图2 加工颤振发生机理

2 加工颤振机理分析

3 刀具的优化设计

• 刀体结构设计
• 刀具参数设计
引起刀具产生相对于工件的弹性位移DX的切削力变化量DF随刀体刚性的增大而减小，即当刀具碰到硬质点时，刚性较大的刀体产生的弹性位移较小。由弹性位移DX产生的相应切削力变化量DF'可表示为
DF'=kdb（µeif-1）DX

（1）
式中：k_d——动态切削力系数
b——有效切削宽度
µ——重迭系数
f——原有波纹与本次切削形成波纹的相位差


图4 复合式刀体

图5 整体可调式刀体

由式（1）可知，DF'与DX 成正比，即刀具刚性越大，产生弹性位移DX 越小，引起的DF'也越小，从而可使初始扰动DF经几次衰减后迅速回复到零。为此，我们将原刀具的复合式刀体（见图4）重新设计为整体可调式刀体（见图5）。刀具对齿圈槽内侧面及槽底部分的加工由刀刃1完成，对齿圈槽外侧面的加工则由刀刃2完成。原复合式刀体可通过分别调整刀刃1和刀刃2来满足齿圈槽内、外侧面的加工尺寸要求，而整体可调式刀体只能利用可调部分实现刀具的整体调整（即不能分别调整刀刃1和刀刃2），因此槽宽尺寸的调整与复合式刀体相比较为困难与费时（为达到加工尺寸要求，需用油石对刀刃作细致修整）。为此，我们又对整体可调式刀体进行改进，将承受切削力较小的刀刃2由焊接式改为机夹式，以便于其位置调整。这样既可满足增大刀体刚性的要求，又改进了刀具的可调性。通过在原来易发生加工颤振的主轴转速（1800r/min）下用可调式刀体进行切削试验，情况良好。然后将进给速度由F8逐渐调至F30，均未出现颤振现象。
由于齿圈槽内侧面和槽底部分的加工较为困难，因此仅对刀刃1进行分析，并设计相关刀具参数。铝合金材料硬度低、导热性好，适合于高速切削，设计选用YG8硬质合金刀片进行干式切削，设定切削速度为450m/min。由于铝合金材料熔点较低（约650℃），在切削中容易形成积屑瘤，产生“粘刀”现象，影响加工尺寸精度和表面粗糙度，因此要求刀刃锋利性好，但刃口过于锋利又会降低刀刃刚性，容易引起崩刃。因此，选择合适的刀具前、后角，对于抑制颤振、改善齿轮泵壳体加工质量极为重要。

图6 刀刃1示意图

1. 前刀面及前角的设计
   齿圈槽加工部位为沟槽，排屑顺畅对于保证加工质量十分重要。若产生小片状C 形切屑，沉积在槽底，容易刮伤已加工的齿圈槽两侧面，并可能引起“粘刀”现象。为使切屑从齿圈槽外侧面顺利流出，理想的切屑形态是卷曲半径较大的宝塔形切屑。为此，将刀刃1的前刀面设计为圆弧形断屑槽，并将断屑槽一侧磨去少许，如图6 所示。在刀具前角和槽宽相同的情况下，圆弧形断屑槽比其它形状（如直线圆弧形、锥坑形等）的断屑槽可获得更好的刀刃刚性。
   通过试切比较，发现当刀具前角g₀=35°～40°时切削效果好，为增大刀刃刚性，取前角g₀=35°。前角g₀与断屑槽圆弧半径R、断屑槽槽深h之间的近似关系为

cosg0=1-h/RDX

（2）

1. 为获得较大卷曲半径的切屑及便于刀具刃磨与检测，选取断屑槽圆弧半径R=6mm，并可计算出断屑槽深度h≈1.1mm。由于实际刃磨刀具时直接检测前角g₀较为困难，因此可通过检测h及R来控制g₀的大小。
2. 刀尖圆弧半径及后角的设计加工铝合金材料要求刀刃锋利，但实际上并不存在理想的锋利刀刃。为获得具有微小半径（R0.01～0.02mm）的圆弧刀刃，可在刀具刃磨后用油石仔细修整刀刃部分。用带有微小圆弧的刀刃进行切削时，刀刃除受切削力作用外，刀刃圆弧部分还受到一个刀刃力作用，其大小与刀刃圆弧半径有关，半径越大，刀刃力也越大。同时，后刀面与已加工表面的相互接触还会产生一个后面力（见图7），其大小除与刀刃圆弧半径有关外，还与刀具后角有关，后角越小，后刀面与已加工表面的相互接触面积越大，产生的后面力就越大，后刀面磨损也越大。此外，当发生切削振动时，小后角容易使后刀面与已加工表面发生干涉。因此，后角应适当选取大一些。设计时，在考虑刀刃刚性的前提下，经试切比较，选取后角a₀=15°。
   

   图7 刀刃力、后面力的产生机理

4 结语

铝合金材料具有密度小、强度高、抗蚀性好、工艺性能好等特点，在航空、汽车、造船、电器、化工等领域的应用日益广泛，如何提高铝合金材料的加工质量和加工效率已成为一个重要课题。本文通过对齿轮泵壳体专用加工刀具进行优化设计，获得了较好的加工效果，明显提高了加工质量和生产效率，对铝合金材料的切削加工提供了有益参考。