CN103331473A

CN103331473A - 一种超密齿面铣刀及其设计方法

Info

Publication number: CN103331473A
Application number: CN2013101855074A
Authority: CN
Inventors: 张俊; 赵万华; 高博; 蒋逸飞; 卢秉恒
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103331473B

Abstract

本发明公开了一种能够克服现有铣刀在加工难加工材料时所遇到的低切削效率，低加工精度的问题的超密齿面铣刀及其设计方法。在设计时以铣刀齿数为自变量，综合考虑结构参数和切削参数的影响，并在保证强度的前提下，能够得出最为合适的超密齿面铣刀的齿数，提高效率的同时，降低了损耗，提高了加工精度；通过大幅度的增加铣刀齿数，从而大大的提高了加工的效率，再通过适当的减小每齿的进给量，从而与超密的齿数相适应，并减小了每齿切削力，减少了刀片的磨损，同时提高了加工工件的表面质量；综合两方面的影响，加工效率仍有明显的提高。由此设计而成的铣刀，切削的效率和精度都得到了兼顾提高，同时延长了铣刀的使用寿命，降低了生产加工的成本。

Description

一种超密齿面铣刀及其设计方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体为一种超密齿面铣刀及其设计方法。

背景技术

难加工材料，如钛合金、镍基合金等，由于其具有强度高、重量轻等优点已广泛应用于航空航天、能源动力、汽车高铁等领域，但另一方面也因为其硬度大、热导率低，较常规材料更难加工，因此利用目前的常规结构刀具加工效率低、刀具磨损严重、表面质量经常会出现不稳定现象等。一个主要原因是由于常规结构面铣刀的齿数较少，要达到一定的切削速度和进给速度，势必要求每齿的进给量比较大，因此每齿的切削量和承受的切削力会较大。以Sandvik CoroMill245直径50mm的面铣刀为例，常规布齿3个，最多为5个，因此在一定的切削速度条件下，对于同一种材料的工件，当其进给速度和轴向切深达到极限值时，切削效率就无法得到大幅提高，实现不了高效加工，而且会影响加工精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铣刀在加工难加工材料时所遇到的低切削效率，低加工精度的问题，提供了一种能提高切削效率，同时提高加工精度，减少刀具磨损的超密齿面铣刀及其设计方法。

为达到上述目的，本发明的设计方法通过以下步骤来实现：

a.根据在切削加工中铣刀自身的旋转运动，以及其与工件之间的相对进给运动，通过几何关系，确定铣刀刀齿前角点A点和后角点B点的轨迹方程；

b.将齿数做为自变量，将设计要求的切削参数和铣刀结构参数，带入A点和B点的轨迹方程，以无交点为临界条件，确定铣刀中最大的布齿齿数；

c.从排屑角度考虑，铣刀满齿切削时，半周内单齿切削体积为Q，单齿排屑槽的空间大小为V；以保证刀齿不受工件材料挤压以及排屑通畅为条件，即单齿排屑槽的容积大于半周内单齿切削的体积，即Q＜V，其中忽略切削前后切屑体积的变化，确定铣刀齿数；

d.给定刀具材料及切削参数，在以上步骤中所定结构参数不发生干涉的情况下，建立面铣刀的三维CAD模型，通过有限元分析软件进行仿真，在保证刀具强度及高速下振动情况的分析，以铣刀结构强度为约束条件，最后调整齿数及铣刀结构得到所需的超密齿面铣刀。

步骤a中A点的轨迹和B点的轨迹在切向运动及径向运动的合成下分别为近似的圆弧线，确定其轨迹方程分别为

\{\begin{matrix} x_{A} = ft + R \sin (wt) \\ y_{A} = R \cos (wt) \end{matrix},

\{\begin{matrix} x_{B} = ft + R \sin (wt) - l \cos (wt - β) \\ y_{B} = R \cos (wt) + l \sin (wt - β) \end{matrix};

其中，α=wt-βf=f_znz，w=2πn，f为铣刀进给量，f_z为最大每齿进给量，t为运动时间，R为刀齿的基圆半径，w为角速度，l为AB点的距离，β为刀齿后角，n为转速，z为齿数。

步骤c中半周内单齿切削体积Q=a_pf_zπD/2，其中，α_p为旋转角度，D为铣刀直径；将单齿排屑槽的圆弧底面空间近似为三角形底面空间，其大小V近似为V=1/2*H*(πD/z-l)*T，其中，H为排屑槽的高度；T为排屑槽径向的深度。

在步骤d中以强度为约束条件时，采用刀具底面施加固定约束，参照切削参数与材料的性能参数，计算出切削力的大小，并根据刀片上实际作用切削面积计算出压力值，将此数值作用在齿面上，进行数值求解，通过铣刀的应力状态和变形情况检验设计面铣刀的结构强度。

一种按本发明的方法设计的超密齿面铣刀，包括基体，支撑块和刀片，基体上均匀布置有最终确定的若干铣刀刀齿，刀片对应铣刀齿数通过支撑块与基体固定连接。

所述的刀片通过支撑块，或焊接于基体上，或由螺钉连接于基体上。

本发明不仅能提高切削效率，同时还可以提高加工精度，减少刀具磨损的超密齿面铣刀。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于，通过大幅度的增加铣刀齿数，从而大大的提高了加工的效率，再通过适当的减小每齿的进给量，从而减小了每齿切削力，达到减少刀片磨损的目的，同时提高了加工工件的表面质量；综合两方面的影响，加工效率仍有明显的提高。在设计时综合考虑结构参数和切削参数的影响，并在保证强度的前提下，能够得出最为合适的超密齿面铣刀的齿数，提高效率的同时，降低了损耗，提高了加工精度；由此设计而成的铣刀，切削的效率和精度都得到了提高，同时延长了铣刀的使用寿命，降低了生产加工的成本。

附图说明

图1为超密齿面铣刀结构示意图；图中：1、刀片，2、基体。

图2为铣刀刀齿中单齿的几何关系示意图；图中：ABCD为单齿形状，β为刀齿后角，f为铣刀进给量。

图3为刀具前角点和后角点轨迹示意图；图中：虚线为前角点A点轨迹，实线为后角点B点轨迹。

图4为每齿进给量与铣刀齿数的关系示意图。

图5为刀齿后角与铣刀齿数的关系示意图。

图6为刀边宽度与铣刀齿数的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步的进行解释和说明。

如图1所示，一种超密齿面铣刀包括基体2，支撑块和刀片1，基体2上均匀布置有若干铣刀齿数，刀片1对应铣刀齿数通过支撑块与基体2固定连接。其中，根据实际的需求和情况，刀片1通过支撑块，或焊接于基体2上，或由螺钉连接于基体2上。

用于如上所述的一种超密齿面铣刀的设计方法，包括如下步骤：

a.在切削加工中，铣刀自身不仅在做旋转运动，而且与工件之间还要完成相对进给运动，因此，根据这两种运动关系，通过铣刀刀齿自身的几何关系，如图2所示，确定铣刀刀齿前角点A点和后角点B点的轨迹方程，在图中，α=wt-β，f=f_znz，w=2πn，其中，f为铣刀进给量，f_z为最大每齿进给量，t为运动时间，R为刀齿的基圆半径，w为角速度，l为AB点的距离即刀边宽度，β为刀齿后角，n为转速，z为齿数。

b.将齿数做为自变量，将设计要求的切削参数和铣刀结构参数，带入A点和B点的轨迹方程；在切削过程中，A、B两点同时运动，但是由于B点的运动在空间上总是滞后于A点，故其轨迹在旋转运动层面不能超前于A点轨迹，否则会出现B点挤压工件的现象，因为B点一般为非切削部分，如果此处与工件干涉则易使刀具损坏，或导致加工表面不符合要求；因此以无交点为临界条件，确定铣刀中最大的布齿齿数。通过分别改变AB间距离l，刀具后角β及f_z的大小，分别对应与齿数的变化程度，可知，每齿进给量对刀具齿数的设计影响较大，为主要影响参数；所以在确定最大布齿齿数时，应根据效率和精度的要求，适当的减小每齿进给量进而得到最大的布齿齿数，提高加工效率，同时提高工件表面的加工质量。

c.从排屑角度考虑，铣刀满齿切削时，半周内单齿切削体积为Q，单齿排屑槽的空间大小为V；以保证刀齿不受工件材料挤压以及排屑通畅为条件，即单齿排屑槽的容积大于半周内单齿切削的体积，即Q<V，其中忽略切削前后切屑体积的变化，确定铣刀齿数。

d.给定刀具材料及极限的切削参数，在以上步骤中所定结构参数不发生干涉的情况下，建立面铣刀的三维CAD模型，通过有限元分析软件进行仿真，并在保证强度和高速下振动情况的分析，以铣刀结构强度为约束条件，最后调整齿数及铣刀结构，确定最终方案。

具体的，在设计过程中切削参数包括铣刀进给量f，铣刀转速n；结构参数包括刀齿基圆的直径D或半径R，刀边宽度l，刀齿后角β，齿数z。

具体的优选实施例中，A点的轨迹和B点的轨迹在切向运动及径向运动的合成下分别为近似的圆弧线，确定其轨迹方程分别为

\{\begin{matrix} x_{A} = ft + R \sin (wt) \\ y_{A} = R \cos (wt) \end{matrix}

和

\{\begin{matrix} x_{B} = ft + R \sin (wt) - l \cos (wt - β) \\ y_{B} = R \cos (wt) + l \sin (wt - β) \end{matrix};

本是实施例以直径D=50mm的结构为例，AB距离l=4mm，刀具后角β=10°，最大每齿进给量f_z=1mm。并将以上参数代入到A点和B点的轨迹方程中，以齿数为自变量，画出A和B两点的轨迹，如图3所示。当齿数为16时，A、B两轨迹线相交，因此该结构刀具最多布齿15个。然后分别改变AB间距离l，刀具后角β及fz的大小，对应齿数的变化如图4～6所示。由图可知，每齿进给量对刀具齿数的设计影响较大，特别是在进给量较小时，允许的布齿个数较多。

其中，半周内单齿切削体积Q=a_pf_zπD/2

单齿排屑槽的空间大小近似为

V=1/2*H*(πD/z-l)*T，其中，H为排屑槽的高度；T为排屑槽径向的深度。即以底面为三角形的空间近似圆弧底面的空间。设计中务必使单齿排屑槽的容积大于半周内单齿切削的体积，即Q<V，忽略切削前后切屑体积的变化。

具体的，在以强度为约束条件时，采用刀齿底面施加固定约束，参照切削参数与材料的性能参数，根据经验公式计算出切削力的大小，并根据刀片上实际作用切削面积计算出压力值，将此数值作用在齿面上，进行数值求解，通过铣刀的应力状态和变形情况检验设计面铣刀的结构强度是否足够，本实施例中，铣刀在30MPa压力下的应力和变形满足设计要求，因此能够确定所设计的铣刀结构强度足够，无需对齿数及铣刀结构进行调整，确定最终设计方案。

Claims

1.一种超密齿面铣刀的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种超密齿面铣刀的设计方法，其特征在于，步骤a中A点的轨迹和B点的轨迹在切向运动及径向运动的合成下分别为近似的圆弧线，确定其轨迹方程分别为

\{\begin{matrix} x_{A} = ft + R \sin (wt) \\ y_{A} = R \cos (wt) \end{matrix},

\{\begin{matrix} x_{B} = ft + R \sin (wt) - l \cos (wt - β) \\ y_{B} = R \cos (wt) + l \sin (wt - β) \end{matrix};

3.根据权利要求1所述的一种超密齿面铣刀的设计方法，其特征在于，步骤c中半周内单齿切削体积Q=a_pf_zπD/2，其中，α_p为旋转角度，D为铣刀直径；将单齿排屑槽的圆弧底面空间近似为三角形底面空间，其大小V近似为V=1/2*H*(πD/z-l)*T，其中，H为排屑槽的高度；T为排屑槽径向的深度。

4.根据权利要求1所述的一种超密齿面铣刀的设计方法，其特征在于，在步骤d中以强度为约束条件时，采用刀具底面施加固定约束，参照切削参数与材料的性能参数，计算出切削力的大小，并根据刀片上实际作用切削面积计算出压力值，将此数值作用在齿面上，进行数值求解，通过铣刀的应力状态和变形情况检验设计面铣刀的结构强度。

5.一种利用权利要求1－4任意一种方法设计的超密齿面铣刀，其特征在于，所述的铣刀包括基体（2），支撑块和刀片（1），基体（2）上均匀布置有最终确定的若干铣刀刀齿，刀片（1）对应铣刀齿数通过支撑块与基体（2）固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种超密齿面铣刀，其特征在于，所述的刀片（1）通过支撑块，或焊接于基体（2）上，或由螺钉连接于基体（2）上。