

个轴）、工件加工精度、人机友好界面、自动化和过程可靠性以及优越的操作性能等，其中最吸引人的特性是，对于/各轴、高速回转/摆动工作台均配有液冷式直接驱动装置，这种直接驱动技术可使回转摆动工作台的动态特性达到新的/水平。该机可配工件托盘交换装置，实现无人化自动加工。显然，米克朗

为用户将来的发展提供了高度的附加值。对于

公司的叶轮加工而言，米克朗

所表现出的多种先进技术使其在多方面大大受益。、高性能主轴与高速加工高速加工是

公司的一贯作风，速度是其在生产中的各个阶段都需要不断加快的。

型机床的回转/摆动工作台采用了线性电机驱动技术，旋转轴的设计和结构使其速度能够达到传统旋转工作台速度的

倍。主轴电机采用混合陶瓷滚珠轴承液体冷却技术，从而实现了在TAPS

应用中

的高转速可靠运行。、高精确性和高动态性的刀具系统

型机床配备有激光测量系统，可以对刀具的长度和半径进行准确监测，同时，玻璃光栅尺线性测量系统可以确保极高的定位精度，从而带来极其精确的动态加工特性，并可满足快速连续加工复杂的螺旋形叶轮时加工所需的大于

的加速度或减速度。、完美的表面加工质量

型机床具有的混凝土聚合床身为加工过程提供了极高的刚性、良好的减振效果以及极高的热稳定性，为实现更高的零件表面光洁度和精度提供了保障，同时也减小了刀具磨损。夹紧、定位、工件交换和先进的控制系统也都处处体现着

型机床的优秀特性，从而更加确保了零件加工完毕时的表面质量。、先进的控制系统和

软件

型机床采用海德汉

控制系统，具有较高的信息处理速度，可以运行包含有零件几何形状等信息在内的

子程序。此外，该系统还具有许多标准特性与配置，如

图形和

刀具补偿仿真、1.5G硬盘和以太网接口等。当然，

公司成功的关键因素还包括他们定制和编写五轴

软件的能力。在米克朗

型机床的实际生产中，

公司和加拿大

软件公司合作开发出了更为先进的

编程以后，公司的工程技术人员利用检查和优化

型机床的刀具路径，从而可以减少错误、估计周期时间并优化计算出的进给速度等。无人看守的可靠运行总之，瑞士GF

阿奇夏米尔集团的米克朗

型机床为

公司提供了在一个生产周期内，％的时间可以无人看守、％正常运行的高可靠性。在

公司位于美国巴灵顿（）的另一个工厂里，有

个由

ABB

机器人和

3R

机械手组成的机器人工作单元，其中的

个机