摆线开槽加工技术的实验研究

2022-01-14李新峰

现代制造技术与装备 2021年12期

关键词：摆线粗加工刀具

李新峰

（大连交通大学机械工程学院，大连 116028）

1 摆线加工概述

1.1 摆线参数及其几何性质

摆线（Cycloid）即旋轮线，又称等时曲线或最速降线，其数学定义为在平面上一个动圆（发生圆）沿着一条固定的直线（基线）或固定圆（基圆）作纯滚动时，此动圆上一点的轨迹即为摆线[1-3]。

如图1所示，设基圆半径为R，发生圆半径为r，P为与发生圆固联的一点，P到发生圆圆心的距离为e，发生圆由水平位置I开始沿基圆做纯滚动，在位置I处固联点P位于X轴上，发生圆滚动到位置II时，自转角为β，则P点的轨迹可表示为：

图1 摆线及其发生基圆

当动圆和定圆的夹角θ为任意给定值时，动圆圆周上一点的轨迹就是球面摆线，如图1所示。当θ=0时，就得到外摆线；当θ=π时，就得到内摆线；当定圆半径R无限增大时，内、外摆线就变成了摆线。上述平面和球面摆线，统称摆线族曲线。

1.2 摆线开槽加工理论分析

开槽加工往往发生在粗加工阶段，其切削条件非常恶劣，刀具负载较大[4-5]。持续的开槽加工不仅会导致机床负载增大，而且容易引起颤振，加剧刀具磨损。型腔粗加工的效率往往是由开槽加工的切削参数决定的，开槽加工刀具轨迹如图2所示。

图2 开槽加工刀具轨迹

如图3所示，摆线加工将传统的断续加工方式变成了连续加工运动，实现了高速连续的切削加工，且能够实现高进给速度加工，从而大幅提高了加工效率和加工质量，缩短了粗加工用时，提高了机床切削效率。

图3 摆线加工刀具轨迹

如图4所示，摆线加工时，刀具与工件侧壁之间存在较大的间隙。该间隙不仅便于加工中切屑排出，而且可以有效降低切削力。

图4 摆线加工仿真

图5为典型摆线加工一个循环周期中的刀具切触角变化情况。摆线加工能够在完成开槽操作的同时有效降低刀具切触角，从而降低刀具负载[6]。摆线开槽的铣削力明显小于直线开槽加工。合理应用摆线开槽可有效减小边界平行刀具轨迹的弊病。

图5 摆线开槽单个周期刀具切触角

2 摆线开槽加工实验

2.1 加工实验装置

加工实验装置如图6所示，加工中心选用HASS VF-5立式四轴加工中心；测力系统选用北京航空航天大学SDC系列测力仪；放大器选用FS-21/4A（四通道）直流应变放大器；数据采集和处理软件选用FAS-4D-3。刀具及工件：台湾鸿钜HGT EB0808四刃硬质合金圆柱立铣刀3把，直径8 mm，公称螺旋角30°，TiAlN涂层；工件材料为7075航空铝合金。

图6 加工实验装置

2.2 摆线开槽与直接开槽实验方案

摆线开槽加工的实验参数方案如表1所示，采用刀具直径为8 mm的端面铣刀轴向切深4 mm。两次摆线开槽加工的参数为：摆线宽度分别为5 mm、4 mm，半径分别为2.0 mm、1.5 mm，行距均为1 mm，转速均为1 000 r·min-1，进给速度分别为800 mm·min-1、400 mm·min-1。直线开槽对比实验参数为：轴向切深4 mm，转速1 000 r·min-1，进给速度200 mm·min-1。开槽铣削中刀具所受的垂直于刀轴方向的铣削合力设为Fxy。

表1 摆线实验参数方案

摆线开槽加工的刀具轨迹和实验工件如图7所示，可见已加工工件底部呈现规则的月牙纹，说明摆线开槽加工的工件材料是呈月牙状被逐渐切除的。

图7 摆线开槽加工的刀具轨迹和实验工件

3 实验结果分析

图8为摆线开槽测试1的铣削力，图9为摆线开槽测试2的铣削力，图10为直线开槽加工测试的铣削力。

图8 摆线开槽加工测试1的Fxy铣削力

图9 摆线开槽测试2的Fxy铣削力

图10 直线开槽加工测试的Fxy铣削力

从铣削力图显示结果可知，摆线开槽加工的铣削力成间隙起伏状，而直接槽切加工的铣削力则呈现基本恒定状[7-8]。直接槽切加工的进给速度只有200 mm·min-1，其铣削力极值却和摆线加工相差不大。直接开槽加工的铣削力一直维持在较高的水平，切削系统的负载条件恶劣，导致切削系统的抗干扰能力下降。摆线加工方式使切削过程中的切屑比较容易排出，不会因为排屑不畅而产生挤压作用。上述铣削力特性表明，摆线加工可以承受较大的进给速度，而直线槽切加工由于一直承受较大的铣削力，因此进给速度不宜过大。

摆线开槽加工1和2的进给速度分别为800 mm·min-1和400 mm·min-1，实验中铣削力结果却并不是倍数关系，原因在于摆线开槽加工1的轨迹宽度为5 mm，半径为2 mm，摆线开槽加工2的轨迹宽度只有4 mm，半径为1.5 mm，不同轨迹形状决定了不同大小的刀具切触角。