螺旋鋼管制造工

木材高速螺旋式玉米銑刀結(jié)構(gòu)如圖1所示，該玉米銑刀主要由刀身、刀片、刀座和碟形彈簧組成。其中刀尖處直徑在φ160～240mm之間，本刀具取φ200mm，刀身圓周面上沿周向均勻分布有2~6排等寬螺旋階梯槽，本刀具取3排，形成的螺旋角為5°～15°，考慮到相同螺旋槽內(nèi)相鄰刀具的間隙可能在木材上留下刀痕，因此將相鄰螺旋槽在刀身軸向上錯(cuò)開分布。刀片數(shù)量過少會(huì)使切削力過大，而刀片數(shù)量過多又會(huì)增加加工難度，因此在該玉米銑刀每排螺旋槽沿軸向上均布6～10個(gè)刀片槽，本刀具取6片。刀片通過刀片座固定在刀身的刀片槽內(nèi)，刀片前角一般在20°～-26°之間，后角在9°～13°之間，考慮到切削力和切削溫度等因素的影響，對刀片的前角和后角分別取優(yōu)化值24°和11°［7－9］，刀片座的底部與刀身的刀片槽之間安裝蝶形彈簧。每一個(gè)刀片都相當(dāng)于一個(gè)“玉米?！?，刀體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)成螺旋狀分布的刀片便隨著刀體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到逐步、均勻地切削木材的目的。

圖1 玉米銑刀結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Corn milling cutter structure

1.刀身；2.刀具；3.碟形彈簧；4.刀座；5.刀片

1.Cutter body；2.Tool group；3.Disk spring；4.Tool holder；5.Cutter tool

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該玉米銑刀有以下特點(diǎn)：

①刀尖處直徑在φ160～240mm之間，可實(shí)現(xiàn)高線速度切削；

②在刀身上加工階梯狀的刀片槽，可實(shí)現(xiàn)刀片逐刃切削，切削時(shí)可減小刀片的切削力，提高玉米銑刀的切削精度；

③刀具采用刀座和刀片組合結(jié)構(gòu)，便于刀片的拆裝；

④刀座下方安裝有碟形彈簧，其在刀座螺釘松動(dòng)的情況下可將刀片托起，起到調(diào)節(jié)高度的作用，可彌補(bǔ)刀片的磨損，提高刀具材料的利用率。

玉米銑刀的優(yōu)化

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)將刀身掏空以減輕質(zhì)量；減小刀片和刀座體積，增加刀片數(shù)量，以進(jìn)一步減小切削力，同時(shí)也使切削更加平穩(wěn)；另外還將端蓋軸與刀身采用組合式連接，以便于拆裝。優(yōu)化后的玉米銑刀如圖3所示，其主要包括刀身、刀具、配重拉桿和配重端蓋。

圖3 優(yōu)化后的玉米銑刀

Fig.3 Corn milling cutter after optimization

1.刀身；2.刀具；3.配重拉桿；4.配重端蓋

1.Cutter body；2.Tool group；3.Counterweight rod；4.Counterweight cover

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的玉米銑刀與初步設(shè)計(jì)玉米銑刀的不同之處有：①刀身內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)，以降低玉米銑刀的質(zhì)量，同時(shí)增加配重端蓋，在該配重端蓋上裝有2～4個(gè)配重拉桿，以提高玉米銑刀的整體剛度。②刀片通過螺釘固定在刀架上，松開螺釘即可以調(diào)節(jié)刀片的上下位置，在需要刃磨時(shí)也可以直接將刀片拆下；刀架通過螺釘固定在刀身的階梯槽中，刀架下方壓有刀座，刀座上方支撐著刀片，下方安裝有處于壓縮狀態(tài)的碟形彈簧，彈簧在調(diào)節(jié)螺釘松開的情況下可以托起刀座和刀片，實(shí)現(xiàn)刀片的上調(diào)（上調(diào)范圍2～5mm），以彌補(bǔ)刀具切削過程的磨損。③為防止同排刀片之間存在間隙，無法保證此處所加工產(chǎn)品的粗糙度等級，刀片槽采用了8、9、8、9的插空排列，以填補(bǔ)前排切削的空隙。

在Solid edge中重新輸入玉米銑刀各部分的材料，計(jì)算得到優(yōu)化后的玉米銑刀總質(zhì)量為43.5kg。

對優(yōu)化后的玉米銑刀重新計(jì)算切削力，切削寬度b由85mm改為50mm，采用式（1）計(jì)算可以得到橫向切削的切削力為988.86N，端向切削的切削力為509.3N。可見優(yōu)化后的玉米銑刀所受的切削力已經(jīng)減少到原來的二分之一以下。切削力最大的工況依然是橫向切削力988.86N，將此結(jié)果加載在計(jì)算模型上，經(jīng)整理得到各工況的計(jì)算結(jié)果見表3，安全系數(shù)計(jì)算方法同表2。

優(yōu)化后玉米銑刀的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Table 3 The corn milling cutter stress analysis results after optimization

從表可以看出，刀身受切削力的影響依然很小，刀片所受應(yīng)力與表2相比增加了2～3倍，最大應(yīng)力值達(dá)到了41.21MPa，但仍能滿足強(qiáng)度要求，而且安全系數(shù)也下降到原來的二分之一，在33～70之間。

結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)的玉米銑刀形似“玉米”，其刀尖處直徑在φ160～240mm之間，刀身沿周向均布有2～6排螺旋式階梯槽，其內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，在軸向上，相鄰螺旋槽錯(cuò)開分布，形成的螺旋角為5°～15°，沿刀身旋轉(zhuǎn)軸方向，各螺旋槽上均布有6～10個(gè)刀片槽。

（2）刀具采用組合結(jié)構(gòu)，刀片前角一般在20°～26°之間，后角在9°～13°之間，刀具下安裝有可調(diào)高的碟形彈簧，其調(diào)節(jié)范圍為2～5mm，用于實(shí)現(xiàn)刀片磨損的補(bǔ)償。

（3）優(yōu)化前的刀具質(zhì)量105kg，刀身和刀片安全系數(shù)分別達(dá)到了400和300；優(yōu)化后刀具質(zhì)量降至43.5kg，安全系數(shù)降到33～70之間，滿足強(qiáng)度要求。另外刀身螺旋槽由3排增加到4排，刀片數(shù)量由每排6片優(yōu)化為兩排8片和兩排9片，刀寬也由85mm降為50mm，切削力顯著降低。

來源：木材高速螺旋式玉米銑刀的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

作者：李先林，陳蕾，王笑玉，趙劉理達(dá)，柯清禪，徐道春

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