高效行星銑刀的硬件實(shí)現(xiàn)與優(yōu)勢分析*

□ 李慎旺 □ 王會(huì)剛 □ 劉純祥 □ 卜 勻

唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北唐山 063000

1 高效行星銑刀概述

隨著機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展,對加工效率的要求越來越高。 提高加工效率,尤其是在原有機(jī)械加工設(shè)備的基礎(chǔ)上提高加工效率,是人們一直研究的課題。傳統(tǒng)的平面銑削刀具為端面銑刀或立銑刀。端面銑刀的直徑較大,一次銑削平面的面積較大,但是因?yàn)槎嗣驺姷妒侵比星邢?所以銑削力比螺旋刃切削大,由此限制了大切削用量的選取,會(huì)影響加工效率。立銑刀雖然是螺旋刃切削,但是考慮成本、制造等因素,直徑又不能制作得很大,這樣也會(huì)影響加工效率,尤其是大平面的加工效率。根據(jù)復(fù)合加工、磨損均化、有序多刃加工、多自由度切削加工思想創(chuàng)新設(shè)計(jì)的高效行星銑刀,不但提高了加工效率,而且減小了切削力,延長了使用壽命,加工出的零件具有較好的表面質(zhì)量[1-3]。高效行星銑刀還具有端面銑刀、螺旋刃立銑刀,以及車銑加工、滾切加工等方法的優(yōu)勢[4-7],適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械加工高速、高效、高精度、高柔度、復(fù)合、智能、綠色化發(fā)展的總趨勢,滿足先進(jìn)刀具高精度、高效率、高可靠性、專業(yè)化的要求。

2 高效行星銑刀硬件實(shí)現(xiàn)

高效行星銑刀如圖1所示。定位心軸位于旋轉(zhuǎn)主軸、旋轉(zhuǎn)刀盤孔中。旋轉(zhuǎn)刀盤采用定位心軸定心,通過緊固螺釘與旋轉(zhuǎn)主軸連接。中心支架通過支架螺栓與調(diào)速軸連接。蓋板通過十二根水平圓周上等間距排列的螺栓與旋轉(zhuǎn)刀盤連接。行星套軸通過上下對稱的一對軸承與旋轉(zhuǎn)刀盤、蓋板連接。這對上下對稱的軸承由對應(yīng)的上下對稱的軸承壓蓋壓緊,軸承壓蓋由十二根以立銑刀軸線為回轉(zhuǎn)中心的在水平圓周上均布的壓蓋螺釘分別與蓋板、旋轉(zhuǎn)刀盤緊固。行星套軸與軸承壓蓋之間裝有油封,行星套軸通過齒輪副與中心支架連接。立銑刀插于行星套軸中,由錐柄在行星套軸下部的錐孔內(nèi)定位,依靠錐柄下部的削扁傳遞銑削力矩。立銑刀由兩個(gè)端面相互接觸的圓螺母與行星套軸連接,立銑刀下部外側(cè)有右旋螺旋切削刃。中心支架與旋轉(zhuǎn)刀盤之間裝有支架內(nèi)油封,中心支架與蓋板之間裝有支架外油封。由兩個(gè)圓螺母、立銑刀、行星套軸、十二根壓蓋螺釘、一對軸承壓蓋、一對油封、一對軸承組成的組件共有六組,這六組組件等間距排列于以旋轉(zhuǎn)主軸軸線為回轉(zhuǎn)中心的水平圓周上。中心支架下部外側(cè)有一圈右旋斜齒輪齒。立銑刀中部為錐柄,錐柄和螺旋切削刃之間有削扁,上端外側(cè)有螺紋。行星套軸中部外側(cè)有一圈左旋斜齒輪齒,下部內(nèi)側(cè)有錐孔,錐孔下部內(nèi)側(cè)有削扁。

在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)下,旋轉(zhuǎn)刀盤連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)刀盤上的圓螺母、立銑刀、行星套軸、壓蓋螺釘、軸承壓蓋、油封、軸承、螺栓、蓋板均隨旋轉(zhuǎn)刀盤繞旋轉(zhuǎn)主軸軸線旋轉(zhuǎn)。中心支架與調(diào)速軸連接,因此中心支架隨調(diào)速軸一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行星套軸與中心支架之間以齒輪副連接,因此行星套軸與中心支架固連的立銑刀除繞旋轉(zhuǎn)主軸軸線旋轉(zhuǎn)外,還繞自身軸線旋轉(zhuǎn),立銑刀下部由螺旋切削刃完成切削,這樣行星銑刀的旋轉(zhuǎn)加工運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)刀盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與立銑刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng),六根立銑刀除繞旋轉(zhuǎn)主軸軸線旋轉(zhuǎn)外,還繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。行星銑刀的旋轉(zhuǎn)加工合成運(yùn)動(dòng)配合機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),共同完成平面銑削。

前述油封、支架內(nèi)油封、支架外油封均起密封作用。采用兩個(gè)端面相互接觸的圓螺母連接立銑刀和行星套軸,主要起摩擦防松作用。

行星套軸中部外側(cè)的左旋斜齒輪齒與中心支架下部外側(cè)的右旋斜齒輪齒嚙合,會(huì)減小嚙合的沖擊和振動(dòng)。行星銑刀正轉(zhuǎn)時(shí),兩輪齒嚙合會(huì)產(chǎn)生向下的附加軸向力,這個(gè)附加軸向力能夠部分平衡立銑刀在切削加工過程中向上的軸向切削力。軸向切削力及立銑刀在切削加工過程中產(chǎn)生的部分振動(dòng)通過中心支架直接傳遞至調(diào)速軸,可以有效減小力和振動(dòng)對旋轉(zhuǎn)刀盤和旋轉(zhuǎn)主軸的影響,進(jìn)而提高整個(gè)高效行星銑刀的加工精度。

3 高效行星銑刀優(yōu)勢分析

高效行星銑刀切削厚度如圖2所示。圖2中,Vf為進(jìn)給速度,aef為進(jìn)給量,nc為刀盤轉(zhuǎn)速,n為立銑刀轉(zhuǎn)速,ap為切削深度,R為旋轉(zhuǎn)刀盤半徑。切削由立銑刀下部的螺旋切削刃完成,邊旋轉(zhuǎn)邊切入工件,起到分屑作用,理論切削厚度小,這樣相比直刃直接切入工件,有效減小了切削力,降低了切削熱。六根立銑刀間斷切削工件,每根立銑刀在加工過程中都有切削工件時(shí)間和不切削工件時(shí)間,這樣有利于散熱。由此可見,采用高效行星銑刀既減小了切削力,又降低了切削熱,同時(shí)散熱效果好,總磨損量平均分布至不同螺旋刃立銑刀不同的切削刃上,延長了整個(gè)刀具的使用壽命。所以,在同樣的機(jī)床輸出扭矩情況下,采用高效行星銑刀可以加大切削用量,實(shí)現(xiàn)高效率銑削。

零件的使用性能在很大程度上受加工表面質(zhì)量的影響[8-10],當(dāng)行星復(fù)合銑削的進(jìn)給量取值小于螺旋刃立銑刀直徑時(shí),在工件表面形成未包絡(luò)表面和包絡(luò)表面,如圖3所示。 行星復(fù)合銑包絡(luò)表面的表面粗糙度明顯好于未包絡(luò)表面,行星復(fù)合銑未包絡(luò)表面與普通端銑的表面粗糙度相差不大。由此可見,進(jìn)給量對行星復(fù)合銑未包絡(luò)表面的表面粗糙度影響不大,且包絡(luò)表面的表面粗糙度值隨進(jìn)給量的增大而增大。

4 結(jié)論

提高加工效率,尤其是在原有機(jī)械加工設(shè)備的基礎(chǔ)上提高加工效率,是人們一直研究的課題。高效行星銑刀以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)減小了切削力,降低了切削熱,散熱效果好,將總磨損量平均分布至不同螺旋刃立銑刀的不同切削刃上,延長了整個(gè)刀具的使用壽命。所以,在同樣的機(jī)床輸出扭矩情況下,采用高效行星銑刀,可以加大切削用量,實(shí)現(xiàn)高效率銑削。