成形車刀在數控車床加工中的應用
2021-9-10 來源：寧波市北侖職業高級 寧波第二技師學院 作者：樂崇年 陳元峰
摘要: 在車削加工較大批量的中小尺寸復合成形表面時，采用成形車刀具有加工質量穩定、加工效率高等特點，因此成形車刀被廣泛應用于各類車床及自動化生產線。以閥蓋數控車床加工為例，介紹了成形車刀中刀頭和刀柄的設計與制作，以及應用成形車刀后的工藝實現過程。
關鍵詞: 數控車床 成形車刀 加工 應用
1、應用背景
閥蓋零件簡圖如圖 1 所示。零件材質為 ZQSn6 －6 － 3 錫青銅。在實際生產中，為節省材料及保證加工效率和質量，該閥蓋零件采用鑄造方式完成毛坯制作，并采用數控車床車削完成加工。
圖 1 閥蓋零件簡圖
由圖 1 可見，該閥蓋零件的加工難點主要集中在零件右端，包括: ① 38 mm 外圓右側環形端面處的三角形凸起輪廓，凸起高度為 0．7 mm，尖角角度為 70°±10'，尖角處回轉直徑為36 mm; ② 28 + 0．05 mm 內孔左側環形端面處的三角形凸起輪廓，凸起高度為 0． 5mm，尖角角度為 65° ± 10'，尖角處回轉直徑為 24 mm。閥蓋使用中，上述兩處三角形凸起輪廓與閥體的對應面相互接觸，形成機械密封，以防止泄漏。
閥蓋零件右端還包括外圓、內孔、端面、內外倒角等加工要素，且部分輪廓尺寸較小，若采用單刃車刀分段加工的方法，會給車刀準備及數控車床加工程序編制等帶來較大困難，且加工質量和效率也難以保證。在形狀復雜的小型零件批量生產中，自動車床、半自動車床和數控車床被廣泛應用。為了充分發揮車床的效能，使用成形車刀是關鍵 。筆者介紹成形車刀在數控車床加工中的應用。
2 、成形車刀設計與制作
2． 1 刀頭
成形車刀是車削回轉體復合成形表面的專用刀具，其刃形應根據工件的軸剖面廓形進行設計。成形車刀的刃形以后面法剖面內的形狀來表示。由于成形車刀一般有前角、后角，因此法剖面廓形與零件的軸剖面廓形不相同。設計成形車刀時，需要根據零件軸向廓形和所選定的前角、后角值求得刀具上相應的法向廓形 。
本例中，由于閥蓋零件的材質為易切削材料，根據經驗可以采用前角為 0°，后角一定角度的成形車刀進行加工。當成形車刀前角為 0°，后角大于 0°時，成形車刀前刀面的廓形和零件廓形完全相符，后刀面的法面廓形不同于零件廓形［4］。由于零件右端的兩處三角形凸起輪廓均位于環形端面處，因此宜采用自右向左的軸向進刀方式成形。此外，成形車刀設計中應避免因刃形過于復雜而導致加工困難、成本高。刀刃工作長度過長時，可能受機床功率、排屑困難等影響而引起振動現象 。
基于以上考慮，確定采用閥蓋零件內、外輪廓分別加工的刃形設計思路，刀頭處的部分刀刃用于加工閥蓋零件右端的內輪廓，其余部分刀刃用于加工閥蓋零件的外輪廓。設計完成的刀頭刃形尺寸如圖 2 所示。刀頭刃形加工部位如圖 3 所示，1 ～ 8 號段用于加工零件內輪廓，8 ～ 14 號段用于加工零件外輪廓，尾部用作刀柄夾持定位。
圖 2 刀頭刃形尺寸
圖 3 刀頭刃形加工部位
為保證成形車刀的使用性能和壽命，刀頭采用厚度為 4 mm 的 YW 牌號硬質合金制作，并按刀頭后面與加工表面間不產生干涉的原則，合理確定各刃形處的后角。刀頭三維模型如圖 4 所示。
圖 4 刀頭三維模型
成形車刀刀頭可以采用刀具磨床或線切割機床完成加工。采用線切割機床加工的成形車刀精度高，成本低，效率高，相比用刀具磨床加工的成形車刀，具有省工序、省時、節約費用、合格率高的特點，因此具有推廣價值。用慢走絲線切割加工硬質合金成形車刀，不僅生產效率高，而且加工出的硬質合金成形車刀質量好，使用壽命長，可穩定、可靠地在生產實踐中應用。為保證質量，應采用防電解電源及小脈沖寬度加工策略，并縮短脈沖電流的持續作用時間，控制表面變質層在 1 μm 以內，改善刀頭表面質量，減小內應力，避免裂紋產生。
2．2 刀柄
成形車刀刀柄用于裝夾刀頭，主要結構如圖 5 所示，材料為 45 號鋼。
圖 5 刀柄結構
刀柄的外輪廓可由鋸削、銑削等工藝完成，刀柄的 
凹槽輪廓可采用線切割加工完成，刀柄的 M6螺紋孔可采用鉆孔、攻絲的工藝完成 。
凹槽輪廓可采用線切割加工完成，刀柄的 M6螺紋孔可采用鉆孔、攻絲的工藝完成 。 3、工藝實現
3． 1 成形車刀安裝
如圖 6 所示，對制作完成的刀頭與刀柄進行組裝，并采用緊定螺釘壓緊，然后將刀柄安裝至數控車床的刀架上。
圖 6 成形車刀組裝
3． 2 零件裝夾
由于加工零件批量較大，一次加工數量達數萬個，因此采用圖 7 所示彈性夾頭進行氣動裝夾。
圖 7 彈性夾頭
3． 3 數控車床加工
應用成形車刀，閥蓋零件成形加工如圖 8 所示。
圖 8 閥蓋零件成形加工
由于采用了成形車刀加工，零件的輪廓形狀及尺寸精度主要由成形車刀的刀刃形狀保證，因此數控車床加工程序大為簡化。以刀頭處的外刀尖點 A 作為對刀點，加工程序如下:
4 、結束語
應用成形車刀分步加工閥蓋零件內、外輪廓，解了閥蓋零件右端的加工難點，并保證了加工質量和效率。采用成形車刀加工閥蓋零件成形面，加工精度主要取決于刀具的制作精度，并易于保證同一批零件表面形狀、尺寸的一致性和互換性。成形車刀具有質量穩定、生產率高等優勢，應用成形車刀，有助于簡化機床和夾具的結構，降低生產成本。
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