CN106180848B - 适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具及其使用方法 - Google Patents
适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具及其使用方法，包括固定到刀体上的刀具，刀具通过万向转轴连接有丝杆，丝杆连接有电机；丝杆上套设有带内螺纹的套筒，套筒铰接有连杆的一端，连杆的另一端与刀具铰接,连杆和连杆之间连接有调压弹簧；刀具连接有传感器，所述传感器包括监测压力的压力传感器、监测位移的位移传感器和监测振幅与震动频率的振动传感器；传感器连接有智能设备。本发明的新型限制接触刀具，具有良好的切削性能，在大量减小切削力，提高切削效率及刀具寿命的同时，还可以控制切屑的卷曲方向，从而避免切屑划伤已加工表面，该技术能制备具有复杂限制接触面形状的新型限制接触外圆车刀。
Description
技术领域
本发明属于机械领域，尤其涉及一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具及其使用方法。
背景技术
跟普通刀具相比，新型组合刀具具有以下优点：切削液更容易接近切削区，加工排屑顺畅，较少积屑瘤，减少了工艺系统的抖动，提高切削过程的稳定性，提高加工精度。主切削力降低15％～25％，进给力降低50％～60％，切削温度至少降低100℃，生产效率提高30％等。但一般结构的组合刀具具有以下不足：加工速度慢，效率低，精度低，刀具普遍主切削刃强度低，易崩刃，虽然能有效减少切削力，降低切削温度，但接触刚度过低，影响高速加工时表面加工质量；高速加工的稳定频率较低且刀尖的强度低，后刀面极易发生磨损，造成刀具发生严重的磨损，使切削力突然猛增，刀具寿命急剧减少。并且传统的组合刀具，大都局限于切削刃数或刀把数等。
大型圆筒类零件加工的特点与要求:
在大型落地铣床高速加工圆筒类零件时，由于圆筒零件(长度10米以上，直径5米以上)尺寸较大，受到整个机床系统的静刚度、动刚度及模态特性的影响，高速加工中的震颤极大影响了刀具的磨损与加工表面质量，为了保证加工精度及表面质量，切削力、温度、刀具磨损、刀夹联体的静刚度与动刚度、阻尼比等均有严格的要求，传统的刀具、组合刀具均难以满足加工要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具及其使用方法。本发明的新型限制接触刀具，具有良好的切削性能，在大量减小切削力，提高切削效率及刀具寿命的同时，还可以控制切屑的卷曲方向，从而避免切屑划伤已加工表面，该技术能制备具有复杂限制接触面形状的新型限制接触外圆车刀。
为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，包括刀体,所述刀体包括刀体座和刀体柄，刀体座上设有夹持刀具的夹持槽，刀体柄设有与夹持槽连通的滑槽；刀体座上设于用于预紧的螺栓；
所述刀具通过万向转轴连接有丝杆，丝杆连接有电机；丝杆上套设有带内螺纹的套筒，套筒铰接连杆的一端，连杆的另一端与刀具铰接,刀具和连杆之间连接有调压弹簧；刀具连接有传感器，所述传感器包括压力传感器、位移传感器、振动传感器、转速传感器和角频率传感器；传感器连接有智能设备，智能设备连接有激振器、压电感应器和阻尼发生器，压电感应器和阻尼发生器处于刀具和刀体之间，激振器与刀具相连；刀具的侧刀面上设有限制刀具与切屑接触长度的凹槽。
进一步的改进，刀具的后刀面成形有减少摩擦的圆弧边角。
进一步的改进，凹槽与刀具的主切削刃之间的限制接触长度均为连续变化的函数曲线，所述函数曲线的公式为：
Y＝(898-5675X+16305X2-16699X3+8681X4-2459X5+362X6-22X7)/σ或Y＝(161+236X+4984X2-5166X3+1939X4-252X5)/σ；其中Y表示主切削刃的长度，X表示限制接触长度，σ表示刀具材料的屈服强度
进一步的改进，刀具材料的屈服强度σ的大小为400到960MPa；所述限制接触长度X的大小范围为0.01～5mm；限制接触边界倾斜角的大小范围为1°～85°。
进一步的改进，侧刀面的台阶高度为1～8mm。
进一步的改进，所述刀体柄的截面为六边形，刀体柄由外侧的大端向内侧的小端逐渐变细。
进一步的改进，所述夹持槽的两侧分别设有第一平行钢板和阻尼发生器，第一平行钢板外侧设有阻尼片，阻尼片外侧设有第二平形钢板，第二平形钢板外侧设有第三平形钢板，第二平形钢板和第三平形钢板之间设有压电感应器；第三平形钢板外侧设有隔热棉，隔热棉与刀具接触；第一平行钢板和第二平形钢板之间安装有阻尼片；刀体和刀具之间夹持有阻尼发生器。
进一步的改进，所述隔热棉为玻璃棉；第二平形钢板和第三平形钢板之间设有三个压电感应器。
进一步的改进，智能设备为微计算机处理系统；所述刀具通过3D打印技术制造。
一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：微计算机处理系统通过转速传感器，位移传感器，角频率传感器、压力传感器和振动传感器，分别检测工件的转速、位移和角频率，固有频率，压力，计算出导致震颤加工的系统固有频率ωn和系统阻尼比ξ和切削过程参数Cp，其中计算公式如下：
ωn—系统固有频率
ξ—系统阻尼比
角频率为ωc
轴向切深ap
T为切削周期，Cp表示切削过程参数；
步骤二：微计算机处理系统控制电机6带动丝杆3转动，实时调整刀具1的切削角度，减少震颤幅度；微计算机处理系统控制激振器9根据固有频率基点开始激振减少振幅；微计算机处理系统根据系统阻尼比控制阻尼发生器18实时调整组合刀具的阻尼比；保证振动幅值最小。
本发明的优点：
本发明的新型组合刀具，在侧刀面上具有能改变切屑长度与排屑方向的可变接触长度，后刀面具有能有减少摩擦的圆弧边角，组合刀具中刀体在阻尼器及激振器的调节下能够实时保证切削深度在震颤稳定区域内。通过实时改变刀具侧刀面与切屑接触长度，能大幅度减少切削力，降低切削温度的功能。与传统刀具或等限制接触刀具相比，此新型具有非等限制接触长度的刀具，它能控制切屑的卷曲方向，可以避免切屑刮花已加工表面，提高已加工表面的表面质量。由于其实时调整接触长度的功能，提高了主切削刃强度与切削力的最优匹配，保证了切削力最小，提高了加工精度。且其变圆弧状利于切削液接近切削区，进一步降低切削温度，因而使得刀具具有更长的使用寿命。
先进3D打印技术的成熟，使得制备复杂侧刀面形状的刀具成为可能。因此，本发明的新型变限制性接触刀具可以实现大批量的生产。
附图说明
图1为刀具的连接结构示意图；
图2为刀体结构示意图；
图3为刀具和刀体的连接结构示意图；
图4为稳定区域的计算结果示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。
实施例1
图1-图3所示，一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，包括刀体10,所述刀体10包括刀体座101和刀体柄102，刀体座101上设有夹持刀具1的夹持槽103，刀体柄102设有与夹持槽103连通的滑槽104；刀体座101上设于用于预紧的螺栓105；
所述刀具1通过万向转轴2连接有丝杆3，丝杆3连接有电机6；丝杆3上套设有带内螺纹的套筒4，套筒4铰接连杆5的一端，连杆5的另一端与刀具1铰接,刀具1和连杆5之间连接有调压弹簧19；刀具1连接有传感器7，所述传感器包括压力传感器、位移传感器、振动传感器、转速传感器和角频率传感器；传感器7连接有智能设备8，智能设备8连接有激振器9、压电感应器20和阻尼发生器18，压电感应器20和阻尼发生器18处于刀具1和刀体之间，激振器9与刀具1相连；刀具1的侧刀面11上设有限制刀具与切屑接触长度的凹槽12。本专利将刀具1插入夹持槽103后通过螺栓105预紧，通过转动丝杆3对刀具1的角度进行微调，根据传感器取得的数据调节激振器9和阻尼发生器18，使得刀体的震颤达到最小。
刀具1的后刀面13成形有减少摩擦的圆弧边角14。
凹槽12与刀具1的主切削刃15之间的限制接触长度均为连续变化的函数曲线，所述函数曲线的公式为：
Y＝(898-5675X+16305X2-16699X3+8681X4-2459X5+362X6-22X7)/σ或Y＝(161+236X+4984X2-5166X3+1939X4-252X5)/σ；其中Y表示主切削刃的长度，X表示限制接触长度，σ表示刀具材料的屈服强度。
刀具材料的屈服强度σ的大小为400到960MPa；所述限制接触长度X的大小范围为0.01～5mm；限制接触边界倾斜角的大小范围为1°～85°。
侧刀面11的台阶高度为1～8mm。
所述刀体柄102的截面为六边形，刀体柄102由外侧的大端1021向内侧的小端1022逐渐变细，这样便于固定刀体柄102。
所述夹持槽103的两侧分别设有第一平行钢板106和阻尼发生器18，第一平行钢板106外侧设有阻尼片109，阻尼片109外侧设有第二平形钢板107，第二平形钢板107外侧设有第三平形钢板110，第二平形钢板107和第三平形钢板110之间设有压电感应器20；第三平形钢板110外侧设有隔热棉108，隔热棉108与刀具1接触；第一平行钢板106和第二平形钢板107之间安装有阻尼片109；刀体10和刀具1之间夹持有阻尼发生器18。
所述隔热棉108为玻璃棉；二平形钢板107和第三平形钢板110之间设有三个压电感应器20。
智能设备8为微计算机处理系统；所述刀具1通过3D打印技术制造。
本发明的刀具具有圆弧面的后刀面；沿着侧刀面主切削刃的方向具有变化的限制接触长度；在刀体与刀具接触的上、下表面才有了具有隔热性能的玻璃棉、阻尼片及垫圈；在刀体与刀具接触的正面增加了玻璃棉、阻尼发生器与压电感应器；在刀体的内部与刀具连接处增加了激振器及传感器；由于连杆只能调节长度，但是受到压力与激振后，会变形，这就需要调压弹簧改变压力，提高或者缩小刚度，在计算处理系统的控制下，进一步保证无振动的高精度加工。因此调压弹簧与传感器的作用下，侧刀面接触长度及后刀面的圆弧均能实时调整，能随着切削工况实时调整，限制接触面的形状为特定函数曲线形状。此新型刀具的刀体材料为低合金结构钢，截面形状为六面体，通过拓扑的方式由大端到小端，最大程度的保证了其刚度。限制接触长度X的大小范围为0.01～5mm之间，侧刀面台阶高度为1～8mm，限制接触边界倾斜角α的大小范围为1°～85°。本发明的新型限制接触刀具，具有良好的切削性能，在大量减小切削力，提高切削效率及刀具寿命的同时，还可以控制切屑的卷曲方向，从而避免切屑划伤已加工表面。该技术能制备具有复杂限制接触面形状的新型限制接触外圆车刀。
上述组合刀具的使用方法如下：由微计算机处理系统计算稳定区域完成，微计算机处理系统通过转速传感器，位移传感器，角频率传感器、压力传感器和振动传感器，分别检测工件的转速、位移和角频率，固有频率，压力，计算出导致震颤加工的系统固有频率ωn和系统阻尼比ξ和切削过程参数Cp，
其中计算公式如下：
ωn—系统固有频率
ξ—系统阻尼比
角频率为ωc
轴向切深ap
T为切削周期，Cp表示切削过程参数；
ωcT表示在齿周期为T和角频率为ωc时的角位移，
即相邻的两齿切入工件时的振动位相差，主轴的转速n可以通过刀齿数，齿周期求出，n＝1/NT
即
以主轴转速n和轴向切深ap为坐标轴，就可以定义一组稳定加工曲线，即该组曲线可以表示稳定及非稳定加工区域。
就可以计算出类似图4的稳定区域，并获得导致震颤加工的固有频率及阻尼比，但不局限与图4，在确定组合刀具稳定加工区域，及导致震颤加工的固有频率及阻尼比后，然后实时调整刀具的状态，保持稳定区域处于最大状态，保证加工过程的稳定。激振器始终在固有频率基点开始激振，进一步减少振幅；阻尼发生器实时调节机构阻尼，使的阻尼比处于最优值状态，即保证振动幅值最小。
上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。
Claims (8)
1.一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，包括刀体(10),所述刀体(10)包括刀体座(101)和刀体柄(102)，刀体座(101)上设有夹持刀具(1)的夹持槽(103)，刀体柄(102)设有与夹持槽(103)连通的滑槽(104)；刀体座(101)上设于用于预紧的螺栓(105)；
所述刀具(1)通过万向转轴(2)连接有丝杆(3)，丝杆(3)连接有电机(6)；丝杆(3)上套设有带内螺纹的套筒(4)，套筒(4)铰接连杆(5)的一端，连杆(5)的另一端与刀具(1)铰接,刀具(1)和连杆(5)之间连接有调压弹簧(19)；刀具(1)连接有传感器(7)，所述传感器包括压力传感器、位移传感器、振动传感器、转速传感器和角频率传感器；传感器(7)连接有智能设备(8)，智能设备(8)连接有激振器(9)、压电感应器(20)和阻尼发生器(18)，压电感应器(20)和阻尼发生器(18)处于刀具(1)和刀体之间，激振器(9)与刀具(1)相连；刀具(1)的侧刀面(11)上设有限制刀具与切屑接触长度的凹槽(12)；所述刀具(1)的后刀面(13)成形有减少摩擦的圆弧边角(14)；所述凹槽(12)与刀具(1)的主切削刃(15)之间的限制接触长度均为连续变化的函数曲线，所述函数曲线的公式为：
Y＝(898-5675X+16305X2-16699X3+8681X4-2459X5+362X6-22X7)/σ或Y＝(161+236X+4984X2-5166X3+1939X4-252X5)/σ；其中Y表示主切削刃的长度，X表示限制接触长度，σ表示刀具材料的屈服强度。
2.如权利要求1所述的适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，所述刀具材料的屈服强度σ的大小为400到960MPa；所述限制接触长度X的大小范围为0.01～5mm；限制接触边界倾斜角的大小范围为1°～85°。
3.如权利要求1所述的适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，所述侧刀面(11)的台阶高度为1～8mm。
4.如权利要求1所述的适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，所述刀体柄(102)的截面为六边形，刀体柄(102)由外侧的大端(1021)向内侧的小端(1022)逐渐变细。
5.如权利要求4所述的适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，所述夹持槽(103)的两侧分别设有第一平行钢板(106)和阻尼发生器(18)，第一平行钢板(106)外侧设有阻尼片(109)，阻尼片(109)外侧设有第二平形钢板(107)，第二平形钢板(107)外侧设有第三平形钢板(110)，第二平形钢板(107)和第三平形钢板(110)之间设有压电感应器(20)；第三平形钢板(110)外侧设有隔热棉(108)，隔热棉(108)与刀具(1)接触；第一平行钢板(106)和第二平形钢板(107)之间安装有阻尼片(109)；刀体(10)和刀具(1)之间夹持有阻尼发生器(18)。
6.如权利要求5所述的适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，所述隔热棉(108)为玻璃棉；第二平形钢板(107)和第三平形钢板(110)之间设有三个压电感应器(20)。
7.如权利要求1所述的适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具，其特征在于，所述智能设备(8)为微计算机处理系统，所述刀具(1)通过3D打印技术制造。
8.一种适用于加工大型圆筒类零件的新型组合刀具的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：微计算机处理系统通过转速传感器，位移传感器，角频率传感器、压力传感器和振动传感器，分别检测工件的转速、位移和角频率，固有频率，压力，计算出导致震颤加工的系统固有频率ωn和系统阻尼比ξ和切削过程参数Cp，其中计算公式如下：
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角频率为ωc
轴向切深ap
T为切削周期，Cp表示切削过程参数；
步骤二：微计算机处理系统控制电机(6)带动丝杆(3)转动，实时调整刀具(1)的切削角度，减少震颤幅度；微计算机处理系统控制激振器(9)根据固有频率基点开始激振减少振幅；微计算机处理系统根据系统阻尼比控制阻尼发生器(18)实时调整组合刀具的阻尼比；保证振动幅值最小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |