CN115533145A - 一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具,属于车削加工,解决了现有技术中零件频繁冲击刀具,导致刀具快速崩刃或者磨损的问题。本发明的多切点刀具包括刀座、安装在刀座上的第一承载体和第二承载体,以及安装在第一承载体下端的至少一个球头切削刃和安装在第二承载体下端的至少两个球头切削刃;沿切削前进方向,位于第一承载体下端的球头切削刃与位于第二承载体下端的任意一个球头切削刃平齐设置,且所有球头切削刃同步切削;所有所述球头切削刃的下边缘不平齐。实现了在断续加工过程中提高刀具的使用寿命,以及提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及车削加工技术领域,尤其涉及一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具。
背景技术
钛合金是性能优异的金属材料,具有密度低、比强度高等优点,广泛应用于航空、航天、船舶等各个领域。大型钛合金铸舱外廓尺寸大、结构复杂,零件具有弱刚性、刀具可达性差等特点。
目前一般采用车削加工方法对大型钛合金铸舱内腔进行加工,而现有的车削刀具一般采用单一切削刃进行车削,通过反复车削来完成对零件的加工。但由于零件内腔有多处轴向筋条,筋条在零件内腔内不均匀分布,筋条加工余量不均,余量一般为3-5mm,会导致在对大型钛合金铸舱内腔进行车削加工时,存在“断续加工”情况。“断续加工”一直为车削加工的“克星”,主要表现为零件频繁冲击刀具,导致刀具快速崩刃或者磨损,是业内一直比较棘手的问题。
发明内容
鉴于上述的分析,本发明实施例旨在提供一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具,用以解决现有零件频繁冲击刀具,导致刀具快速崩刃或者磨损的问题。
本发明实施例提供了一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具,包括刀座、安装在刀座上的第一承载体和第二承载体,以及安装在第一承载体下端的至少一个球头切削刃和安装在第二承载体下端的至少两个球头切削刃;
沿切削前进方向,位于第一承载体下端的球头切削刃与位于第二承载体下端的任意一个球头切削刃平齐设置,且所有球头切削刃同步切削;
所有所述球头切削刃的下边缘不平齐。
基于上述多切点刀具的进一步改进,位于所述第一承载体下端安装有第一球头切削刃、第二球头切削刃,位于所述第二承载体下端安装有第三球头切削刃、第四球头切削刃;
沿切削前进方向,所述第一球头切削刃与第三球头切削刃平齐设置,且同步切削;所述第二球头切削刃与第四球头切削刃平齐设置,且同步切削;
所述第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃和第四球头切削刃下边缘不平齐。
基于上述多切点刀具的进一步改进,沿切削前进方向,所述第一球头切削刃位于第二球头切削刃的前端;
沿进刀方向,所述第一球头切削刃与第二球头切削刃的两侧边缘平齐,所述第三球头切削刃与第四球头切削刃的两侧边缘平齐。
基于上述多切点刀具的进一步改进,所述第一球头切削刃和第二球头切削刃下边缘之间的距离与第二球头切削刃的切深相同;
其中,所述第一球头切削刃的切深a满足:
其中,HⅠ为第一球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Ka为修正系数,取值范围为3.0~8.9;D为第一球头切削刃的直径,取值范围为6~12mm;
所述第二球头切削刃的切深b满足:
其中,HⅡ为第二球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kb为修正系数,取值范围为2.5~8.9;D为第二球头切削刃的直径,取值范围为6~12mm。
基于上述多切点刀具的进一步改进,所述第二球头切削刃和第三球头切削刃下边缘之间的距离与第三球头切削刃的切深相同;所述第三球头切削刃和第四球头切削刃下边缘之间的距离与第四球头切削刃的切深相同;
其中,所述第三球头切削刃的切深c满足:
其中,HⅢ为第三球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kc为修正系数,取值范围为2.6~8.9;D为第三球头切削刃的直径,取值范围为6~12mm;
所述第四球头切削刃的切深d满足:
其中,HⅣ为第四球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kd为修正系数,取值范围为2.4~7.1;D为第四球头切削刃的直径,取值范围为6~12mm。
基于上述多切点刀具的进一步改进,所述多切点刀具加工一个轨迹切深为第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃及第四球头切削刃的切深之和。
基于上述多切点刀具的进一步改进,所述第一承载体的下端开设有分别用于安装第一球头切削刃和第二球头切削刃的第一安装槽、第二安装槽;所述第一球头切削刃的工作前角α满足:
其中,HⅠ为第一球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kα为修正系数,取值范围为16.9~25.9;a为第一球头切削刃的切深;
所述第二球头切削刃的工作前角β满足:
其中,HⅡ为第二球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kβ为修正系数,取值范围为13.1~25.0;b为第二球头切削刃的切深;
其中,所述第一安装槽底面的倾斜度与第一球头切削刃的自身前角固定值之和为第一球头切削刃的工作前角;
所述第二安装槽底面的倾斜度与第二球头切削刃的自身前角固定值之和为第二球头切削刃的工作前角。
基于上述多切点刀具的进一步改进,所述第二承载体的下端开设有分别用于安装第三球头切削刃和第四球头切削刃的第三安装槽、第四安装槽;所述第三球头切削刃的工作前角γ满足:
其中,HⅢ为第三球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kγ为修正系数,取值范围为14.2~25.3;c为第三球头切削刃的切深;
所述第四球头切削刃的工作前角δ满足:
其中,HⅣ为第四球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kδ为修正系数,取值范围为12.5~19.6;d为第四球头切削刃的切深;
其中,所述第三安装槽底面的倾斜度与第三球头切削刃的自身前角固定值之和为第三球头切削刃的工作前角;
所述第四安装槽底面的倾斜度与第四球头切削刃的自身前角固定值之和为第四球头切削刃的工作前角。
基于上述多切点刀具的进一步改进,所述刀座上开设有矩形通槽,所述第一承载体和第二承载体插设在矩形通槽内与刀座可移动固定连接。
基于上述多切点刀具的进一步改进,还包括清洁装置,用以对第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃及第四球头切削刃相邻面之间的间隙处进行降温、润滑及去除碎屑;
所述清洁装置包括在第一承载体上开设有用于气体、液体流通的第一通道和第二通道,所述第一通道的喷气口和第二通道的喷液口位于第一球头切削刃和第二球头切削刃之间的间隙内,并朝向第三球头切削刃和第四球头切削刃之间的间隙。
与现有技术相比,本发明至少可实现如下有益效果之一:
1、本发明的加工刀具为4个球头切削刃组成的多切点错位的刀具,即四个球头切削刃同步切削,四个球头切削刃之间的下边缘之间的距离差值≠0,以此,机床运行一个加工轨迹的切深为四个球头切削刃切深之和,提高了单次切削效率;以及,通过设定的四个球头切削刃的工作前角组合,即α<γ<β<δ,在保证刀具具有整体的抗冲击性的情况下,提高了加工刀具的整体锋利度,进而提高了加工效率。
2、可通过切深调节齿轮对第一承载体和第二承载体的相对位置进行调整,进而可精准调节第一球头切削刃和第三球头切削刃的切深,以及实现在加工的过程中对各刀刃相对于钛合金铸舱内腔的位置进行调节,以此,可对钛合金铸舱底部的内腔进行切削,以实现对钛合金铸舱内腔全方位无死角的加工,进而提高了加工效率。
3、本发明的加工刀具使用寿命长,进而避免了频繁更换刀具,从而提高了加工效率,单个钛合金铸舱内腔的加工时间可低至3.2h,相较于现有技术,加工效率提高了1.7倍左右。
4、在加工钛合金铸舱内腔时,本发明以4个球头切削刃分担加工切削量,降低单个切削刃承受的加工量,相比于现有技术,在加工单个零件时,单个刀刃承受的磨损降低,因而提高了刀具的寿命;以及,一球头切削刃以较小的工作前角承受主要的冲击,对另外三处球头切削刃进行保护,即初始状态下,钛合金铸舱内腔内的筋条加工余量不均匀,一球头切削刃首先与筋条接触,设置较小工作前角的球头切削刃抗冲击性好,承受主要的冲击,而该球头切削刃加工后的端面为均匀端面,避免了不均匀端面产生局部断续切削的现象,进而降低了对另外三处球头切削刃的冲击,以此提高了加工刀具的使用寿命。
5、在加工钛合金铸舱内腔时,第一球头切削刃以较小工作前角承受主要冲击,沿切削前进方向,位于第一球头切削刃后端的第二球头切削刃承受较小的冲击,且由于两者距离较近,可视为连续切削,进一步降低了对第二球头切削刃的冲击;由于第一球头切削刃承受了不均匀筋条的冲击,进而,第三球头切削刃避免了不均匀端面产生局部断续切削的现象,沿切削前进方向,位于第三球头切削刃后端的第四球头切削刃承受较小的冲击,且由于第四球头切削刃与第三球头切削刃距离较近,可视为连续切削,进一步降低了对第四球头切削刃的冲击;以此进一步提高了该加工刀具的使用寿命。
6、可通过设置在第一承载体上的切削液喷出通道与气体喷出通道,对刀刃间隙处进行降温、润滑,解决了现有的切削液给液方式可能无法给到间隙内的问题,以此实现了对刀刃的全方位降温、润滑处理,同时,能够去除刀刃间隙内粘附的碎屑,避免碎屑摩擦刀刃,以此,进一步提高了加工刀具的使用寿命,单个刀刃的使用寿命最低为8.7h,相比于现有技术,提高了17.4-26.1倍。
7、本发明的四球头切削刃均可采用圆形刃,该圆形刃的各个角度的工作前角相同,以此,刀刃的切削端部崩刃时,只需转动圆形刃,未崩刃的部位可继续以原切深、工作前角进行切削作业,单个刀刃的利用率提高,降低了成本,且安装过程中无需再调试切深及工作前角,安装效率得到提高,进而提高了整体的加工效率。
本发明中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明中多切点刀具与钛合金铸舱在轴向进刀方向上的配合结构示意图;
图2为本发明中多切点刀具与钛合金铸舱在切削前进方向上的配合结构示意图;
图3为本发明中第一球头切削刃与第一承载体在轴向进刀方向上的配合结构示意图;
图4为本发明中第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃、第四球头切削刃与刀座在切削前进方向上的配合结构三维示意图;
图5为本发明中第一球头切削刃和第二球头切削刃在轴向进刀方向上的配合结构示意图;
图6为本发明中第三球头切削刃和第四球头切削刃在轴向进刀方向上的配合结构示意图;
图7为本发明中第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃和第四球头切削刃在切削前进方向上的配合结构示意图;
图8为本发明中第一承载体、第二承载体与刀座配合剖视结构示意图;
图9为图8中的A-A处截面示意图;
图10为图9中截面处的第一承载体和第二承载体的配合结构示意图;
图11为本发明中刀座结构示意图;
图12为本发明中的加工装置结构示意图。
附图标记:
1-刀座;101-矩形通槽;102-凸起;2-第一承载体;3-第二承载体;4-第一球头切削刃;5-第二球头切削刃;6-第三球头切削刃;7-第四球头切削刃;8-第一辅助承载体;9-第二辅助承载体;10-安装螺杆;11-切深调节齿轮;12-矩形槽;13-凹槽;14-第一通道;15-第二通道;16-钛合金铸舱;17-钛合金铸舱绕轴线转动的方向;18-钛合金铸舱轴线;19-多切点刀具轴向进刀方向;20-切削前进方向;21第一球头切削刃受力方向;22-第三球头切削刃受力方向;23-刀杆;24-基座;25-上环;26-下环;27-螺杆;28-第一球头切削刃切削时的加工基准面;29-第二球头切削刃切削时的加工基准面;30-第三球头切削刃切削时的加工基准面;31-第四球头切削刃切削时的加工基准面;α1-第一球头切削刃的自身前角固定值;α2-第一球头切削刃的安装前角;C1-第一球头切削刃与第二球头切削刃下边缘之间的距离;C2-第二球头切削刃与第三球头切削刃下边缘之间的距离;C3-第三球头切削刃与第四球头切削刃下边缘之间的距离;D-第二球头切削刃的直径;R1-第一球头切削刃与第三球头切削刃之间的间隙的相邻侧边缘之间的距离;R2-第二球头切削刃与第四球头切削刃的相邻侧边缘之间距离;R3-第一球头切削刃与第二球头切削刃沿进刀方向的下边缘之间的距离;R4-为第三球头切削刃与第四球头切削刃沿进刀方向的下边缘之间的距离;a-第一球头切削刃以其加工基准面为基准的切深;b-第二球头切削刃以其加工基准面为基准的切深;c-第三球头切削刃以其加工基准面为基准的切深;d-第四球头切削刃以其加工基准面为基准的切深;w1-切深调节齿轮的直径;w2-第一承载体的上端部的长度尺寸;w3-矩形槽的槽深;w4-矩形槽的侧壁长;w5-矩形槽的宽度。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
某大型金属铸舱内腔为飞行器上的壳体部件,其毛坯为钛合金桶类铸舱,最大直径为760mm,最大加工深度为920mm,区域壁厚为4-5mm,铸舱内腔内不规则分布有多处轴向筋条,筋条加工余量不均,一般为3-5mm,在对铸舱内腔加工时,存在“断续加工”的情况,导致铸舱频繁冲击刀具,使刀具快速崩刃或者磨损。
为解决上述问题,本发明提供了一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具,如图4所示,包括刀座1、安装在刀座1上的第一承载体2和第二承载体3,以及安装在第一承载体2下端的第一球头切削刃4、第二球头切削刃5,和安装在第二承载体3下端的第三球头切削刃6、第四球头切削刃7;
如图4~7所示,沿切削前进方向,第一球头切削刃4与第三球头切削刃6平齐设置,且同步切削;第二球头切削刃5与第四球头切削刃7平齐设置,且同步切削;第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6和第四球头切削刃7下边缘不平齐。也就是说,在沿钛合金铸舱16内腔周向切削的过程中,第一球头切削刃4和第三球头切削刃6齐头并进,第二球头切削刃5和第四球头切削刃7齐头并进;沿轴向进刀方向,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5齐头并进,第三球头切削刃6和第四球头切削刃7齐头并进,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7对沿钛合金铸舱16内腔的切深不同。
与现有技术相比,沿切削前进方向,本发明的加工刀具为4个切削刃两两平齐设置的球头切削刃,第一球头切削刃4与第三球头切削刃6的球头面位于同一平面内,第二球头切削刃5与第四球头切削刃7的球头面位于同一平面内,且第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6、第四球头切削刃7的下边缘存在高度差,即四个球头切削刃切削下边缘之间的距离差值≠0,四者同步进行切削,形成多切点错位的刀具,进行多切点错位加工。切削过程中,刀具沿钛合金铸舱16内腔周向切削,沿钛合金铸舱16内腔轴向进刀,当沿钛合金铸舱16内腔周向切削一周后,形成一个周向的加工轨迹,沿钛合金铸舱16内腔轴向进刀,第二球头切削刃5在第一球头切削刃4形成的前一加工轨迹上切削,第三球头切削刃6在第二球头切削刃5形成的前一个加工轨迹上切削,第四球头切削刃7在第三球头切削刃6的前一个加工轨迹上切削,如此,机床运行一个加工轨迹的切深为四个球头切削刃切深之和,提高了单次切削效率;同时,以4个球头切削刃分担加工切削量,降低单个切削刃承受的加工量,在加工单个零件时,单个刀刃承受的磨损降低,因而提高了加工刀具的寿命。加工刀具使用寿命长,进而避免了频繁更换刀具,从而提高了加工效率,单个钛合金铸舱16内腔的加工时间可低至3.2h,相较于现有技术,加工效率提高了1.7倍左右。
其中,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的下边缘不平齐,即上述四个球头切削刃的下边缘存在高度差。且上述四个球头切削刃都同步进行切削,形成多切点错位的刀具,进行多切点错位加工。示例性的,第一球头切削刃4的切深为a,第二球头切削刃5的切深为b,第三球头切削刃6的切深为c,第四球头切削刃7的切深为d,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5的下边缘之间距离C1=b>0,第二球头切削刃5和第三球头切削刃6的下边缘距离C2=c>0,第三球头切削刃6与第四球头切削刃7的下边缘距离C3=d>0,机床运行一个加工轨迹的切深Y=a+b+c+d。
具体的,如图4所示,上述多切点刀具包括刀座1及安装在刀座1上的第一承载体2和第二承载体3,为了便于球头切削刃的安装和更换,第一承载体2和第二承载体3的下端分别安装有第一辅助承载体8、第二辅助承载体9;为了进一步便于球头切削刃的安装和更换,第一辅助承载体8和第一承载体2的下端分别开设有用于安装第一球头切削刃4、第二球头切削刃5的第一安装槽、第二安装槽,第二辅助承载体9和第二承载体3的下端分别开设有用于安装第三球头切削刃6、第四球头切削刃7的第三安装槽、第四安装槽。
具体的,第一辅助承载体8和第二辅助承载体9分别通过安装螺杆10安装在第一承载体2和第二承载体3的下端。第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的一侧分别螺接在第一安装槽、第二安装槽、第三安装槽及第四安装槽内,沿切削行进方向,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7具有两个相对的面,其中一面为安装第一辅助承载体8、第一承载体2、第二辅助承载体9及第二承载体3的安装面,另一端面为作为工作侧的球头凸形面,凸形面的边缘为圆形切削刃,两个圆形切削刃的直径均为D。
具体的,沿轴向进刀方向,第一球头切削刃4与第二球头切削刃5的两侧边缘平齐,第三球头切削刃6与第四球头切削刃7的两侧边缘平齐。其中,第一球头切削刃4与第三球头切削刃6之间的间隙为R1=1/4D,第二球头切削刃5与第四球头切削刃7之间的间隙R2=R1;第一球头切削刃4与第二球头切削刃5之间的间隙R3=2/3D,第三球头切削刃6与第四球头切削刃7之间的间隙R4=R3。如此,较小的间隙便于阻挡尺寸较大的切屑进入两球头切削刃相邻的区域,来降低对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的磨损,同时,利于对靠近钛合金铸舱11内腔底部的区域加工,以提高加工效率。示例性的,D为12mm。
根据球头切削刃的材料硬度和待加工铸舱材料硬度确定球头切削刃的切深,以提高两个球头切削刃的使用寿命及加工效率。
具体的,第一球头切削刃4的切深a满足:
其中,HⅠ为第一球头切削刃4的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
Ka为修正系数,取值范围为3.0~8.9;
D为第一球头切削刃4的直径,取值范围为6~12mm。
具体的,第二球头切削刃5的切深b满足:
其中,HⅡ为第二球头切削刃5的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
Kb为修正系数,取值范围为2.5~8.9;
D为第二球头切削刃5的直径,取值范围为6~12mm。
具体的,第三球头切削刃6的切深c满足:
其中,HⅢ为第三球头切削刃6的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
Kc为修正系数,取值范围为2.6~8.9;
D为第三球头切削刃6的直径,取值范围为6~12mm。
具体的,第四球头切削刃7的切深d满足:
其中,HⅣ为第四球头切削刃7的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
Kd为修正系数,取值范围为2.4~7.1;
D为第四球头切削刃7的直径,取值范围为6~12mm。
示例性的,直径D为12mm,H钛合金为RHC30,第一球头切削刃4的材料为硬质合金,HⅠ为RHC70,Ka为7.10,此时,a=1mm。
示例性的,第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7与第一球头切削刃4的形状尺寸及材料相同,此时,HⅠ=HⅡ=HⅢ=HⅣ=RHC70;其中,Kb=5.95,此时,b=1.2mm;其中,Kc=6.47,此时,c=1.1mm;其中,Kd=4.81,此时,d=1.5mm。
考虑到在加工至靠近钛合金铸舱16底壁的侧面时,利用上述多切点刀具,无法实现对于靠近钛合金铸舱16底部的侧壁的最后一圈的加工,本发明的第一球头切削刃4、第二球头切削刃5第三球头切削刃6及第四球头切削刃7可在第一承载体2和第二承载体3的带动下上、下移动。
具体的,如图8~11所示,刀座1上开设有矩形通槽101,矩形通槽101的内壁设有多个贯穿刀座1上、下端面的凸起102,第一承载体2和第二承载体3的外表面设有多个贯穿两承载体上、下端面的多个凹槽13,第一承载体2和第二承载体3的一面相互贴合的插设在矩形通槽101内,第一承载体2外表面的多个凹槽13与矩形通槽101的内壁的多个凸起102一一对应嵌合,第二承载体3外表面的多个凹槽13与矩形通槽101的内壁的多个凸起102一一对应嵌合,在外力作用下,第一承载体2和第二承载体3能够在刀座1的矩形通槽101内上下移动。
进一步地,可在刀座1内设置调节机构,便于施加外力以实现第一承载体2和第二承载体3在刀座1的矩形通槽101内的上下移动。
具体的,调节机构包括切深调节齿轮11,为了形成容纳切深调节齿轮11的内部腔室,第一承载体2和第二承载体3相互贴合的一面分别设有矩形槽12,第一承载体2的矩形槽12和第二承载体3的矩形槽12共同形成容纳切深调节齿轮11的内部腔室。
为了实现第一承载体2和第二承载体3在刀座1的矩形通槽101内的上下移动,矩形槽12底面为齿面,该齿面能与切深调节齿轮11啮合。
为了便于施加外力,调节机构还包括转动轴,转动轴的一端与切深调节齿轮11连接,另一端与设置在刀座1上的驱动组件传动相接。转动轴的数量可为2个,分别设置在切深调节齿轮11的两端。
其中,上述驱动组件包括与一端的转动轴啮合相接的驱动轴及用于控制驱动轴转动的驱动电机组件。其中,切深调节齿轮11的两平面端部与矩形槽12的侧端面滑动相接。
当需要调节切深时,启动驱动组件,在驱动组件的作用下,切深调节齿轮11转动。初始状态下,第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的下边缘齐平,若切深调节齿轮11顺时针转动,则第一承载体2带动第一球头切削刃4和第二球头切削刃5远离钛合金铸舱16内腔壁面移动,第二承载体3带动第三球头切削刃6和第四球头切削刃7靠近钛合金铸舱16内腔壁面移动,以此实现对第二球头切削刃5和第三球头切削刃6下边缘之间的距离差值C2的调节。
其中,在切深调节齿轮11顺时针转动时,第二球头切削刃5远离钛合金铸舱16内腔端面移动的距离P1满足:
P1=v1*t1
其中,v1为切深调节齿轮11转动时的侧端面线速度;
t1为切深调节齿轮11转动时间。
第三球头切削刃6靠近钛合金铸舱16内腔端面移动的距离P2满足:
P2=P1
此时,切深调节齿轮11转动的时间:
以此,实现对第一承载体2和第二承载体3的位置精准调节。
具体的,第一承载体2和第二承载体3的上端部的长方体部分结构尺寸相同,切深调节齿轮11为圆柱体结构,其直径w1=w2,其中,w2为第一承载体2或第二承载体3的上端部的长度尺寸;
其中,矩形槽12的尺寸条件满足:
矩形槽12的槽深w3=1/2w2;
矩形槽12的侧壁长w4=1/4w2;
矩形槽12的宽度w5=2πw2。
一般,刀刃的工作前角越大,刀刃就越锋利,但刀刃的抗冲击性就越弱,现有技术一般通过提高刀刃的锋利度来提高加工效率,但往往造成刀刃寿命过短,需要人工频繁更换刀具。同时,考虑到钛合金铸舱16内腔内的筋条加工余量不均匀,设置两两齐头并进的四个球头切削刃时,四个球头切削刃均需要承受主要的冲击,加工刀具的使用寿命均会同步损失。
为此,本发明以相互配合的第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的工作前角,即第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的工作前角不相同,一球头切削刃首先与筋条接触,设置较小工作前角的球头切削刃抗冲击性好,承受主要的冲击,来进一步提高刀具的使用寿命、整体强度以及切削效率。
具体的,如图2~6所示,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的自身前角固定值分别为α1、β1、γ1、δ1,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的安装前角分别为α2、β2、γ2、δ2,第一球头切削刃4工作前角为α=α1+α2,第二球头切削刃5的工作前角为β=β1+β2,第三球头切削刃6的工作前角γ=γ1+γ2;第四球头切削刃7的工作前角δ=δ1+δ2。
其中,第一球头切削刃4的工作前角α设为较小,以承担主要的冲击,来对第二球头切削刃5进行保护,α值的大小与铸舱材料的硬度和第一球头切削刃4的切深共同决定;第二球头切削刃5的工作前角β大于α,即α<β,以提高其锋利度,进而提高整体的加工效率;
其中,第三球头切削刃6的工作前角γ设为介于β和α之间,即α<γ<β,以承担主要的冲击,来对第四球头切削刃7进行保护;第四球头切削刃7的工作前角δ大于β,即δ>β,以提高其锋利度,进而提高整体的加工效率。
其中,在确定α、β、γ、δ值后,通过调整第一安装槽、第二安装槽、第三安装槽及第四安装槽底面的倾斜度和第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7自身的前角固定值,来调整α、β、γ、δ值。
具体的,第一球头切削刃4的工作前角α满足:
其中,Kα为修正系数,取值范围为16.9~25.9;
HⅠ为第一球头切削刃4的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
a为第一球头切削刃4的切深。
具体的,第二球头切削刃5的工作前角β满足:
其中,Kβ为修正系数,取值范围为13.1~25.0;
HⅡ为第二球头切削刃5的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
b为第二球头切削刃5的切深。
具体的,第三球头切削刃6的工作前角γ满足:
其中,Kγ为修正系数,取值范围为14.2~25.3;
HⅢ为第三球头切削刃6的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱16材料的硬度;
c为第三球头切削刃6的切深。
具体的,第四球头切削刃7的工作前角δ满足:
其中,Kδ为修正系数,取值范围为12.5~19.6;
HⅣ为第四球头切削刃7的材料硬度;
H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;
d为第四球头切削刃7的切深。
示例性的,Kα为20.33,HⅠ为RHC70,H钛合金为RHC30,a为1mm,此时,α=-1.5°。
示例性的,第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7与第一球头切削刃4的形状尺寸及材料相同,此时,HⅠ=HⅡ=HⅢ=HⅣ=RHC70;其中,Kβ为16.48,b=1.2mm,此时,β=1°;其中,Kγ为18.08,c=1.1mm,此时,γ=0.5°;其中,Kδ为12.59,d=1.5mm,此时,δ=5°。
具体的,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的自身前角固定值由球头切削刃本身形状决定,示例性的,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的形状相同,此时,四个球头切削刃的自身前角固定值α1、β1、γ1、δ1满足:α1=β1=γ1=δ1,具体为1.5°;以此,根据公式α=α1+α2、β=β1+β2、γ=γ1+γ2、δ=δ1+δ2可计算获取第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的安装前角,即第一球头切削刃4的安装前角α2=α-α1=-1.5°-1.5°=-3°,第二球头切削刃5的安装前角β2=β-β1=1°-1.5°=-0.5°,第三球头切削刃6的安装前角γ2=γ-γ1=0.5°-1.5°=-1°,第四球头切削刃7的安装前角δ2=δ-δ1=5°-1.5°=3.5°。
在确定第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的安装前角后,分别对第一安装槽、第二安装槽、第三安装槽及第四安装槽内的底面的倾斜度进行设置,上述底面即为与第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6或第四球头切削刃7的安装面相接触的面,该底面倾斜度分别与第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6、第四球头切削刃7的安装前角度数相同,以此实现对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的安装前角的调整。
具体的,如图8所示,第一承载体2由上、下两部分构成,其上部安装在刀座1内的矩形通槽101内,其下部螺接在上部的下端,便于更换;上述第一承载体2的下部通过安装螺杆10安装有第一辅助承载体8,第一辅助承载体8和第一承载体2的下部开设有分别用于安装第一球头切削刃4和第二球头切削刃5的第一安装槽、第二安装槽,如图3所示,第一安装槽的底面倾斜度为α2,在加工第一辅助承载体8的下部时,对该底面倾斜度加工成型,以调节第一球头切削刃4的工作前角。其中第二安装槽与第一安装槽的结构相同,区别在于第二安装槽的底面倾斜度为β2。
具体的,第二辅助承载体9、第二承载体3分别与第一辅助承载体8、第二承载体3结构相同,区别在于分别开设于第二辅助承载体9和第二承载体3下端的第三安装槽、第四安装槽的底面倾斜度,其中,第三安装槽的底面倾斜度为γ2,第四安装槽的底面倾斜度为δ2。
考虑到第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7之间的间隙小,示例性的,R2=R1=3mm,R3=R4=8mm;在切削加工的过程中,现有的切削液给液方式可能无法给到间隙内,对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7之间间隙处的端面无法降温处理,此外,碎屑也会进入第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7之间的间隙内,可能会堆积在该间隙内,碎屑堆积多了会磨损第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7,降低使用寿命。
为解决上述问题,可设有清洁装置,以在切削的过程中,对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7相邻面之间的间隙处进行降温、润滑及去除残留金属碎屑。
具体的,该清洁装置包括在第一承载体2上开设的用于气、液流通的第一通道14和第二通道15,第一通道14的喷气口和第二通道15的喷液口位于第一球头切削刃4和第二球头切削刃5相邻面之间的间隙内,并朝向第三球头切削刃6和第四球头切削刃7之间的间隙设置。
为了提高第二通道15喷出的切削液的流速,以对粘附在第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7相邻边缘间隙处的碎屑进行清理,本发明以喷出的气体提高切削液的流速,来提高对碎屑的清理效率,同时通过加速第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7表面空气流动,来提高对多切点刀具的降温效果。
具体的,沿切削前进方向,第二通道15的喷液口位于第一通道14的喷气口上端设置。其中,第一通道14内用于流通空气或氮气,第二通道15内用于流通切削液。第一通道14的喷气口的直径为x1,第二通道15的喷液口的直径为x2,其中,1/3*R1<x1=x2<1/2*R1,示例性的,间隙R1=3mm,所以,1mm<x1=x2<1.5mm。其中,第一通道14的喷气口出风速率为8.0-10m/s;第二通道15的喷液口出液速率为0.25-0.3m/s。以此,通过喷出的气体增加切削液朝向第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7相邻面之间的间隙处,以提高对间隙内的刀刃进行降温、润滑及去除残留金属碎屑效果。
为了实现第一通道14能够稳定的喷出气体及实现第二通道15稳定的喷出切削液,本发明在第一承载体2的外部设置供气装置和供液装置。具体的,第一通道14的进气端与设置在第一承载体2外部的供气装置连通,该供气装置包括用于向第一通道14内输送空气或氮气的输气管。第二通道15的进液口与供液装置连通,该供液装置包括用于向第二通道15内输送切削液的输液管道。
为了更好的利用上述多切点刀具进行切削作业,本发明还提供了一种钛合金铸舱16内腔加工装置,该加工装置包括上述多切点刀具及用于控制多切点刀具移动状态的驱动装置。该驱动装置包括与刀座1固定连接的刀杆23及用于驱动刀杆23移动的机床组件,以实现多切点刀具在钛合金铸舱16内腔轴向上移动,以及实现多切点刀具靠近钛合金铸舱16内腔距离的调整。
具体的,如图12所示,该加工装置包括多切点刀具,还包括一端与刀座1固定连接的刀杆23,该刀杆23的另一端固定设置在基座24内,该基座24安装于机床Z轴托板上,以此,通过机床Z轴托板控制基座24带动刀杆23移动,进而带动多切点刀具在Z轴托板移动的方向上移动,以进行切削作业。
具体的,刀杆23的参数满足:
直径E=0.35*E1;
长度L=L1+5;
其中,E1为钛合金铸舱16内腔直径;
L1为钛合金铸舱16内腔深度。
为了提高切削过程的稳定性,还设置了夹紧工装,该夹紧工装包括用于固定钛合金铸舱16的两处夹紧件,用以对钛合金铸舱16进行轴向夹紧,以在切削时,保证钛合金铸舱16的稳定性,进而提高切削效率。
具体的,该夹紧工装包括上环25及通过螺杆27与上环25固定连接的下环26。其中,上环25固定于机床卡盘的端面上,用于放置钛合金铸舱16,下环26通过螺杆27与上环25固定连接,并将钛合金铸舱16夹持在上环25和下环26之间,以轴向压紧钛合金铸舱26,以此,通过该夹紧工装,使装夹力集中在轴线方向,减小钛合金铸舱16的径向受力,能够极大减小钛合金铸舱16装夹变形,提高了对钛合金铸舱16稳定切削控制。
为了进一步提高对钛合金铸舱16装夹的稳定性,在上环25、下环26设有与钛合金铸舱16外形间隙为0.1mm的止口,以限制钛合金铸舱16的X、Y、Z、A、B五个方向自由度。
具体的,为了便于装夹钛合金铸舱16,上环25的参数满足:
内径j1=0.9E1;
外径j2=1.2E1。
下环26的参数满足:
内径j3=0.97E1;
外径j4=1.2E1。
螺杆27的参数满足:
长度g=1.1L1。
具体的,共设有四个螺杆27,均匀的布设在上环25、下环26之间。螺杆27的两端设有相适配的螺母,通过螺杆27与螺母的配合来固定上环25、下环26。示例性的,该螺母为GBT6170螺母M20,使用扭矩扳手对该螺母进行紧固。
其中,扭矩扳手的扭矩值M设定为45±3N·m,在使用扭矩扳手对螺母进行紧固的过程中,扭矩扳手在发出“卡塔”声后是提示已达到设定的扭矩值,该螺母的压紧力矩f1满足:
其中,T扭矩=M=45±3N·m;
K扭矩为该螺母所对应的扭矩系数,为0.15;
d螺杆为螺杆27与螺母配合端的直径,为0.020m;
示例性的,采用电阻式测力仪对车削力f车削进行测定,在车削的过程中,f车削始终小于55KN,直观表现为,在加工的过程中,钛合金铸舱16始终处于稳定的装夹状态。
示例性的,通过激光扫描仪或百分表测量法对钛合金铸舱16外形尺寸进行测定,在装夹前,钛合金铸舱16内径深度为L1=1m;装加后,钛合金铸舱16内径深度为L2=1.02m;L2-L1=0.02<0.05,可见,在车削加工的过程中,该夹紧工装的力学性能满足要求,同时,装夹致使钛合金铸舱16变形量小,满足加工要求。
为了进一步提高多切点刀具的使用寿命,还设置了切削液给进装置,该切削液给进装置包括用于输送切削液的切削液输送管,沿切削前进方向,以对第一球头切削刃4、第三球头切削刃6的球头面处进行降温、润滑及清除较大的切屑,并对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的两侧端面处进行降温、润滑及清除碎屑。
具体的,沿前角前进方向,切削液输送管的出液口对着第一球头切削刃4和第三球头切削刃6切削面的间隙处设置。其中,切削液输送管的出液口直径X3=5/4D,出液口处的切削液流速为0.2-0.3m/s。切削时,切削液与第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的球头面接触,接着经第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的侧端向下流经至第二球头切削刃5和第四球头切削刃7的侧端面;另外,少部分切削液流经至第一球头切削刃4和第三球头切削刃6、第二球头切削刃5和第四球头切削刃7相邻面之间的间隙处。
为了实现切削液输送管稳定的喷出切削液,该切削液给进装置包括用于向切削液输送管内输送切削液的切削液存储装置,以稳定的向切削液输送管内输送切削液。
作业时,通过夹紧工装带动钛合金铸舱16以29~37r/min速度转动;通过机床Z轴托板控制基座24带动刀杆23移动,进而带动多切点刀具在Z轴托板移动的方向上移动,实现多切点刀具以0.1~0.2mm/r的速度轴向进刀;切削时,沿切削前进的方向,通过切削液给进装置对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的球头面处进行降温、润滑及去除碎屑,以配合清洁装置实现对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7全方位的降温、润滑及去除碎屑的效率。
另外,本发明还提供了一种钛合金铸舱内腔加工方法,包括利用第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7对钛合金铸舱16内腔同步进行切削;切削时,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的下边缘不平齐,且沿切削前进方向,第一球头切削刃4和第三球头切削刃6、第二球头切削刃5和第四球头切削刃7分别平齐设置。以解决零件频繁冲击刀具,导致刀具快速崩刃或者磨损的问题,同时用以提高切削加工效率。具体包括以下步骤。
步骤1:利用夹紧工装,在轴向上夹紧钛合金铸舱16。
具体的,将上环25固定于机床卡盘的端面上,并将钛合金铸舱16一端放置在上环25的止口内;然后将下环26止口位置卡在钛合金铸舱16的另一端面上,并通过螺杆27与螺母的配合将下环26与上环25固定连接,以限制钛合金铸舱16的X、Y、Z、A、B五个方向自由度,提高钛合金铸舱16的稳定性,同时,实现装夹力集中在轴线方向,减小钛合金铸舱16的径向受力,能够极大减小钛合金铸舱16装夹变形。
步骤2:将多切点刀具与用于控制轴向进刀或轴向出刀的装置连接。
具体的,将多切点刀具的刀座1与刀杆23固定连接,刀杆23的另一端固定设置在基座24内,该基座24安装于机床Z轴托板上,以此,通过机床Z轴托板控制基座24带动刀杆23移动,进而带动多切点刀具在Z轴托板移动的方向上移动,以进行切削作业。
步骤3:设定给刀位置,沿切削前进方向,调整第二球头切削刃5和第三球头切削刃6的下边缘之间的距离为c。
具体的,以平行于机床的水平线为X轴,以垂直于X轴的竖直线为Y轴,以钛合金铸舱16一端口中心为零点,以平行于钛合金铸舱16顶部的内腔端口的面为坐标轴面,在该坐标系下,给刀位置在钛合金铸舱16内腔端口的左下45°位置,即-135°的位置,以此,便于清理第一球头切削刃4和第二球头切削刃5处的切屑,以及,便于切削液给进装置从两球头切削刃的球头面处给液,切削液在两球头切削刃表面停留时间增加,提高了对切削液的利用效率。
步骤4:调整钛合金铸舱16状态,并将多切点刀具移动至给刀位置处。
具体的,通过机床控制卡盘逆时针转动,以带动钛合金铸舱16内腔逆时针转动;以及通过Z轴托板控制刀杆23移动,以将多切点刀具移动至给刀位置处。
步骤5:利用该多切点刀具对钛合金铸舱16内腔进行切削加工。
具体的,利用第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7对钛合金铸舱16内腔同步进行切削;切削时,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的下边缘不平齐,且沿切削前进方向,第一球头切削刃4和第三球头切削刃6、第二球头切削刃5和第四球头切削刃7分别平齐设置;切削时,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7沿钛合金铸舱16内腔轴向进刀或轴向出刀。
其中,初始加工钛合金铸舱16内腔时,第一球头切削刃4首先对钛合金铸舱16内腔进行切削,紧接着,第二球头切削刃5在第一球头切削刃4形成的前一个加工轨迹上进行同步切削,此时,第三球头切削刃6和第四球头切削刃7处于空刀状态。加工时,钛合金铸舱16以转速v2=29~37r/min转动,一段时间后,轴向推进刀具,此时,多切点刀具以0.1-0.2mm/r的速度轴向进刀,在此过程中,第三球头切削刃6在第二球头切削刃5形成的前一个加工轨迹上进行切削,紧接着,第四球头切削刃7在第三球头切削刃6形成的前一个加工轨迹上进行同步切削,此时,机床运行一个加工轨迹的切深Y=a+b+c+d,大大提高了加工效率。
其中,初始状态下,钛合金铸舱16内腔的不规则筋条具有不规则的加工余量,第一球头切削刃4以较小的工作前角承受该不规则余量筋条的冲击,以对其他三个球头切削刃进行保护;第三球头切削刃6以较小的工作前角主要承受均匀加工余量筋条的冲击,以对第四球头切削刃7进行保护;第二球头切削刃5和第四球头切削刃7以较大的工作前角来提高切削时的锋利度,以提高多切点刀具的整体加工效率及使用寿命;
其中,在第一球头切削刃4轴向移动至钛合金铸舱16底部的内腔处时,利用切深调节机构调节第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7距钛合金铸舱16内腔的距离,以对钛合金铸舱16底部的内腔进行加工。具体的,逆时针转动切深调节齿轮11,该切深调节齿轮11转动时间为此时,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5继续进行切削,其切深均为v1*t3;一段时间t4=t2后,继续逆时针转动切深调节齿轮11,该切深调节齿轮11转动时间为 此时,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5继续进行切削,其切深均为v1*t5;以此,利用第一球头切削刃4和第二球头切削刃5对钛合金铸件16底部的内腔位置处进行切削加工,最终,第二球头切削刃5最后加工的面与第四球头切削刃7最后加工的面齐平。加工完成后,通过Z轴托板控制刀杆23将多切点刀具从钛合金铸舱16内移出。
步骤6:切削时,沿切削前进的方向,对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7进行降温、润滑及去除碎屑。
具体的,切削时,利用切削液给进装置向第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的球头面处喷处切削液,以从第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的外部进行降温、润滑及去除较大切削;同时启动供气装置和供液装置,对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7相邻面间隙处进行降温、润滑及去除细小碎屑。
其中,切削液输送管的喷口始终朝向第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的端部喷出切削液,切削液在向下流动的过程中,包覆第一球头切削刃4和第三球头切削刃6,接着与第二球头切削刃5和第四球头切削刃7的侧端面接触,由于第一球头切削刃4和第三球头切削刃6之间的间隙小,示例性的,为3mm,少量切削液以低速的状态流入第一球头切削刃4和第三球头切削刃6相邻面之间的间隙内;且部分切削液会流向第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7与钛合金铸舱16内壁相接处,限制切屑飞崩,同时对相接处的钛合金铸舱11内腔进行降温;以此,实现对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7进行降温、润滑及去除切屑。
其中,切削时,启动供气装置和供液装置,从第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的相邻面之间的间隙内进行降温、润滑及去除碎屑,以弥补切削液给进装置喷出的切削液对两球头切削刃相邻之间的间隙面处理效果不佳的问题。具体的,位于第一承载体2上的第二通道15朝向第二承载体3喷出切削液,该切削液由第一球头切削刃4和第三球头切削刃6之间的间隙内,进入第二球头切削刃5和第四球头切削刃7的间隙内,在第一通道14喷出的气体的作用下,提高该切削液分散的均匀性,气体带动切削液可将残留在间隙内的碎屑吹出,碎屑上粘附有切削液,以对碎屑进行限位;进一步的,一部分切削液向下移动,一部分切削液抛物线移动,气体流动的位置的压强小于第一球头切削刃4和第三球头切削刃6外端面的压强,以此,切削液给进装置喷出的切削液被吸附进第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的间隙内,进而,可提高对第一球头切削刃4和第三球头切削刃6之间的间隙处的降温效果,高流速的切削液也能去除残留的碎屑。以此,进一步提高对多切点刀具的降温、润滑及去除碎屑的效果。
与现有技术相比,本发明的加工刀具为4个球头切削刃组成的多切点错位的刀具,即四个球头切削刃同步切削,四个球头切削刃之间的下边缘之间的距离差值≠0,以此,机床运行一个加工轨迹的切深为四个球头切削刃切深之和,提高了单次切削效率;以及,通过设定的四个球头切削刃的工作前角组合,即α<γ<β<δ,在保证刀具具有整体的抗冲击性的情况下,提高了加工刀具的整体锋利度,进而提高了加工效率。
可通过切深调节齿轮对第一承载体2和第二承载体3的相对位置进行调整,进而可精准调节球头切削刃的切深,以及实现在加工的过程中对各刀刃相对于钛合金铸舱16内腔的位置进行调节,以此,可对钛合金铸舱16底部的内腔进行切削,以实现对钛合金铸舱16内腔全方位无死角的加工,进而提高了加工效率。
本发明的加工刀具使用寿命长,进而避免了频繁更换刀具,从而提高了加工效率,单个钛合金铸舱16内腔的加工时间可低至3.2h,相较于现有技术,加工效率提高了1.7倍左右。
在加工钛合金铸舱16内腔时,本发明以4个球头切削刃分担加工切削量,降低单个切削刃承受的加工量,相比于现有技术,在加工单个零件时,单个刀刃承受的磨损降低,因而提高了刀具的寿命;以及,一球头切削刃以较小的工作前角承受主要的冲击,对另外三处球头切削刃进行保护,即初始状态下,钛合金铸舱16内腔内的筋条加工余量不均匀,一球头切削刃首先与筋条接触,设置较小工作前角的球头切削刃抗冲击性好,承受主要的冲击,而该球头切削刃加工后的端面为均匀端面,避免了不均匀端面产生局部断续切削的现象,进而降低了对另外三处球头切削刃的冲击,以此提高了加工刀具的使用寿命。
在加工钛合金铸舱16内腔时,第一球头切削刃4以较小工作前角承受主要冲击,沿切削前进方向,切削点位于第一球头切削刃4正后方的第二球头切削刃5承受较小的冲击,且由于两者距离较近,可视为连续切削,进一步降低了对第二球头切削刃5的冲击;由于第一球头切削刃4承受了不均匀筋条的冲击,进而,第三球头切削刃6避免了不均匀端面产生局部断续切削的现象,沿切削前进方向,切削点位于第三球头切削刃6正后方的第四球头切削刃7承受较小的冲击,且由于第四球头切削刃7与第三球头切削刃6距离较近,可视为连续切削,进一步降低了对第四球头切削刃7的冲击;以此进一步提高了该加工刀具的使用寿命。
可通过设置在第一承载体2上的切削液喷出通道与气体喷出通道,对刀刃间隙处进行降温、润滑,解决了现有的切削液给液方式可能无法给到间隙内的问题,以此实现了对刀刃的全方位降温、润滑处理,同时,能够去除刀刃间隙内粘附的碎屑,避免碎屑摩擦刀刃,以此,进一步提高了加工刀具的使用寿命,单个刀刃的使用寿命最低为8.7h,相比于现有技术,提高了17.4-26.1倍。
本发明的四球头切削刃均可采用圆形刃,该圆形刃的各个角度的工作前角相同,以此,刀刃的切削端部崩刃时,只需转动圆形刃,未崩刃的部位可继续以原切深、工作前角进行切削作业,单个刀刃的利用率提高,降低了成本,且安装过程中无需再调试切深及工作前角,安装效率得到提高,进而提高了整体的加工效率。
实施例1:
一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具,包括刀座1,及安装在刀座1上的第一承载体2和第二承载体3,以及分别安装在第一承载体2、第二承载体3下端的第一辅助承载体8、第二辅助承载体9,位于第一辅助承载体8和第一承载体2的下端分别开设有用于安装第一球头切削刃4、第二球头切削刃5的第一安装槽、第二安装槽,位于第二辅助承载体9和第二承载体3的下端分别开设有用于安装第三球头切削刃6、第四球头切削刃7的第三安装槽、第四安装槽。沿切削前进方向,第一球头切削刃4与第三球头切削刃6平齐设置,且同步切削;第二球头切削刃5与第四球头切削刃7平齐设置,且同步切削。
其中,第一辅助承载体8和第二辅助承载体9分别通过安装螺杆10安装在第一承载体2和第二承载体3的下端。第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的一侧分别螺接在第一安装槽、第二安装槽、第三安装槽及第四安装槽内,沿切削行进方向,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7具有两个相对的面,其中一面为安装第一辅助承载体8、第一承载体2、第二辅助承载体9及第二承载体3的安装面,另一端面为作为工作侧的球头凸形面,凸形面的边缘为圆形切削刃,两个圆形切削刃的直径均为D,其中,D=12mm。
其中,第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7的一端面为安装面,分别螺接在第一安装槽、第二安装槽、第三安装槽及第四安装槽内,其另一端面为凸形面,凸形面的端部为圆形切削刃,位于凸形面的中部设有凹槽,安装时,螺钉的头部位于凹槽内,螺钉的杆部透过安装面与第一安装槽、第二安装槽、第三安装槽或第四安装槽固定连接。
其中,机床运行一个加工轨迹的切深Y=a+b+c+d=4.8mm。
其中,轴向进刀时,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5的下边缘之间距离C1=1.2mm;第二球头切削刃5和第三球头切削刃6的下边缘距离C2=1.1mm;第三球头切削刃6与第四球头切削刃7的下边缘距离C3=1.5mm。
其中,第一球头切削刃4与第三球头切削刃6之间的间隙为R1=R2=1/4D=3mm,其中,R2为第二球头切削刃5与第四球头切削刃7之间的间隙;
其中,第一球头切削刃4与第二球头切削刃5之间的间隙R3=R4=2/3D=8mm,其中,R4为第三球头切削刃6与第四球头切削刃7之间的间隙。
具体的,第一承载体2由上、下两部分构成,其上部安装在刀座1内的矩形通槽101内,其下部螺接在上部的下端,其中,第一辅助承载体8通过安装螺杆10安装在第一承载体2的下部上,以便于更换;上述第一辅助承载体8和第一承载体2的下部分别开设有用于安装第一球头切削刃4和第二球头切削刃5的第一安装槽、第二安装槽。其中,第一安装槽和第二安装槽的底面的倾斜度分别与第一球头切削刃4、第二球头切削刃5的安装前角度数相同。
具体的,第二承载体2由上、下两部分构成,其上部安装在刀座1内的矩形通槽101内,其下部螺接在上部的下端,其中,第二辅助承载体9通过安装螺杆10安装在第二承载体3的下部上,以便于更换;上述第二辅助承载体9和第二承载体3的下部分别开设有用于安装第三球头切削刃6和第四球头切削刃7的第三安装槽、第四安装槽。其中,第三安装槽和第四安装槽的底面的倾斜度分别与第三球头切削刃6、第四球头切削刃7的安装前角度数相同。
其中,刀座1上开设有矩形通槽101,矩形通槽101的内壁设有多个贯穿刀座1上下端面的凸起102,第一承载体2和第二承载体3的外表面设有多个贯穿两承载体上下端面的多个凹槽13,第一承载体2和第二承载体3的一面相互贴合的插设在矩形通槽101内,第一承载体2外表面的多个凹槽13与矩形通槽101的内壁的多个凸起102一一对应嵌合,第二承载体3外表面的的多个凹槽13与矩形通槽101的内壁的多个凸起102一一对应嵌合;在刀座1内设置调节机构,调节机构包括切深调节齿轮11,第一承载体2和第二承载体3相互贴合的一面分别设有矩形槽12,第一承载体2的矩形槽12和第二承载体3的矩形槽12共同形成容纳切深调节齿轮11的内部腔室;矩形槽12底面为齿面,该齿面能与切深调节齿轮11啮合,调节机构还包括转动轴,转动轴的一端与切深调节齿轮11连接,另一端与设置在刀座1上的驱动组件传动相接。转动轴的数量可为2个,分别设置在切深调节齿轮11的两端。其中,驱动组件包括与一端的转动轴啮合相接的驱动轴及用于控制驱动轴转动的驱动电机组件。其中,切深调节齿轮11的两平面端部与矩形槽12的侧端面滑动相接。
以此,通过调节机构实现第一承载体2和第二承载体3在刀座1的矩形通槽101内的上下移动。
其中,第一承载体2和第二承载体3的上端部的长方体部分结构尺寸相同,切深调节齿轮11为圆柱体结构,其直径w1=w2=20mm,其中,w2为第一承载体2或第二承载体3的上端部的长度尺寸;矩形槽12的槽深w3=1/2w2=10mm;矩形槽12的侧壁长w4=1/4w2=5mm;矩形槽12的宽度w5=2πw2=126mm;
当需要调节切深时,启动驱动组件,在驱动组件的作用下,切深调节齿轮11转动。初始状态下,第一球头切削刃4和第三球头切削刃6的下边缘齐平,若切深调节齿轮11顺时针转动,则第一承载体2带动第一球头切削刃4和第二球头切削刃5远离钛合金铸舱16内腔壁面移动,第二承载体3带动第三球头切削刃6和第四球头切削刃7靠近钛合金铸舱16内腔壁面移动,以此实现对第二球头切削刃5和第三球头切削刃6的刀刃端部之间的距离差值C2的调节。
具体的,在多切点刀具上还设有清洁装置,该清洁装置包括在第一承载体2上开设的用于气、液流通的第一通道14和第二通道15,第一通道14的喷气口和第二通道15的喷液口位于第一球头切削刃4和第二球头切削刃5相邻面之间的间隙内,并朝向第三球头切削刃6和第四球头切削刃7之间的间隙设置。
其中,沿切削前进方向,第二通道15的喷液口位于第一通道14的喷气口上端设置。其中,第一通道14内用于流通空气,第二通道15内用于流通切削液。
其中,第一通道14的进气端与设置在第一承载体2外部的供气装置连通,该供气装置包括用于向第一通道14内输送空气或氮气的输气管。第二通道15的进液口与供液装置连通,该供液装置包括用于向第二通道15内输送切削液的输液管道。
其中,第一通道14的喷气口的直径为x1=1.4mm,其喷气口出风速率为10m/s。
第二通道15的喷液口的直径为x2=1.4mm;其喷液口出液速率为0.3m/s。
利用上述多切点刀具加工时,首先将刀座1固定连接在刀杆23上,该刀杆23的另一端固定设置在基座24内,该基座24安装于机床Z轴托板上。其中,刀杆23的直径E=0.35*E1=0.35×760=266mm;刀杆23的长度L=L1+5=920+5=925mm。
接着,利用夹紧工装轴向固定钛合金铸舱16,然后控制卡盘以34r/min转动带动夹紧工装转动。其中,上述夹紧工装包括上环25及通过螺杆27与上环25固定连接的下环26。其中,上环25、下环26设有与钛合金铸舱16外形间隙为0.1mm的止口,以限制钛合金铸舱16的X、Y、Z、A、B五个方向自由度。其中,上环25固定于机床卡盘的端面上,用于放置钛合金铸舱16,下环26通过螺杆27与上环25固定连接,并将钛合金铸舱16夹持在上环25和下环26之间,以在轴向压紧钛合金铸舱16。其中,上环25的内径j1=0.9E1=684mm,上环25的外径j2=1.2E1=912mm;下环26的内径j3=0.97E1=737.2mm,下环26的外径j4=1.2E1=912mm;螺杆27的长度g=1.1L1=1012mm。其中,螺杆27的两端设有相适配的螺母,通过螺杆27与螺母的配合来固定上环25、下环26,该螺母采用GBT6170螺母M20,采用扭矩值M设定为45±3N·m的扭矩扳手对该螺母进行紧固,该螺母的压紧力矩 四个螺母对下环26的总压紧力f总=4f1=60~64KN。
接着,通过机床调整多切点刀具至给刀位置处,其中,给刀位置设在钛合金铸舱16内腔端口的左下侧45°位置,转动刀杆23,以调整刀座1的倾斜角度,使第一承载体2和第二承载体3垂直于该给刀位置端面;顺时针转动切深调节齿轮11,转动的时间使得第二球头切削刃5和第三球头切削刃6的下边缘之间的距离为1.1mm。
接着,通过机床控制卡盘逆时针转动,转速为34r/min,以带动钛合金铸舱16内腔逆时针转动;以及通过Z轴托板控制刀杆23移动,以将多切点刀具移动至给刀位置处。
最后,利用上述多切点刀具对钛合金铸舱16内腔进行车削加工。
具体的,初始加工钛合金铸舱16内腔时,第一球头切削刃4首先对钛合金铸舱16内腔进行切削,紧接着,第二球头切削刃5在第一球头切削刃4形成的前一个加工轨迹上进行同步切削,此时,第三球头切削刃6和第四球头切削刃7处于空刀状态。加工时,钛合金铸舱16以转速v2=34r/min转动,一段时间后,轴向推进刀具,此时,多切点刀具以0.1mm/r的速度轴向进刀,在此过程中,第三球头切削刃6在第二球头切削刃5形成的前一个加工轨迹上进行切削,紧接着,第四球头切削刃7在第三球头切削刃6形成的前一个加工轨迹上进行同步切削,此时,机床运行一个加工轨迹的切深Y=a+b+c+d=4.8mm。
其中,在第一球头切削刃4轴向移动至钛合金铸舱16底部的内腔处时,利用切深调节机构调节第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7距钛合金铸舱16内腔的距离,以对钛合金铸舱16底部的内腔进行加工。具体的,逆时针转动切深调节齿轮11,该切深调节齿轮11转动时间为此时,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5继续进行切削,其切深均为v1*t3;一段时间t4=t2后,继续逆时针转动切深调节齿轮11,该切深调节齿轮11转动时间为 此时,第一球头切削刃4和第二球头切削刃5继续进行切削,其切深均为v1*t5;以此,用第一球头切削刃4和第二球头切削刃5对钛合金铸件16底部的内腔位置处进行切削加工,最终,第二球头切削刃5最后加工的面与第四球头切削刃7最后加工的面齐平。加工完成后,通过Z轴托板控制刀杆23将多切点刀具从钛合金铸舱16内移出。
若一个加工切深小于加工余量,则通过机床调整刀杆23的位置,来调节第二球头切削刃5的切深,以通过第二球头切削刃5对剩余加工余量进行切削;通过Z轴托板控制刀杆23控制多切点刀具轴向出刀,进行往复切削。若一个加工切削大于加工余量,则通过切深调节齿轮11微调第三球头切削刃6的切深,以实现对钛合金铸舱16的加工。
具体的,在切削的过程中,利用切削液给进装置对多切点刀具进行降温、润滑及去除碎屑;其中,出液口直径X3=5/4D=15mm,出液口处的切削液流速为0.3m/s。同时,启动供气装置和供液装置,对第一球头切削刃4、第二球头切削刃5、第三球头切削刃6及第四球头切削刃7相邻之间的间隙处进行降温、润滑及去除碎屑。具体的,切削液给进装置喷出的切削液只能以较小的流速且少量进入间隙内,此时,位于第一承载体2上的第二通道15朝向第二承载体3喷出切削液,该切削液由第一球头切削刃4和第三球头切削刃6之间的间隙内,进入第二球头切削刃5和第四球头切削刃7的间隙内,在第一通道14喷出的气体的作用下,提高该切削液分散的均匀性,气体带动切削液可将残留在间隙内的碎屑吹出,碎屑上粘附有切削液,以对碎屑进行限位。
利用该方法进行加工,单件加工时间为3.2h,第一球头切削刃4的使用寿命为8.7h,第二球头切削刃5的使用寿命为14.5h,第三球头切削刃6的使用寿命为9.1h,第四球头切削刃7的使用寿命为16h。
对比例1:
一种钛合金铸舱内腔加工刀具,与实施例1的区别在于,
与刀座固定相接的设有一承载体,承载体的下端固定连接有一球头切削刃,球头切削刃的切深a固定为1mm,机床运行一个轨迹的切深为a,球头切削刃的工作前角α固定为1°。
利用上述刀具进行加工时,球头切削刃对钛合金铸舱内腔内的待加工面进行加工,其承受具有不规则的加工余量的筋条的冲击;加工时,加工刀具以0.1mm/r的速度轴向进刀,钛合金铸舱以34r/min速度转动;在球头切削刃轴向移动至靠近上环处时,通过机床在Y轴向和X轴向调节Z轴托板的位置,进而调节球头切削刃靠近钛合金铸舱内腔端面移动,切深为a,通过Z轴托板使得加工刀具远离上环移动,进行往复切削,刀杆进行5次移动后,即加工轨迹切深总值为5a时,完成切削任务;其中,在切削加工的过程中,利用切削液给进装置对该球头切削刃进行降温、润滑及去除切屑。
利用该加工刀具对钛合金铸舱内腔进行加工,单件加工时间为8.5h,球头切削刃的使用寿命为20-30min。
与对比例1相比,本发明明显提高了加工效率、刀具使用寿命,以及降低了人工参与率。详细见下。
表1实施例1-6和对比例1加工效果
由表1可知,本发明中加工单个零件的时间为3.2h,远低于对比例1单个零件的加工时间8.5h,可见,采用本发明的多切点刀具能够显著提高加工效率。
在加工过程中,本发明的刀刃持续加工时间均不小于8.7h,最高可达16h,远高于对比例1中刀刃持续加工时间20-30min,可见,采用本发明的多切点刀具,能够显著提高刀具的使用寿命,在加工的过程中无需更换刀具,提高了加工效率,同时,降低了人为参与率。
以此,本发明利用该上述多切点刀具对钛合金铸舱内腔进行断续高效车削加工,可有效解决零件频繁冲击刀具,导致刀具快速崩刃或者磨损的问题,同时可有效提高切削加工效率。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钛合金铸舱内腔加工多切点刀具,其特征在于:包括刀座、安装在刀座上的第一承载体和第二承载体,以及安装在第一承载体下端的至少一个球头切削刃和安装在第二承载体下端的至少两个球头切削刃;
沿切削前进方向,位于第一承载体下端的球头切削刃与位于第二承载体下端的任意一个球头切削刃平齐设置,且所有球头切削刃同步切削;
所有所述球头切削刃的下边缘不平齐。
2.根据权利要求1所述的多切点刀具,其特征在于:所述第一承载体下端安装有第一球头切削刃、第二球头切削刃,所述第二承载体下端安装有第三球头切削刃、第四球头切削刃;
沿切削前进方向,所述第一球头切削刃与第三球头切削刃平齐设置,且同步切削;所述第二球头切削刃与第四球头切削刃平齐设置,且同步切削;
所述第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃和第四球头切削刃下边缘不平齐。
3.根据权利要求2所述的多切点刀具,其特征在于:沿切削前进方向,所述第一球头切削刃位于第二球头切削刃的前端;
沿进刀方向,所述第一球头切削刃与第二球头切削刃的两侧边缘平齐,所述第三球头切削刃与第四球头切削刃的两侧边缘平齐。
5.根据权利要求4所述的多切点刀具,其特征在于:所述第二球头切削刃和第三球头切削刃下边缘之间的距离与第三球头切削刃的切深相同;所述第三球头切削刃和第四球头切削刃下边缘之间的距离与第四球头切削刃的切深相同;
其中,所述第三球头切削刃的切深c满足:
其中,HⅢ为第三球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kc为修正系数,取值范围为2.6~8.9;D为第三球头切削刃的直径,取值范围为6~12mm;
所述第四球头切削刃的切深d满足:
其中,HⅣ为第四球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kd为修正系数,取值范围为2.4~7.1;D为第四球头切削刃的直径,取值范围为6~12mm。
6.根据权利要求5所述的多切点刀具,其特征在于:所述多切点刀具加工一个轨迹切深为第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃及第四球头切削刃的切深之和。
7.根据权利要求2-3中任一项所述的多切点刀具,其特征在于:所述第一承载体的下端开设有分别用于安装第一球头切削刃和第二球头切削刃的第一安装槽、第二安装槽;所述第一球头切削刃的工作前角α满足:
其中,HⅠ为第一球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kα为修正系数,取值范围为16.9~25.9;a为第一球头切削刃的切深;
所述第二球头切削刃的工作前角β满足:
其中,HⅡ为第二球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kβ为修正系数,取值范围为13.1~25.0;b为第二球头切削刃的切深;
其中,所述第一安装槽底面的倾斜度与第一球头切削刃的自身前角固定值之和为第一球头切削刃的工作前角;
所述第二安装槽底面的倾斜度与第二球头切削刃的自身前角固定值之和为第二球头切削刃的工作前角。
8.根据权利要求7所述的多切点刀具,其特征在于:所述第二承载体的下端开设有分别用于安装第三球头切削刃和第四球头切削刃的第三安装槽、第四安装槽;所述第三球头切削刃的工作前角γ满足:
其中,HⅢ为第三球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kγ为修正系数,取值范围为14.2~25.3;c为第三球头切削刃的切深;
所述第四球头切削刃的工作前角δ满足:
其中,HⅣ为第四球头切削刃的材料硬度;H钛合金为钛合金铸舱材料的硬度;Kδ为修正系数,取值范围为12.5~19.6;d为第四球头切削刃的切深;
其中,所述第三安装槽底面的倾斜度与第三球头切削刃的自身前角固定值之和为第三球头切削刃的工作前角;
所述第四安装槽底面的倾斜度与第四球头切削刃的自身前角固定值之和为第四球头切削刃的工作前角。
9.根据权利要求2所述的多切点刀具,其特征在于:所述刀座上开设有矩形通槽,所述第一承载体和第二承载体插设在矩形通槽内与刀座可移动固定连接。
10.根据权利要求2所述的多切点刀具,其特征在于:还包括清洁装置,用以对第一球头切削刃、第二球头切削刃、第三球头切削刃及第四球头切削刃相邻面之间的间隙处进行降温、润滑及去除碎屑;
所述清洁装置包括在第一承载体上开设有用于气体、液体流通的第一通道和第二通道,所述第一通道的喷气口和第二通道的喷液口位于第一球头切削刃和第二球头切削刃之间的间隙内,并朝向第三球头切削刃和第四球头切削刃之间的间隙。
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2022
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CN116586649A (zh) * | 2023-05-06 | 2023-08-15 | 深圳市海洲数控机械刀具有限公司 | 用于深孔加工的动力减振镗刀 |
CN116586649B (zh) * | 2023-05-06 | 2023-11-14 | 深圳市海洲数控机械刀具有限公司 | 用于深孔加工的动力减振镗刀 |
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