时间：2023-11-02 18:00:31
应用这个模型来进行分析。
关键词：刀具材料；设计参数；铣削力
中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）23-014-01
一、数控铣刀的特性与参数
1、刀具材料
（1）刀具材料的发展状况
现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料。
（2）刀具材料的选择依据
切削工具的硬度必须是工件硬度的2～4倍，以碳钢和模具钢作为被加工材料，选用立铣刀材料。
2、高精度刀具的设计参数
以二齿平头立铣刀为例，介绍设计参数。立铣刀的几何参数不同，其变形量及刚度值也不相同， 在其它参数相同的情况下：随着铣刀直径的增大，其刚度值逐渐变大，随着螺旋角的增大，应力逐渐减少，而刚度逐渐增大。利用这种方法， 可以优选出使变形最小、刚度最大的刀具几何参数， 从而提高其切削性能。
二、高精度数控立铣刀建模及有限元分析过程
2.1 二齿平头立铣刀建模及有限元分析过程
2.1.1二齿平头立铣刀在Pro/E环境下的建模及参数化
1. 建模过程
采用混成法建立三维模型，步骤如下：
（1）运行Pro/E2.0软件，选取零件模块，进入用户界面。
（2）设定工作目录。（3）建模，步骤如下：
A.用旋转命令生成刀体。如图所示。
B.选择插入-混合-切口，来绘制沟槽。
a.在菜单管理器中选择“一般，草绘截面，完成”然
后选择“光滑，完成”再选草绘平面“TOP面，正向，
缺省”进入草绘界面。b.选择“草绘-数据来自文件”，选择草绘截面1--打开，将草绘截面放置位置如图2.2所示。然后点击 ，系统提示是否继续下一截面，回答Yes。再次打开草绘截面1，点击 ，输入第二个截面的旋转角度为-3度，以下相同。共创建40个截面。c、同样方法剪切草绘截面2。
2、模型的参数化
（1）设置参数：
单击“工具-参数”，填写此表，单击确定，完成参数的设置。以后表示的字母与表示设计参数的字母一一对应的关系，
（2）设置关系：选择“工具-关系” 输入刀体切换尺寸
2.1.2数据计算
1.单位铣削力的概念
所谓单位铣削力就是指铣去单位面积所用的切向铣削力，用P表示。 （N/2） 单位铣削力可以用实验方法取得。实验指出，单位铣削力主要取决于加工材料性质和强度以及切削厚度。
2. 铣削力的计算
铣削力的大小与铣削深度t、每齿进给量 、铣削宽度B、铣刀齿数Z和铣刀直径D等铣削要素有着复杂的函数关系，要精确计算比较困难。在生产中，为了快速、方便的进行计算，可将切向铣削力P切，可按下式近似地计算：
当切向铣削力确定后，再根据铣削时各铣削分力的比值来估算其他铣力。见比值对应见表。
根据上表，得出顺铣时切向力与其各分力的关系式：
作用在铣刀上的铣削分力。铣刀所承受的总铣削抗力P’可以沿切向、径向和轴向分解成三个互相垂直的分力。
由此可求得作用在铣刀上的径向和轴向分力，和P切一样作为MECHANICAL上铣刀模型的加载数据。为了得到作用于立铣刀上的3个方向的力，可按公式： = 算得，之后由s齿查下表，得出对应的单位铣削力后，计算出该铣刀的铣削力
2、工艺处理。在分析零件图的基础上，进行工艺分析，确定零件的加工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等）、加工路线（如对刀点、换刀点、进给路线）及切削用量（如主轴转速、进给速度和背吃刀量等）等工艺参数。数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据，而数控编程就是将数控加工工艺内容程序化。制定数控加工工艺时，要合理地选择加工方案，确定加工顺序、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数等；同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能；尽量缩短加工路线，正确地选择对刀点、换刀点，减少换刀次数，并使数值计算方便；合理选取起刀点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳；避免刀具与非加工面的干涉，保证加工过程安全可靠等。有关数控加工工艺方面的内容，我们将在第2章2.3节及2.4节中作详细介绍。
3、数值计算。根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工运动的轨迹，得到刀位数据。对于形状比较简单的零件（如由直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值，如果数控装置无刀具补偿功能，还要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状比较复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段或圆弧段逼近，根据加工精度的要求计算出节点坐标值，这种数值计算一般要用计算机来完成。有关数值计算的内容，我们将在第3章中详细介绍。
4、编写加工程序单。根据加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿量、机床辅助动作及刀具运动轨迹，按照数控系统使用的指令代码和程序段的格式编写零件加工的程序单，并校核上述两个步骤的内容，纠正其中的错误。
5、制作控制介质。把编制好的程序单上的内容记录在控制介质上，作为数控装置的输入信息。通过程序的手工输入或通信传输送入数控系统。
6、程序校验与首件试切。编写的程序单和制备好的控制介质，必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法是直接将控制介质上的内容输入到数控系统中，让机床空运转，以检查机床的运动轨迹是否正确。在有CRT图形显示的数控机床上，用模拟刀具与工件切削过程的方法进行检验更为方便，但这些方法只能检验运动是否正确，不能检验被加工零件的加工精度。因此，要进行零件的首件试切。当发现有加工误差时，分析误差产生的原因，找出问题所在，加以修正，直至达到零件图纸的要求。
【关键词】土压平衡盾构机；刀盘布局；等寿命磨损；刮刀
0 引言
在城市地铁施工建设中，土压平衡盾构是应用最广泛的一种形式。在盾构机的刀盘布局设计中，刀具类型、布置方法直接影响到刀盘的掘进效果及使用寿命。从施工方面来讲，合理的刀盘布局设计与整个盾构施工的安全性、经济性和效率密切相关，盾构刀盘刀具的布局研究对盾构施工具有重要的指导意义。
1、盾构刀盘及刀具类型
刀盘按结构形式可分为a.辐条式、b.面板式、c.复合式，辐条式适用于软土，面板式适用于硬岩，复合式是介于辐条式和面板式的一种形式，通用性高，复合地质条件适用性强[1]。本文针对广州地铁4号线南延段盾构施工研究，属复合地层。复合式刀盘主要由直刮刀、边缘刮刀、单刃滚刀、双刃刮刀组，根据功能需要配合以先行刀、超挖刀、磨损检测刀、保护刀等[2]。
2、盾构刀具磨损计算分析
随着盾构法施工在地铁建设中的广泛应用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关键问题。刀具的磨损在盾构掘进过程中不可避免，合理的布局设
计需要考虑因磨损引起的使用寿命一致。
参照经验公式，盾构机刀盘外圈刀具的磨损公式①[3]： 。式中： ―磨损量，mm； ―磨耗系数um/km；D―盾构刀盘外径，m；L―盾构掘进距离，m； ―刀盘的转动速度，r/min； ―盾构掘进速度，cm/min。
将D=2R代入①式，即得公式②：
为保证刀盘能切削整个掘进圆面积范围，盾构机刀盘上刀具的安装，自内向外依次排列，不同半径刀具的行程会有较大差异。有效做到各刀具的更换周期一致，就需要合理控制刀具的磨损量。
刀具的磨损系数可以参照经验公式[4]③： 。式中： ―1条轨迹配置n把刀具的磨损系数； ―1条轨迹配置1把刀具的磨损系数。
磨耗系数定义为[5]：刀具每掘进1Km时的磨损量，单位mm。将③式代入②式，得公式④： 。并且，为了计算刀具的掘进距离，转化为L的函数公式，得到公式⑤： 。
在刀具的使用中，当磨损量 达到一定值 时，即进行更换，这里使用 代替 ，得到许用距离 的表达式⑥⑦： 、 。
3、刀盘阿基米德螺旋线布局
目前盾构机刀具的布局分为阿基米德螺旋线布置法及同心圆布置法。为保证开挖面良好的挖掘效果，目前绝大部分盾构机刀具的布局都采用阿基米德螺旋线布置方法。其用极坐标的表示为公式⑧[5]： 。式中： ―极轴； ―极轴初始值； ―常系数； ―极坐标角度；螺旋线间距为 。
刀盘中心为滚刀，设刀盘切削外径 ，直刮刀起始切削直径为 ，直刮刀刃口宽度 ，外侧边缘刮刀径向宽度为b2，则盾构机单方向旋转所需要的数量
为公式⑨： 。
阿基米德螺旋线初始值为公式⑩： ；当刀盘布置多个辐条时，设m为辐条数目，则有单圈螺距增量为公式： （11）
将式（10）（11）代入式（8），得多螺旋线方程（12）
依据盾构刀具等寿命设计原则，当切削半径大于一定值时，每一圈切削轨迹需要配备两把以上刀具才能满足要求。多螺旋线布置与单螺旋线布置相比，螺距、初始半径、旋转方向相等，区别在于多条螺旋线初始相位角不同，并且各相位角在圆周范围内等分。设刀盘每旋转一周，推进距离为h（m），每把刀具切深为q（m），有 ，当沿同一半径布置n把刀具时，每把刀具切深 （13）
沿同一半径，布置多把刀具，采用对称布置时，能够有效降低因切削产生的受力不平衡，切削半径较大时，布置多把刀具能减少单把刀具的磨损量。
4、刀具布置实例分析应用
本文以广州地铁4号线南延线某标段施工的土压平衡式复合盾构机刀盘设计为例，进行刀具的优化布置分析。该标段土层含砂土、粘土，混合有少量页岩层，属于复合地质，采用复合型刀盘，六辐条形式，刮刀材质E-3，宽度150。刀盘中心区域布置有滚刀，直刮刀按照无重合的布置形式，最小切削半径R1=419. 其螺旋线布局形式为内圈四辐条，双螺旋线，外圈六辐条、三螺旋线形式。以内圈讨论，刮刀螺旋线A1起始切削半径R1=419，螺旋线A2起始半径R2=569。外圈半径超过Rt=2563时，每个辐条上均布置有边缘刮刀。
图1. 刀盘螺旋线示意图
在内圈区域4辐条，双螺旋布置形式，每个区域半径内均布置有两把刮刀，且相邻两刀具夹角满足 。外圈区域为三螺旋线布置区域，每个切削半径上有三把刮刀，相邻刀具夹角 。
4.1刀具磨损检验
该盾构机机施工条件：按照经验施工取掘进速度v=3.0cm/min，刀盘转速1.5r/min，规定换刀距离L=2000m. 刀具限定磨损量 取15mm.
根据地勘结果表明，建恒3#机施工所处地层为普通砂土地质，按E-3材质该地质最大磨耗系数K=12.5 计算。
参照公式（4），以R为自变量，范围0.5～3.5m，代入n=1，2，3…6时，得到 的变化曲线
图2. 刀具磨损曲线
由图3可以看出，限定最大磨损量 =20mm，一条轨迹线上只配备1把刀具时，适用于刀具安装半径0.5m
6结论
本文从理论上分析了土压平衡盾构机刀盘的布局特点，针对刮刀的磨损进行理论分析，并验证了该盾构机刀盘刮刀的布局形式及合理性，得出其刀盘刮刀布局符合等寿命磨损原则的结论，为后续复合式刀盘的设计提供参考依据。
参考文献
[1]裴瑞英. 盾构机刀具磨损与布局问题分析研究[D]. 天津：天津大学机械学院， 2009. 9-10
[2]宋云. 盾构机刀盘选型及设计理论研究[D]. 西安：西安交通大学， 2009. 4-5
[3]蒲毅. 土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J]. 机械工程学报， 2011， 47（15）： 161-168
[4]林赉贶. 土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法研究[D]. 长沙：中南大学， 2013. 60-61
[5]胡显鹏. 砂卵石地层土压平衡盾构掘进刀具磨损研究[D]. 北京：北京交通大学， 2006.
关键词：配合件；试加工；编程坐标系
中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）27-0063-03
常用的数控系统有发那科、西门子、三菱、华中、广数等。广数GSK980系列为1998年推出的国产中高档数控系统，该系统率先采用以DSP运动控制芯片为核心、以嵌入式结构PC为平台的新一代数控系统。该系统采用DSP和主CPU并行处理机制，具有较高的动态跟踪精度和良好的加工性能。利用GSK980T数控加工如图1所示
零件。
图1 配合件零件图
1 制定加工工艺
1.1 制定刀具表
数控加工中刀具的选择是工艺设计的重要内容。刀具选择是否适当，不仅影响机床的工作效率，而且直接关系到零件的加工质量。本文根据机床的加工能力、工序内容、轴套工件的几何形状和材料等多种因素，制定了加工刀具表如表1、表2。
1.2 制定工艺表
数控加工工序的划分一般要遵循的原则：以一次安装、加工作为一道工序；以同一把刀具加工的内容划分工序；以加工部位划分工序；以粗、精加工划分工序。遵循以上原则，配合件轴制定了6道工序，配合件套制定了12道工序。
切削用量主要包括主轴转速、进给速度和背吃刀量。切削用量的大小，直接影响机床性能、刀具磨损、加工质量和生产效率。合理选择切削用量，对于充分发挥机床性能和刀具的切削性能，提高切削效率，降低加工成本具有重要意义。粗车时，在工艺系统刚度和车床功率允许的条件下，为了提高加工效率，选择背吃刀量为1.5mm。背吃刀量也不能太大，因背吃刀量越大，切削力也越大，则刀具和零件容易产生变形，会影响到加工精度。背吃刀量确定后，再根据背吃刀量选择进给速度0.25mm·r-1。根据选择的背吃刀量、进给速度等条件，用经验公式计算，也可以根据生产实际经验查表选取切削速度Vc，由切削速度Vc，根据公式n=1000Vc/∏d计算主轴转速为600r·min-1。当零件的精度要求较高时，要考虑留出适当的精车余量0.5mm，根据精车余量确定背吃刀量为0.5mm，精车时应选择较小的进给速度0.15mm·r-1和较高主轴转速800r·min-1。
根据零件形状结构，结合工序划分和切削用量选择原则，制定工艺表如表3、表4。
2 确定编程坐标系和尺寸
2.1 试切对刀建立编程原点
选择合理的编程原点，需要根据编程计算方便、机床调整方便、对刀方便以及零件的特点来确定，一般应选择在零件的设计基准、工艺基准或精度要求较高的工件表面上。如图1配合件轴应以工件右端面与轴线的交点作为编程原点，建立工件坐标系。配合件套以工件右、左端面与轴线的交点作为编程原点，分别建立工件坐标系。
当将零件的加工程序输入车床，并经空运行检验修改无误后，即可进行试切对刀，以便建立工件坐标系，其试切对刀步骤如下：
2.1.1 机械回零，U、w相对坐标值清零。
2.1.2 用基准刀试切零件表面，一般是用90°外圆车刀T01装夹在01号刀位作为基准刀。例如，当编程坐标原点设在零件右端截面形心时，手动试切端面后，沿X轴方向退刀，Z轴方向不能移动。按刀补键，翻页后光标移到01刀号所在行上，按Z、0、IN键。则01号刀Z轴的刀偏值就输进了数控系统。再试切外圆，沿Z轴方向退刀，X轴方向不能移动。停止主轴转动，测量试切处的零件直径，然后，按X键，输入所测量的直径值（必须输入小数点），再按IN键。则01号刀X轴的刀偏值便输入完成。如果测量的直径不准确，那么输入的刀偏值就存在误差，加工出来的零件也必然保证不了尺寸要求。所以01号刀对刀的关键，在于零件直径测量的准确程度。
2.1.3 非基准刀T02、T03、T04的对刀步骤与基准刀基本相同。不同的是，非基准刀的刀位点是贴紧零件表面而不是试切零件。非基准刀对刀的关键在于刀位点与零件的贴近程度，贴而未切，似切未切，这样，输入的刀偏值才会正确，加工出来的零件才能符合尺寸要求。
2.2 合理确定编程尺寸
在实际加工中，当零件零件各处尺寸的公差带相同时，可采用刀补方式统一处理。当公差带多处不相同时，若用同一把刀具，同一个刀具补偿值编程加工，很难保证各处尺寸在其公差范围内。因此，对带有公差的尺寸，为了保证加工尺寸在其公差范围内，编程时，将基本尺寸换算成公差中值尺寸如表5所示。
2.3 螺纹尺寸的计算
2.3.1 外螺纹的计算：根据公式d1=d-1.3p=24-1.3×1.5=22.05mm，外螺纹底径尺寸为22.05mm，最后一刀坐标尺寸为X22.05，Z-21。
2.3.2 内螺纹的计算：根据D1=D-p=24-1.5=22.5mm，内螺纹底径尺寸为22.5mm，最后一刀坐标尺寸为X22.5，Z-42。
3 编写程序
根据以上制定的加工工艺以及编程坐标系和尺寸，编写如下O0010、O0011、O0012三个程序单。
4 首件试加工
程序编写完毕，通过数控机床的仿真功能进行程序校对，检验机床动作和运动轨迹的正确性。而校对后的加工程序还不能确定因编程计算不准确或刀具调整不当等造成加工的误差大小，因而还必须经过首件试切的方法进行实际检查，进一步检察程序的正确性并测量工件是否达到加工精度要求以及能否准确配合。根据试切情况反过来再修改程序单或采取尺寸补偿措施等，如外圆直径偏大0.1mm，只需在对应加工刀具号的刀补项输入u-0.1，再次运行程序，偏大的0.1mm就可削除。反复调整补偿，直到加工出满足要求的零件为止，才能进行批量生产环节。
图2
5 结语
配合件对各个零件的加工精度要求高，只有对图样进行技术要求分析，制定合理加工工艺，计算出编程所需的工件轮廓的基点和节点坐标，依据数控装置规定使用的指令代码及程序段格式，逐段编写零件加工程序单，最后通过试加工和调整，才能保证批量加工出满足精度要求的零件。经加工验证，利用本文所制定工艺和程序单，加工出来的产品是合格的。利用GSK980T系统加工此类零件，希望能为教学和生产提供参考，为国产系统的推广提供帮助。
参考文献
[1] 苏建修，杜家熙.数控加工工艺[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2] 陈秋霞.数控加工技术[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[3] 张丽华，马克.数控编程与加工技术[M].大连：大连理工大学出版社，2010.
一、梯形外螺纹的测量方法
梯形外螺纹的测量方法有两种：综合测量和单项测量
1.综合测量
综合测量主要是采用标准梯形螺纹环规。适用作为一般传动副、精度要求不高的螺纹。环规分通规和止规，一般情况下，通规较厚外表面只有滚花，而止规较薄表面的滚花上有槽。检验测量过程：首先要清理干净被测螺纹油污及杂质，然后在环规与被测螺纹对正后，用大母指与食指转动环规，使其在自由状态下旋合，通规能够顺利通过螺纹全部长度且松紧适中。止规旋入小于三分之一圈判定合格，否则以不合格判定。忌强行拧入。
2.单项测量
1）大径测量
可以直接用游标卡尺或千分尺进行测量。螺纹大多是挤压形成，所以在车削螺纹前的外圆表面应比实际的螺纹大径值小（0.13～0.15）倍的螺距。这样才能保证加工螺纹后大径的尺寸正确。另外螺纹牙侧面表面粗糙度太差，有毛刺翻边也会使大径测量不准确。
2）底径尺寸的控制
一般由中滑板刻度盘控制牙型高度，而间接保证底径尺寸。操作中主要是对刀要正确，车刀触及外圆表面为零位。避免没有碰到和压入过深的情况。培养手感，可以对好刀后零位走刀，在外圆表面出现一条很轻的螺旋线为宜。
3）中径测量
这里主要介绍三针测量法。在车削螺纹时中径尺寸的保证是非常重要的。螺纹中径是牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方的假想圆柱的直径。螺纹中径的尺寸公差代用来确定螺纹配合的性质，即确定是间隙配合、过渡配合、过盈配合其中一种。 没有中径尺寸就不能确定螺纹的配合性质。
而三针测量法是一种比较精密的中径的测量方法，测量时，把三根直径相等并在尺寸范围内的量针放在螺纹槽中。以单线梯形螺纹为例，把两根量针放在相邻的两个螺旋槽内，用螺纹千分尺压住，使量针固定住，另一根放在与其相对的另一面的螺旋槽内，旋螺纹千分的套筒，靠近量针表面时，改用测力装置旋，听到声音即为接触表面。这时候可以检查一下三根量针是否固定。要还能移动需要再做微调。然后读数即可。
三针测量法的注意事项：（1）三针测量法测量出的值M并不是螺纹中径，它和螺纹中径之间是要换算的，其换算公式为M=d2+4.864dD-1.866P，其中d2是螺纹中径，dD是量针直径，P为螺距。在进行检测时，要先测量量针的直径，计算出M值，才能确定千分尺读数的公差范围。（2）量针的选择 量针的直径必须在0.486P～0.656P之间。过大测不到螺纹中径，过小螺纹千分尺已经测到大径却还没能碰到量针，也不能测出螺纹的中径值。最佳的螺纹直径值为0.518P，选择量针时应该尽量接近最佳值。（3）如果没有专业量针，可以用小钻头的柄部代替。量针比较小，三根量针尽量用绳子连在一块，以防测量时掉落丢失。
二、环规测量法和三针测量法的比较
1.环规测量法检测操作简单，能够综合检查螺纹的大径、中径、小径、牙型、螺距等要素。可以作为终检的工具。其缺点是：螺纹每个尺寸，对应一套环规。不是所有的尺寸都有相应的环规。相对三针只要换量针来说，成本比较大。另外，在加工过程中，操作者只能凭经验来判断环规旋入的松紧程度来确定下一步的进刀量。检测的结果只能显示合格或不合格，至于到底大了多少或小了多少，没有具体的数值参照。对操作者的要求比较高。
2.三针测量法测量精度较高，能够知道超差的具体数值，在操作中可以在测量后计算出具体的切削深度，直观，可操作性强。但测量方法比较麻烦，测量前要进行换算。
三、结语
在实际操作及检测过程中，我们必须结合具体的实际情况选择适合的测量方法。也可以把综合测量和单项测量结合使用。在综合检查前先进行单项检测，如测量大径、螺距、牙型角等。
另外，螺纹的精度保证很大程度上取决于车刀的正确刃磨和装夹。梯形螺纹车刀刃磨时要注意一下几点：1、和其他所有的车刀一样要求面要平，刃要直。如果用的是高速钢车刀，刃磨时要注意及时水冷，以防退火。2、刃磨刀刃两侧后刀面时，走刀方向后角要大于背离走刀方向后角，以右旋螺纹为例，从车刀前侧看两后刀面的交线应该向右倾斜，左旋螺纹方向则相反。3、刀尖角应为30°，可略小，但不宜大。刀尖横刃宽度应小于槽底宽度。梯形螺纹车刀装夹可用样板或者是万能角度尺。要保证车刀在工件中心，用样板贴平工件外圆表面，螺纹车刀摇至样板30°的卡槽内，轻轻敲击车刀，使车刀一面贴平样板卡槽面。用手先锁紧螺母，做初步固定，然后用手托住车刀使之不会移动，再用刀架扳手固定车刀位置。在装夹时要注意车刀的伸出长度，过长刚度不好，易振动，影响螺纹表面质量；过短容易撞车。只能用刀架上两个螺母进行锁紧，用三个螺母锁紧，车刀容易从中间折断。能刃磨出符合要求的车刀再加上正确的装夹对螺纹的加工及质量的保证都是至关重要的。不是有句话说车工就是三分手艺七分刀嘛，还是很有道理的。
参考文献
[1]彭德荫.车工工艺与技能训练.中国劳动社会保障，第1版，2006.
[2]成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2007.
作者简介
张巍（1984―），男，籍贯：江苏常州，学历：本科，职务：质量主管，研究方向：机械。
关键词： 铜带纵剪; 圆盘剪; 缺陷分析; 品质控制
中图分类号：TG 339
文献标志码： A
Copper Strip Slitting Defectanalysis and Quality Control
FU Honghua
（Chinalco Shanghai Copper Co.， Ltd.， Shanghai 200940， China）
Abstract：
This article through to the internal structure of the disc shear and shear function，and in the process of copper strip tailoring and cutting and the reason of common quality defects analysis，improvement measures are put forward.In the actual machining process，through to the blade side clearance and overlap of adjustment，knives and knife pad reasonable selection and quality control and standardized operation of manufacturing，is the main defect can be effectively overcome，product quality is controllable，the quality level can better serve the needs of users，but also can improve the process yield and get more benefit.
Key words：
copper strip slitting; disc shear; defect analysis; quality control
0前言
在板带生产中，经过压延加工的铜带材，通常产品规格不符合用户的实际使用要求，需进行裁剪和分切处理.在裁剪和分切过程中由于受到人、机、料和环境等因素的影响，往往会产生新的裁剪缺陷.这些缺陷直接影响用户使用和加工的成材率，严重的缺陷将导致无法继续生产加工.
1圆盘剪要素简介
1.1纵切原理和结构
铜带材的裁剪和分切通常由纵剪机列完成，通过上下刀片的相对运动（旋转）将带材分切开.目前使用最广泛的剪切机是圆盘刀结构.
图1为三种主要类型的圆盘剪的示意图.收卷机驱动型，带前张力剪切;联合驱动型，除圆盘剪驱动外，前后都带驱动，张力可调;圆盘剪驱动型，前后无张力，中间有活套 [1].
1.1.1带材裁切装置的核心单元
确保铜带材分切质量的核心问题是在分切的任何时刻和任何位置，上下轴刀具间都要保持足够精确的间隙，以及整个裁切系统要保持足够的裁切刚性.
图1圆盘剪的主要类型
Fig.1Main type of disc shear
铜带材由上下圆刀滚剪成条状，一般称宽的部分为“雌刀”单元，窄的部分为“雄刀”单元.“雌刀”和“雄刀”两个基体单元交替地分布在上下刀轴之间.图2为圆盘剪装置示意图.
图2圆盘剪装置示意图
Fig.2Disc shear device schematic diagram
1.1.2组成裁剪核心单元各部分的作用
圆刀的作用主要是裁剪铜板材，其次是构成带宽，是保证带宽公差的重要部分.
图3为圆盘剪的刀片形状示意图[2].图3中a为双面刃，其他形状的刀刃为单面刃，仅在薄带材剪切时采用.
最小刀盘直径按下式[3]计算：
D=h+S1-cosα
（1）
式中：h为被剪切带材的厚度;S为刀片的重叠量;α为剪切时的咬人角度，一般取10°～15°;D为刀盘直径.
图3圆盘剪的刀片形状
Fig.3Disc shear blade shape
刀盘厚度一般为刀盘直径的0.06～0.10，为了减少刀盘的摇摆，宜取上限.
橡胶隔离环的作用：一是圆刀裁切带料时要压住被切材料，防止材料边部产生波浪;二是用来传递金属带料，帮助裁切;三是橡胶隔离环的铁芯同样用来构成带宽，并保证其公差.对于较薄的带料，无论是“雄刀”单元还是“雌刀”单元，都要将两刀内侧空间垫满.
定距环是保证整个裁剪系统间隙精确的重要环节.可分为百位小数定距环（如1.01、1.02、1.06）、个位小数定距环（如1.1、1.2、1.6）和无小数定距环（如2、3、5）.其作用各不相同.百位小数定距环主要用来满足配置间隙;个位小数定距环主要用来满足配置带宽;无小数定距环主要用来配置带宽和填充最外侧两把刀和轴肩及液压螺母之间的空间.
间隙取决于材料的厚度和强度，剪切铜材时的间隙一般控制在板材厚度的3%～5%.愈薄愈软的材料裁剪时对间隙的控制精度要求愈高.
圆盘剪切时刀具间隙的大小控制是影响板材裁剪质量的重要因素.图4为刀具间隙C对剪切断面形状的影响，以及正常剪切的刀具咬入比与相对间隙的范围（成功区）.
重叠量：带材在滚动剪切时，真正实现剪切部分仅是厚度的一部分，其他部分的厚度是靠拉断的.厚度的剪切部分就是圆刀的重叠量.重叠量的大小同样取决于材料的厚度和强度，对于铜材料，所需的圆刀重叠量基本控制在厚度的50%.
图4刀具咬入比与相对间隙对剪断的影响
Fig.4Cutter bit into the ratio and the relative clearance on the influence of shearing
2纵剪缺陷产生原因及改善措施
2.1压刀印
压刀印是一种常见的在铜带材加工过程中出现的质量缺陷，如图5所示.
图5压刀印
Fig.5Knife pressure seal
日常生产中，一般比较重视圆刀磨损后的磨削，而对起支撑和剥离作用的橡胶隔离环的磨削不是很重视，往往不是跟随着刀片同时进行磨削，久而久之，橡胶隔离环的外圆直径与刀片的外圆直径不相匹配.如在装配刀片时，“雌刀”侧的橡胶隔离环外圆直径大于刀片直径，此时刀片与橡胶隔离环间的被剪材料受到极大的垂直压力，使被剪材料在刀刃应力集中处产生压刀痕迹，影响带材的品质.其次刀片间重叠量过大也会产生压刀印.经研究，该现象可通过调整橡胶隔离环和圆刀片的直径匹配以及刀片的重叠量来缓解，甚至完全可以避免发生.
防止压刀印的措施：
（1） 橡胶隔离环的直径必须与圆盘刀片的直径相匹配，而且橡胶环的材质必须一致，一般采用聚氨酯，相比丁腈橡胶，聚氨酯有更好的抗化学腐蚀，能更好地维持自己的硬度和形状.
（2） 装配刀片时，“雄刀”单元橡胶隔离环的外圆直径比圆刀外圆直径要大0.25 mm或0.5 mm.在圆刀开始重磨时，“雄刀”单元的橡胶隔离环的外圆直径要同时重磨.
（3） 裁切铜带材，刀片的重叠量控制在带材厚度的50%为佳（根据被剪切材料的强度适当调整）.
2.2剪边毛刺
剪边毛刺主要是剪切过程中在带材边部产生毛刺，甚至产生卷边，如图6所示.剪边毛刺产生的主要原因是圆盘刀片（上下两片）间有一定的轴向间隙所致.由于间隙的存在，剪力便构成一力矩而使带材在剪切过程中产生弯曲，产生正应力所形成，如图7所示.
图6剪边毛刺
Fig.6Cutting edge burr
图7截断面处A点受力情况
Fig.7Truncation surface point A stress situation
剪边毛刺的产生是由于剪切机的结构形成的，是不可避免的.只要有间隙存在，就一定有一弯矩产生在剪切面上，有正应力产生.正应力的大小在剪切力一定时，取决于两刀片间的间隙大小，间隙愈大则正应力愈大.因此可以通过调整轴向间隙的大小（不能为0）使正应力减小，从而减少毛刺的产生.因此在刀片安装过程中必须注意一切可能造成间隙偏离的因素，使上下圆盘刀之间的间隙达到最佳状态，来控制剪切毛刺和翻边.
防止剪边毛刺的措施：
（1） 剪轴必须固定锁紧，防止剪轴窜动.
（2） 保证圆盘刀、橡胶隔离环、定距环的厚度和材质的一致性，以及平面度、平行度必须在控制要求范围内.
（3） 安装过程中要仔细测量圆刀环间间隙，一般应控制在被分切材厚度的3%～5%以内.
（4） 一般采用单面刃圆刀，易于拼刀，选择硬而韧的材质，通常表面硬度（HRC）>85.通过磨削使得端面和平面平整度达到<0.01 μm.
2.3擦划伤
纵剪机列有两个表面包有毛毡和压板的张紧装置，其压板对通过的带材施加压力，从而产生一个与挤压力成正比的卷取张力.但这种压力在两块刚性压板的整个表面上无法均匀分布.而这个包覆材料在使用过程中不可避免地会黏附影响铜带表面的细微外来物（如带材表面附带的金属粉末以及裁切过程中产生的金属粉末经过压板后嵌入包覆材料而划伤带材表面）.同样，张紧辊、S辊的脏物，表面花纹都会导致分切带材表面的缺陷，如图8所示.
图8擦划伤
Fig.8Clean cut
防止擦划伤的措施：
（1） 控制裁切材料的表面质量，材料表面必须光洁，不得有起皮、起刺等缺陷.
（2） 剪刃间隙不宜过小、防止带材边部碎裂，产生的金属粉末黏在压紧辊、S辊和压板处.对压紧辊、S辊和压板等与被剪切材料接触的设备和部件需要经常清理，及时更换毡垫、橡胶辊等，避免损伤产品.
（3） 稳态裁切时，通常拟采用小张力或者微张力.避免使用大张力，防止被剪切材料与设备的转动辊或压板的硬接触而造成产品表面毛糙.
3结论
（1） 通过对圆盘剪的内部结构和剪切功能的阐述，以及对铜带材裁剪和分切过程中常见的质量缺陷进行了原因分析，提出改善措施.
（2） 在实际加工过程中，通过对刀刃侧间隙和重叠量的调节，刀具和刀垫的合理选配及生产现场的品质控制与规范操作，主要缺陷可以得到有效克服，产品质量可控，能更好地满足用户需求，可提高工序的成材率.
参考文献：
[1]田荣璋，王祝堂.铜合金及其加工手册[M].长沙：中南大学出版社，2002.
[2]重有色金属材料加工手册编写组.重有色金属材料加工手册：第3分册[M].北京：冶金工业出版社，1979.
关键词：单螺杆加工机床 布局 主轴结构 进给深度 传动间隙
一、介绍机床的布局
压缩机排气量的大小决定了星轮、螺杆直径的大小和啮合中心距的大小，因此螺杆直径的不同，机床的主轴与刀具的回转中心也不同。为满足加工不同直径的螺杆，目前国内单螺杆加工机床的布局大致有以下几种方案。
第一种：机床的主轴与刀具回转中心的中心距为固定式
机床的主轴与刀具回转中心的中心距为固定式，中心距不可调整。加工几种直径的螺杆就需要几种中心距规格不同的机床。
优点：机床的结构简单。
缺点：每种机床只能加工一种规格的螺杆，当市场上某种规格的压缩机螺杆需要量大时，造成一台机床加工，其他机床闲置。
第二种：机床的主轴箱为可回转式
机床可根据加工螺杆直径的大小在加工前把主轴箱旋转一个角度。这种主轴箱能够回转的机床是对上述第一种机床在使用方法上的改进，与第一种机床的结构基本相同。
优点：机床的结构简单，能适应多种规格螺杆的加工。
缺点1：主轴箱旋转后主轴回转中心线与刀具回转中心线间的距离不易精确测量。
缺点2：主轴箱旋转后主轴前端面与刀具的回转中心线间的距离减少，因此加工较大直径的螺杆受到限制。
第三种：机床的主轴箱为横向移动式
主轴箱底部与底座之间布置有矩形滑动导轨，主轴箱移动的方向垂直于主轴回转中心线并垂直于刀具回转中心线。主轴箱的动力通过花键轴传给底座内的刀具进给机构。
根据加工螺杆直径的大小，在加工前用手轮丝杠进给机构把主轴箱移动到适当位置，然后用螺钉将主轴箱固定在底座上。主轴箱的移动距离可用光栅尺检测，位置误差±0.005mm。
采用主轴箱可横向移动的一个机床就可以加工直径φ95～φ385mm之间任何一种规格的螺杆。
由于加工φ95～φ385mm直径的螺杆，造成主轴前端面与刀具回转中心线间的距离差值过大，因此在实际应用时设计成两种规格的机床，一个机床加工φ95～φ205mm直径的螺杆，另一个机床加工φ180～φ385mm直径的螺杆。
优点：机床能适应多种规格螺杆的加工，每种规格的螺杆不需要配备相应的加工机床。
缺点：机床的结构和机床的装配较前二种机床复杂，机床的造价也较前二种机床高。
二、介绍机床的主轴结构
机床主轴箱的水平主轴和底座上的立式的主轴精度的高低决定了被加工螺杆的精度，同时螺杆在压缩机中以几千转的速度高速旋转时，精度较差的螺杆会使压缩机产生发热、振动、效率低、磨损快等现象。
国内目前现有的单螺杆加工机床主轴结构大致有以下两种方案。
第一种：轴承径向游隙不可调的主轴结构
主轴前轴承采用1个双列圆柱滚子轴承和两个推力球轴承组合，该主轴使用双列圆柱滚子轴承承受径向切削力，使用两个推力球轴承承受轴向切削力。
主轴后轴承一般采用1个双列圆柱滚子轴承或采用1个向心球轴承。
这种主轴结构的优点：主轴的加工和装配简单，造价较低。
缺点1：由于主轴轴承的径向游隙不可调整，所以主轴精度较差。虽然可以利用轴承的内径和轴径的过盈配合来消除轴承的径向游隙，但每个轴承的内径和径向游隙不是一个固定值，因此设计和加工时很难给准轴径与轴承内径的配合公差。
缺点2：在市场上很难买到国产或进口的C、D级或P4、P5级的推力球轴承，机床生产厂常用普通级轴承替代使用，此举也影响了主轴精度的提高。
轴承径向游隙不可调的主轴结构适用于一般精度的普通机床，不适用于对主轴精度要求较高的机床。
第二种：轴承径向游隙可调的主轴结构
主轴前轴承采用一个P4级圆锥孔的双列圆柱滚子轴承和1个P4级的双列向心推力球轴承组合。该主轴使用圆锥孔的双列圆柱滚子轴承承受径向切削力，使用双列向心推力球轴承承受轴向切削力和部分径向切削力。
主轴后轴承一般采用1个P5级圆锥孔的双列圆柱滚子轴承。
圆锥孔双列圆柱滚子轴承的内圈和配合轴径均为1：12圆锥，用圆螺母锁紧轴承则使轴承在轴向产生一个位移并使轴承的内圈膨胀，从而达到减少或消除轴承径向游隙的目的。
这种主轴结构的优点：主轴精度较高。在主轴前端面φ230mm直径上测量主轴的端面跳动值为0.010mm。在主轴前端φ230mm外圆上测量主轴的径向跳动值为0.005mm。第二种结构的主轴精度比第一种主轴精度提高50%左右。
这种主轴结构的缺点：
主轴的加工工艺较复杂，主轴的装配也需要有经验的工人操作才能使主轴精度达到理想数值。
三、刀具进给深度的控制
不同直径的螺杆需要加工螺旋槽的深度也不同，螺旋槽的深度从几十毫米到一百多毫米不等，刀具进给机构大约需要旋转进刀几千圈才能完成一个螺杆零件的加工。
由于刀具进给机构在刀具旋转的同时还要完成进刀动作，所以一些在普通机床上常用的机械、电气控制切深的方法都不适用于单螺杆加工机床。
单螺杆加工机床的刀具进给机构采用以下不同的方法都可以达到控制进刀深度的目的。
第一种：摩擦离合器和电气开关控制刀具进给深度
它的控制原理是刀具切深增大时刀具进给机构的负载扭距增大，使刀具进给机构传动链中的摩擦离合器打滑，一个机械连杆机构触发电气开关并发出声、光信号提示操作者，此时操作者人工操作断开刀具进给机构的动力。
这种控制方法的优点是：控制方法简单及零件加工和操作不受突然断电的影响。
缺点是：加工不同直径的螺杆需要调整摩擦离合器压紧碟簧的预紧力。
由于每个螺杆材质的密度、硬度存在细微差异及刀具锋利程度也存在差异，因此使这种控制方法的精度不太准确，可能导致螺杆螺旋槽的深度公差过大。
第二种：用电磁离合器、编码器组合控制刀具进给深度
刀具进给系统中，装有电磁离合器及一对用于检测刀具转动圈数的测速齿轮和一个编码器。
它的控制原理是刀具刚接触螺杆表面时手工启动编码器记数开关，记数装置则开始记数，当刀具旋转到事先设定的圈数时也就是达到切削深度时，电磁离合器自动断开刀具进给的动力并发出声、光信号提示操作者零件已加工完毕。
该检测装置通过数显表显示进给圈数或进给量。电磁离合器脱开后，刀具只随立轴旋转并无进给运动。
这种控制方法的优点是：螺杆螺旋槽的深度公差控制较准确，由于有数显表显示要加工的深度或圈数和已加工的深度或圈数，在操作上也很直观和方便。
缺点是：机床的电气控制较复杂同时这种控制方法在零件加工时如果厂区突然断电，事先设定的数据会丢失。
如果在电气控制中加入蓄电池，使之在断电维初期维持检测装置的工作，上述问题就可以得到解决。
四、齿轮传动间隙的控制
单螺杆加工机床在加工螺杆时，由于螺旋槽是在刀具旋转和工件旋转的合成作用下完成加工的。在刚切入工件时刀具在旋转的切向方向上受到的走刀抗力较大，刀具在将要切出工件时在螺旋槽的作用下，刀具在旋转的切向方向上受到的走刀抗较小，甚至是受到工件螺旋槽的推力。
由于存在着机床箱体孔加工、齿轮加工等各种误差，刀具旋转轴的传动间隙过大，俗称旷量大。
检测传动间隙过大的方法是将动力输入轴固定并左右旋转晃动输出轴，如果是用常规的传动结构设计制造机床，输出轴的传动间隙摆角在十几度到几十度。传动间隙过大造成螺杆的螺旋槽加工表面有明显的接刀痕，从而影响了螺杆的加工精度。
机床在装配完成后刀具旋转轴的传动间隙过大，实际上是齿轮受各种误差的影响，造成齿轮侧隙的过大。
机床机械传动中的齿轮加工不管是采用几级精度的，设计者考虑到齿轮的制造误差、箱体中心距加工误差、温度变化、润滑油膜厚度、装配误差等因素，机床传动设计必须保证齿轮传动留有一定的侧隙，侧隙的大小决定了齿轮齿厚公差的大小。
单螺杆加工机床的主传动结构有区别于其他机床的特殊性。为减小或得到合理的传动间隙目前单螺杆加工机床常采用以下两种办法。
第一种：在输出轴上安装抱闸
在刀具旋转输出轴外圆径向对称位置装有抱闸，抱闸前端顶住刀具旋转输出轴的外圆，抱闸为弹簧预紧。
抱闸的工作原理是靠抱闸产生的摩擦力来增大输出轴阻尼，降低轴的旋转灵敏度。
优点是：抱闸结构简单并且不改变原有机床结构，这种方法间接地达到了减少传动间隙的目的，在实际应用中有一定的效果。
缺点1：弹簧预紧的抱闸由于对刀具输出轴外圆施加了较大径向力，实际上增大了机床的负载扭距，造成电机功率增大，同时齿轮、轴承磨损加快。
缺点2：弹簧预紧的抱闸由于对刀具输出轴外圆施加了较大径向力可能对刀具输出轴的几何精度造成负面影响。
第二种：双齿轮传动
把主传动中所有主动齿轮的齿宽增加1/3～1/2。把所有被动齿轮做成两层结构，一层齿轮是原有齿轮，另一层是用来减少传动间隙的齿轮，它的齿宽约是原有齿轮齿宽的1/3～1/2。用数个螺钉将两个齿轮毛坯安装在一起并拧死在再制齿。
制齿后将齿轮装在机床传动轴上，松开齿轮固定螺钉，将约1/3～1/2齿宽的齿轮朝着该齿轮旋转运动相反的方向转动齿轮，转动角度的大小以齿轮长期工作、最大温升时齿轮侧隙大于零。
双齿轮传动的工作原理是用双齿轮中较宽的齿轮传递动力，较窄的齿轮起到减少传动间隙的作用。沿着轴心线看调整后的两层齿轮的齿形有微量错位，
结构优点：根据齿轮的实际制造误差、箱体中心距实际加工误差、等因素，调整齿轮的传动间隙使之在一个合理的范围之内，与抱闸结构相比更合理、适用。
结构缺点：由于齿轮齿宽增加，传动轴的轴向尺寸加大，并且箱体上还要留有齿轮调整用的窗口，这种方法只适用于新设计的机床并且增加了机床的制造成本。
关键词：数控系统；车床；解决方法
碰刀是数控加工中必须尽量避免，一旦发生碰刀可能会对昂贵的机床造成损伤、影响机床的加工精度，严重的还可能危害到人身安全。笔者总结了一些规避碰刀的方法，贡读者借见。
1.程序输入错误，缺乏细致的检查，则可以修改系统参数
对FANUC数控系统参数中最小的设定单位为0.001mm。
坐标数字后的小数点“.”在编程中经常会作人员疏忽掉。
如：G00 X20 Z-50 F0.3；
此处“X20 Z-50”后均省略了小数点。假如此时系统参数设置为最小设定单位为0.001mm，那么此程序段实际上就等价于：G00 X0.02 Z-0.05 F0.3；
执行此段程序，刀具将直接扎入工件造成碰刀。
解决方法：我们可以修改参数NO.3401来规避这种情况，设置为让系统可以不使用小数点的地址字， NO.3401设置为mm， inch单位。同时参数1001直线轴的最小移动单位也应设置为mm（公制机床）。如此设置后程序的地址字即使省略小数点“.”也不会造成程序错误。
2.车削工艺与编程技巧
数控编程是数控车床加工中至关重要的环节，加工程序的编写必须根据工件图纸、工艺要求来确定。在各种加工内容上考虑加工的可行性的同时还要充分考虑加工的安全性。
2.1换刀点的选择
换刀点必须让刀具有足够的换刀空间，不要让刀具与工件或机床其它部件发生干涉。
解决方法：
设置换刀点前要了解刀具的构造及装夹的伸出量情况。有些长柄刀具还要在机床上进行测量才能确定换刀点，对于加工较长的零件时（比如使用一夹一顶、两顶尖装夹或者搭中心架的），还加要注意换刀不让刀具与工件及辅助部件发生干涉。
2.2刀补值
输入错误的刀补值也是产生碰刀的主要原因。
解决方法：如下面几种情况：忘记输入"-"号让补值变成正值；漏掉小数点，如"8.6"输成"86"；"Z"轴输成"x"轴；"T0101"输成"T0102"。这些因不细心的小错误有时会造成大事故。
2.3切槽和螺纹加工的进退刀方式常常出现碰刀现象
解决方法：
（1）切槽。切槽刀刀头部位有二个刀尖，编程时要提前测量刀头的实际宽度，应选用一个固定刀尖来作为走刀的坐标定位参考点，靠近工件阶台时要提前调整走刀速度，不能再用“G00”指令的速度，避免撞刀。进退刀时"X、Z"两轴不能做同时移动使用，进刀定位顺序是先定Z轴后定X轴，退刀时先退出X轴再退Z轴。
（2）螺纹。“G92”后面不能直接编写“G01”或“G02”等指令，否则必须重新定义F值，不然在主轴高速旋转的情况下，系统按螺纹加工的走刀速度执行（F2.0，此时使用“G99”转进给），此时会出现两种情况：一是机床不动，伺服系统报警；二是刀具移动速度过快，导致碰刀。
另外，普通螺纹加工时刀具起点位置要相同，X轴起点及终点坐标要相同，以避免产生“乱牙”。
2.4 G70--G73复合循环指令
G70--G73等复合循环指令执行后的退刀是从程序终点快速返回程序起点。
解决方法：
为了避免车刀从终点快速返回起点时撞向工件，在设置定位点时应注意终点与起点的连线必须在工件之外（一般X、Z轴定位时均大于毛坯尺寸），不能跟工件的任一位置交叉，否则退刀会出现碰撞，如：毛坯尺寸为Φ55×150，定位点位“G00 X30.0 Z2.0”加工时退刀刀具将撞到工件。G70精加工循环指令的起点位置更应该注意，在对指令走刀路线不熟悉的情况下，建议将G70的起点坐标设在其它粗加工循环指令的起点位置上。
另外解决碰刀的方法：程序的安全校检
3.数控模拟仿真系统
数控仿真系统能很好的强化学生的编程技能，通过数控仿真模拟数控车床加工的整个过程。仿真上通过程序检验、观察刀具的轨迹、了解整个加工过程，若出现碰撞可以及时更改错误程序。等检查完全无误再上机床实际操作，如此可以大大地减少程序错误及误操作而引起的碰刀，最大限度的保护机床设备。
4.加工过程中的临时校检
刀具切入工件前做临时的校检：对刀后开始加工时走慢点，在快接近零件时快速按下暂停，观察此时的系统数字显示还有多少距离要走，再打开防护罩观察刀与零件的距离。若显示的数字与所观察的距离无明显差别，才可继续运行。