一种圆弧槽车刀及其设计方法
阅读说明：本技术 一种圆弧槽车刀及其设计方法 (Arc groove turning tool and design method thereof ) 是由 李炳林 王洪 李本杰 郑华林 郭骏宇 郭亮 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种圆弧槽车刀及其设计方法。圆弧槽车刀的切削刃是由两个非对称变径圆弧刃构成。其设计方法是先通过车刀圆弧刃轮廓的初始半径和刀具路径规划,计算刀具拟合加工包络线与零件最终轮廓线之间的过切区域,确定刀具圆弧刃的最佳加工区域,再根据零件的轮廓线对车刀的圆弧切削刃进行局部修正。为增强刀具的强度结构,刀片切削部分与刀体之间根据多种约束限制在两个方向同时和交替轮次进行尺寸渐进增大设计。刀片还可设计为单刃、双刃和三刃结构形式。本发明可用同一个刀具同时实现复杂圆弧槽的拟合加工和成形加工,提高加工精度,降低刀具成本等。(The invention discloses a circular arc groove turning tool and a design method thereof. The cutting edge of the arc groove turning tool is composed of two asymmetric reducing arc edges. The design method comprises the steps of firstly, calculating an over-cut area between a fitting processing envelope line of a cutter and a final contour line of a part through the initial radius of the contour of the arc edge of the turning tool and the planning of the cutter path, determining the optimal processing area of the arc edge of the cutter, and then locally correcting the arc cutting edge of the turning tool according to the contour line of the part. In order to enhance the strength structure of the cutter, the size between the cutting part of the blade and the cutter body is gradually increased in two directions in simultaneous and alternate turns according to various constraint limits. The blade can also be designed into a single-edge structure, a double-edge structure and a three-edge structure. The invention can realize the fitting processing and the forming processing of the complex arc groove by using the same cutter, improve the processing precision, reduce the cutter cost and the like.)
技术领域
本发明涉及机械加工的专用刀具领域，具体涉及一种复合圆弧槽的专用车削刀具结构及其设计方法，可为形状复杂的圆弧槽零件等加工制造提供技术支持。
背景技术
在石油装备、汽车、发电装备等领域，经常需要加工形状复杂的圆弧槽零件，这些关键零件加工需要设计和定制专用的成形车刀。它的刃形式根据零件轮廓设计算的，可以与零件轮廓完全一致，也可以不与零件轮廓相同。圆弧槽成形车刀的设计制造都比较复杂，设计过程中需要不仅仅要考虑零件的轮廓尺寸，还要考虑走刀路线及切削用量等，才能获得准确一致的零件轮廓，保证零件的互换性。因此本发明提出一种非对称变径圆弧槽车刀的设计方法，对提高小圆弧半径的复合圆弧槽加工精度具有非常重要意义。
发明内容
该发明的目的在于提供一种圆弧槽的车刀及其设计方法，在圆弧槽零件加工中，可通过非对称变径圆弧刀具的特殊设计，实现复合圆弧槽零件的高精度拟合车削和成形车削相结合的混合加工方式。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明提出一种用于加工圆弧槽的车刀设计方法，其特征在于设计方法包括以下步骤：S1、根据零件圆弧槽的半径，确定车刀圆弧刃轮廓的初始半径；S2、根据零件圆弧槽的轮廓线和刀具圆弧刃轮廓半径，设计计算合理的刀具路径；S3、根据走刀路径和刀具圆弧刃轮廓半径，确定刀具拟合加工包络线与零件最终轮廓线之间的过切区域，对车刀的圆弧切削刃进行局部修正；S4、对非对称变径圆弧车刀进行强度和多转位设计。
具体的，所述步骤S1中，所述圆弧槽由斜线(1)、圆弧(2)和直线(3)依次相切连接构成，根据圆弧(2)的半径#2，选择刀具的圆弧刃半径为#3，优选的，#2-#3≥0.2mm。
具体的，所述步骤S2中，根据零件圆弧槽的交点(A、B、C、D)及圆心O，计算出零件轮廓线的等距曲线(A＇→B＇→C＇→D＇)作为初始刀具路径。为提高用小圆弧刃车刀沿等距曲线对大圆弧槽工件进行拟合加工的精度，优选的，增长刀具的路径，使刀具路径圆弧段(B＇→C＇)的中心O向非加工一侧偏移一定距离#4，偏离后的中心为O＇,以偏移中心O＇为圆心，以#2-#3+#4为半径作圆弧(E＇→F＇)，修正的刀具路径用延长后的大圆弧(E＇→F＇)替代原等距曲线的小圆弧(E＇→C＇)，延长的圆弧段(E＇→F＇)与原等距圆弧段(B＇→E＇→C＇)相切于E＇。
进一步，所述步骤S2中，由于圆弧刃车刀X方向刚度好，Z方向刚度差，因此圆弧刃刀具最佳切削区域为#5，优选的，#5≤120°。根据圆弧刀具最佳切削区域#5，确定刀具圆弧路径的中心偏移量大小#4，保证车刀圆弧刃的临界点E处于最佳切削区域内，并且刀具路径中延长的大圆弧段(E＇→F＇)的走刀步数应满足：步数≥100步，以提高拟合加工的精度。
优选的，所述步骤S2中，为避免刀具产生过切，对零件的直线(3)加工段的刀具路径规划为直线(F＇→G＇)。为避免对圆弧槽的直棱D产生过切和切入时切削载荷过大，刀具路线规划为斜线(J＇→I＇)和圆弧(I＇→H＇)，以点D为圆心，刀具圆弧刃的半径#3为半径规划为刀具路径的圆弧段(I＇→H＇)，刀具路径的圆弧段(I＇→H＇)与刀具路径的直线段(F＇→G＇)相交于点H＇。为避免产生过切，点H＇到点G＇的切入段刀具也规划为直线(H＇→G＇)，切入的刀具路径斜线段(J＇→I＇)的角度设计为#6，优选的，#6≥30°。
具体的，所述步骤S3中，根据以上规划的刀具路径和初选的刀具圆弧刃半径，设计计算刀具的包络线，确定刀具包络线与零件最终轮廓线之间的过切区域(E→C→D为边界的剖面线区域)以及临界点E，以不产生过切的零件最终轮廓边界(E→C边界)作为对刀具圆弧刃局部的轮廓线(E→F)进行修正。
具体的，本发明提出一种圆弧槽车刀，其特征在于：所述圆弧刃刀具的最终切削刃轮廓为非对称变径圆弧刃刀具，圆弧刃由直线(5)、圆弧(6)、圆弧(7)和直线(8)依次连接构成，其中圆弧(6)的半径#3与圆弧(7)的半径#7不相等，圆弧(6)与圆弧(7)连接于点E，圆弧(7)的圆心相对圆弧(6)的圆心向右侧水平偏移距离为：
进一步，本发明提出一种圆弧槽车刀，其特征在于：所述圆弧槽刀具仅半刃圆弧(6)和圆弧(7)参与切削，其余为非切削区域。所述切削区域由圆弧刃(6)和圆弧刃(7)构成的非对称变径区域，所述非切削区域由直线(5)和直线(8)构成的区域。
具体的，所述刀具的直线段(5)和(8)与X方向之间夹角：#8≥2°，以避免刀具切削零件的轮廓线(3)时与工件接触，产生过切和摩擦。进一步，所述刀具的直线段(1)和(5)与X方向之间夹角：#8≤5°，刀具的前角#9#、后角#10和过渡角#11取较小值，优选的，#9≤5°，#10≤5°，#11≤30°，以避免刀片切削部分强度过低，切削载荷过大产生的断裂。
优选的，为了增大刀片抵抗切削力刚度，减小局部应力集中，避免刀具切削时产生振动和折断。所述刀具的刀体部分的尺寸从高度Y方向和宽度Z方向通过圆弧面或斜面逐渐增大。所述刀体尺寸可以根据加工限制和设计要求在宽度和高度方向同时逐渐增大，也可以交替轮次保持一方向不变而另一方向逐渐增大。刀体尺寸#12与#17段、#15与#20段在高度和宽度方向同时增大，刀体尺寸#13与#18段在宽度方向保持不变而高度方向通过斜面逐渐增大，刀体尺寸#14与#19段在高度方向保持不变而宽度方向通过斜面逐渐增大。
优选的，所述刀片可设计为单刃，可转位点对称布置的双刃和三角布置的三刃结构。为不降低刀片切削部分的强度，并增强三角刀体的结构强度和刚度，所述三角刀片的切削部分在不改变角度#11的情况下通过增大角度#13、增高过渡部分尺寸的方法与刀体连接，刀片夹持部分通过三角结构将三个刃的切削部分连接在一起。
本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明的一种圆弧槽的车刀设计方法可延长刀具路径，提高圆弧槽拟合加工的精度。当圆弧槽的直径较小时，用更小半径的圆弧车刀进行拟合加工时，由于零件轮廓线推导出的等距走刀路线较短，拟合加工的精度难以保证。本发明提供一种延长刀具路径的方法，通过使刀具路径的圆弧段偏离原中心一定距离，用更大更长圆弧段代替原路径圆弧段，延长了刀具路径，通过修正延长的刀具路径，增加了走刀步数，提高了圆弧槽圆弧插补拟合加工的精度。
2、本发明的一种圆弧槽的车刀设计方法可用同一把非对称变径圆弧刃车刀同时实现圆弧槽的拟合加工和成形加工。当刀具圆弧刃上半径小于零件圆弧轮廓半径的部分与工件接触切削时，刀具路径与零件圆弧槽的轮廓线等距，此时利用的是用较小半径的圆弧刃车刀拟合加工圆弧槽。当刀具圆弧刃上半径等于零件圆弧轮廓半径的部分与工件接触切削时，刀刃的轮廓与零件的圆弧槽轮廓相同，此时利用的是用圆弧刃成形车刀加工圆弧槽，一次横向进给即完成成形车削，加工精度高。同时对整个刀片来说仅部分圆弧刃与工件接触参与成形车削，切削载荷小，不易产生振动，保证加工精度。本发明的非对称变径圆弧刃车刀提高了圆弧槽刀具的使用范围和功能。
3、本发明的一种圆弧槽的专用车刀，可以设计为单刃、双刃或三刃。本发明的多转位圆弧槽车刀，通过结构优化设计，提高了刀体强度，可以设计为单刃、双刃或多刃形式。当一个刀刃磨损后，可转位后继续使用，减少刀片更换时间，提高加工效率，减少刀体材料的使用，降低刀具的生产成本。
附图说明
附图1为被加工圆弧槽的零件图
附图2为圆弧槽车刀的设计计算图
附图3为单刃圆弧槽车刀的设计图
附图4为双刃和三刃圆弧槽车刀的设计图
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1的一种圆弧槽的专用车刀，结合图1和图2对本发明例进行说明。
针对附图1所示的复合圆弧槽的零件图，分析零件轮廓、刀具圆弧刃半径和刀具路径三者的几何关系。附图2为对附图1中圆弧槽工件加工专用刀具的设计计算示意图，所示复合圆弧槽是由两条直线(1)和(3)分别与圆弧(2)相切构成。以下面圆弧槽参数为例，#1＝30°，#2＝1.8mm。第一步，根据零件圆弧槽的半径#2＝1.8mm，初步选择车刀圆弧刃轮廓的半径为#3＝1.5mm，满足#2-#3＝0.3mm≥0.2mm。
第二步，根据零件圆弧槽的轮廓线(A→B→C→D)和刀具圆弧刃半径#3＝1.5mm，计算出零件轮廓线的等距曲线(A＇→B＇→C＇→D＇)作为初始刀具路径。对加工零件圆弧段(B→C)的初始刀具路径(B＇→C＇)进行修正，将初始刀具路径圆弧段(B＇→C＇)的中心O向X方向平移#4＝0.2mm，偏移后的中心O＇，以#2-#3+#4＝0.5mm为半径作圆弧(E＇→F＇)作为修正后的加工零件圆弧段(B→C)的刀具路径，修正的刀具路径与原等距圆弧段(B＇→E＇→C＇)相切于E＇。整个圆弧槽的刀具路径为：(L＇→G＇→F＇→E＇→B＇→A＇→N＇→M＇)
第三步，根据修正的刀具路径(B＇→E＇→C＇)和初选的刀具圆弧刃半径#3＝1.5mm，确定刀具包络线与零件最终轮廓线之间过切的临界点E位置，E→C→D边界以外区域都是过切区域。以零件最终轮廓(E→C)边界作为对刀具圆弧刃局部的轮廓线(E→F)进行修正。
根据上述步骤设计出的非对称变径刀具，最终切削刃轮廓是由直线(5)、圆弧(6)、圆弧(7)和直线(8)依次连接而构成，圆弧(6)的半径#3＝1.5mm，圆弧(7)的半径#7＝1.8mm，圆弧(6)与圆弧(7)相连的点E位置为：EF＇相对CF＇的夹角为55°，圆弧(7)的圆心相对圆弧(6)的圆心向左侧水平偏移距离
实施例2
本实施例与实例1的区别在于，切入的刀具路径不是直线，而是采用圆弧段。刀具的切削刃不是全刃，而是半刃，且在半刃刀具参与切削过程中尽量使用最佳切削区域。具体如下：
为避免刀具产生过切，对零件的直线(3)加工段的刀具路径规划为直线(F＇→G＇)。为避免对圆弧槽的直棱D产生过切，还有切入时切削载荷过大，对实例1中的切入刀具路径(L＇→G＇→F＇)进行修正，刀具路线规划为斜线(J＇→I＇)和圆弧(I＇→H＇)，以点D为圆心和半径#3＝1.5mm，规划切入和加工圆弧槽直棱D的刀具路径为圆弧段(I＇→H＇)，延长刀具路径的直线段(F＇→G＇)与刀具路径的圆弧段(I＇→H＇)相交于点H＇,以刀具路径(J＇→I＇→H＇→G＇→F＇)作为修正后的切入刀具路径，其中刀具路径(K＇→J＇)段为快速移刀路径，刀具路径(J＇→I＇)为开始切入，刀具路径(I＇→H＇→G＇)段为加工圆弧槽的直棱D,刀具路径(G＇→F＇)段为加工圆弧槽的直线(3)段。开始切入时，刀具路径斜线(J＇→I＇)段的角度#6＝45°。
由于圆弧刃车刀X方向刚度好，Z方向刚度差，因此选择圆弧刃刀具最佳切削区域为#5＝100°。根据定义的圆弧刀具最佳切削区域，验算刀具圆弧路径的中心偏移量#4＝0.2mm，的临界点E位置：EF＇相对CF＇的夹角为55°，处于最佳切削区域内，修正的刀具路径圆弧段合理。为减少刀具切削刃的磨削工作量，圆弧槽刀具仅半刃圆弧(6)和圆弧(7)参与切削，直线(5)和直线(8)为非切削区，在加工过程。根据修正后切入的刀具路径和半刃特点，刀具切削刃的直线(8)设计为以C为起点。
实施例3
本实施例与实例1和实施例2的区别在于，刀具的切削部分与刀体部分通过多种方式增加刀具的强度和刚度，减小局部应力集中，避免刀具切削时产生振动和断裂。具体结合附图3说明。
刀具的直线段(5)和(8)与X方向之间夹角选择较小的#8＝3°，即可避免刀具切削零件的轮廓线(3)时与工件接触，产生过切和摩擦，又可增加刀片切削部分的强度，避免受切削力过大折断。刀具切削部分的前角#9＝2°、后角#10＝3°和过渡角#11＝30°都取较小值，增强刀片抵抗切削载荷变形和折断的能力。
刀具的刀体部分的尺寸从高度Y方向和宽度Z方向通过圆弧面或斜面逐渐增大，刀体尺寸#12与#17段通过圆弧面同时从高度和宽度两个方向增大，避免在此应力集中和最薄弱部分折断。刀体尺寸#13与#18段在宽度方向保持不变而高度方向通过斜面逐渐增大，刀体尺寸#14与#19段在高度方向保持不变而宽度方向通过斜面逐渐增大。刀体尺寸#15与#20段在高度和宽度方向通过斜面同时逐渐增大。
实施例4
本实施例与实例3的区别在于，为降低刀片成本，提高加工效率，刀片设计为双刃和多刃结构，具体结合附图4说明。
刀具的刀体设计为可转位的双刃，不是面对称布置，而是点对称布置的结构。也可设计为三角布置的三刃结构形式，为不降低刀片切削部分强度，三角刀片的切削部分角度#11不变，增大角度#13及其高度方向过渡部分尺寸的方法与刀体连接，刀片夹持部分为三角结构，增加夹持的可靠性。
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