自回转刀具的运动及特点

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随着现代科学技术的发展，高强度钢、高温合金、钛合金以及复合材料的应用更加广泛。这些材料的切削加工性极差，普通刀具的耐磨性已经不能满足生产的要求。优化加工条件(优选刀具材料、合理的刀具几何角度、最佳的切削用量、性能优良的切削液等)可以提高刀具的耐磨性，但是切削时的磨损本质并没有改变。采用自回转刀具，在不改变现有刀具材料，不降低切削用量的条件下，刀具耐用度得到明显提高(几倍至几十倍)，而加工表面粗糙度值则明显降低(下降 1～3级)。

自回转刀具的应用主要有自回转车刀、自回转铣刀和自回转刨刀，本文从分析自回转车刀的运动行为出发，并以切削理论对自回转刀具的特点予以阐明。

图1 自回转车刀工作原理

图2 摩擦力Ft作用对速度影响

1 自回转车刀工作原理与运动行为

自回转车刀与普通车刀的结构不同，其切削部分是一个单自由度机构，即自回转车刀的刀片(切削部分)呈圆锥柱形状，刀刃可绕本身轴线回转。刀片的轴线与主运动矢量有一倾斜角l_s,刀片的回转是由切削产生的相对于圆形切削刃几何轴线的切削扭矩来实现，见图1。

切削刃回转速度v_t的大小取决于主运动速度v,倾斜角l_s以及刀具表面上的力和刀片支承中的摩擦状态，即 v_t=xv式中，x—刀片自回转系数，一般x≤sinl_s,在理想支承中，不考虑刀片支承中的摩擦力影响，切削刃最佳回转速度

v_t=vsinl_s

(1)

有效切削速度(切削刃相对加工材料上的移动速度)v_n与v、v_t的关系为

而在理想支承中，v_n为

v_n=vcosl_s

(2)

在理想支承中_n与刀片回转轴线平行，而当刀片支承中的摩擦力F_t作用使v_t减小为v_t´时，相应的v_n´不再与刀片回转轴线平行，见图2所示。

由速度三角形可得

V_n´=v_n/cosDl

(3)

V_t´=v_t(1-cotl_stanDl)

(4)

这样，刀片支承中的摩擦力使v_t减小，使v_n增大，并且决定了刀片以自回转的最小角Dl。由此可以看出l_s是自回转刀具的重要参数，根据l_s的不同数值，自回转刀具切削运动具有三种特征：

保证刀片能够自回转的最小l_s1,其数值由刀片支承中的摩擦系数及加工条件决定(一般l_s1<7.5°)。
随着l_s增大，刀片支承中的摩擦力作用减弱，会出现实际的vt与理论值相吻合时的l_s2。
保证切屑正常切离工件的极限值l_s3。

图3 自回转车刀的两种安装方式

图4 自回转车刀角度关系

2 自回转车刀的几何参数

自回转刀具的l_s较大，具有斜角切削的特点，其几何参数在法平面参考系中标注。

安装方式
自回转车刀工作时，圆形刀片的倾斜角l_s可以是正值，亦可以是负值，前者称为正切削，后者称为反切削，如图3所示。正切削时，切屑由待加工表面一侧流出，反切削时，切屑由已加工表面一侧流出。
自回转车刀的工作角度
自回转车刀切削运动行为使自回转车刀切削刃上各点的工作角度发生较大变化，工作角度与静态角度的关系如图4所示。

正切削时：

g_nc=g_n-s_n (5)

a_nc=a_n+s_n (6)

反切削时：

g_nc=g_n+s_n (7)

a_nc=a_n-s_n (8)

式中，g_ne、a_ne——刀具切削刃任一点的工作法前角；工作法后角；

g_n、a_n——刀具静系法前角、法后角；

s_n——刀具切削刃任一点工作基面与刀片基面之间的夹角。

cosg_n= sinwcosy+coswsinysinl_s-zsinycosl_s

———————————————

coswcosl_s+zsinl_s
(9)

w=arccosx/R_x (10)

y=arccos[1-(x-R_m)/R_b] (11)

z=f/(2pR) (12)

(13)

式中，R_b——圆形刀片切削刃半径;

R_x——切削刃任一点对应的工件半径；

R_m——工件已加工表面半径；

f——每转进给量。

图5 自回转刀具加工表面残留高度

3 自回转刀具加工粗糙度

图5所示为自回转刀具加工表面残留高度，其理论残留高度是由长短轴分别为R_b、R_bcosl_s的两椭圆组成。

理论残留高度H可由下式计算

(14)

式中，R_b——圆形刀片切削刃半径；

f_z——每齿进给量(车削时为进给量f)。

与普通刀具相同，增加进给量H值增大，但自回转刀具的刀尖圆弧半径比普通刀具大数倍，在同样粗糙度的要求下，自回转刀具可以采用较大的进给量。

4 结语

刀片倾斜角l_s是自回转刀具的重要参数，它决定了刀具的运动状态，影响切削中的物理变化。
自回转刀具在l_s>30°容易获得较好的表面粗糙度；在不降低切削用量的条件下刀具耐用度比普通刀具明显提高。
自回转刀具适用于在较高切削速度，较大进给量条件下切削难加工材料。

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