CN103934496B - 一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具 - Google Patents

Abstract

一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，它涉及一种仿形铣削刀具。本发明为了解决现有的环形刀在加工高硬度复杂曲面时，存在欠切量大，增加了后续工序工作量以及表面残留高度较高，使下一工序刀具切削震动剧烈等问题，而球头刀存在刀尖速度为零，端铣能力有限，刀尖易崩刃等问题。本发明包括刀体(1)，所述刀体(1)的一端设有多个容屑槽(2)，多个容屑槽(2)均布开设，所述仿形铣削刀具还包括多个结构相同的刀片(3)，每个容屑槽(2)内通过螺钉设有一个刀片(3)，所述每个刀片(3)均为中心对称结构，多个刀片(3)的刀尖之间的平底宽度Dc为3mm-8mm，且多个刀片(3)的刀尖之间的底端构成刀具中空平底结构。本发明用于复杂型腔二次荒加工与半精加工过程。

Description

一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具

技术领域

本发明涉及一种仿形铣削刀具，具体涉及一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具。

背景技术

针对具有大量平坦曲面和陡立面的复杂型腔曲面(例如汽车覆盖件模具)，其结构特征复杂、材料硬度高、去除量大。一套大型汽车覆盖件模具，一般都在三轴机床加工，需要的刀具数量可达数十把，常用的刀具以环形刀与球头刀居多。加工型腔类零件时，为了提高加工效率，一般使用大直径的环形刀进行荒加工，然后需要基于荒加工使用小直径环形刀进行二次荒加工，去除大直径环形刀未去除的材料。而模具的型面复杂，包含有大量的小曲率凹曲面，环形刀大的平底宽度会造成大余量欠切，欠切会增加下一工序中清根工作量；而且环形刀二次开荒之后，表面有较为明显的残留台阶，会引起下一工序刀具切削振动剧烈造成刀具磨损严重，甚至损坏刀具。

而半精加工和清根工序一般使用球头刀，而在球头刀加工高硬度复杂曲面中所产生的问题主要如下：

(1)普通球头刀刀尖旋转线速度为零，切削条件差。模具加工中会涉及大量平坦类曲面的加工，一般都使用球头刀刀尖部位进行切削，但球头刀最不擅长的就是使用刀尖进行端铣，在切削过程中，刀尖处旋转线速度为零，刀具实际是在刮蹭，切削条件相对较差，刀具磨损严重。

(2)普通球头刀端部切入困难，易造成刀尖崩刃。在加工汽车覆盖件模具过程中，工件材料一般为淬硬钢等超硬材料，刀具切入困难，刀具所受抗力较大，易造成刀尖崩刃，损坏刀具。

(3)普通球头刀为窄行加工，加工效率较低。在粗加工和半精加工中都使用球头刀加工复杂曲面，为保证切削稳定性和余量均匀，加工行距较小，属于窄行加工，造成加工效率低。

综上所述，现有的环形刀在加工高硬度复杂曲面时，存在欠切量大，增加了后续工序工作量以及表面残留高度较高，使下一工序刀具切削震动剧烈等问题；而普通球头刀存在刀尖速度为零，端铣能力有限，刀尖易崩刃的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的环形刀在加工高硬度复杂曲面时，存在欠切量大，增加了后续工序工作量以及表面残留高度较高，使下一工序刀具切削震动剧烈的问题；而普通球头刀存在刀尖速度为零，端铣能力有限，刀尖易崩刃的问题。进而提供一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具。

本发明的技术方案是：一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具包括刀体，所述刀体的一端设有多个容屑槽，多个容屑槽均布开设，所述仿形铣削刀具还包括多个结构相同的刀片，每个容屑槽内通过螺钉设有一个刀片，所述刀片均为可转位刀片，刀片的外轮廓形状由两段相同的曲线首尾顺次相接组成，且两段曲线关于刀片中心呈对称结构分布，所述曲线包括三段圆弧和一条直线刃依次相连构成，所述三段圆弧分别包括侧刃、圆弧端刃和倒圆刃，侧刃、圆弧端刃和倒圆刃及直线刃依次相切，所述侧刃的圆弧曲率半径R为5mm-25mm、圆弧端刃的圆弧曲率半径rp为0.5R，倒圆刃的圆弧曲率半径r为2mm-5mm，刀片的主圆心角θ为30°-90°，侧刃R的圆弧长度为R*(90-0.5*θ)*π/180；副圆心角δ为0.5θ<δ<0.75θ，rp圆弧长度R*δ*π/180。多个刀片3的刀尖之间的平底宽度Dc为3mm-8mm，且多个刀片的刀尖之间的底端构成刀具中空平底结构。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明与环形刀相比明显减小了刀具的平底宽度，能够有效减小凹曲面欠切量。因刀具平底宽度Dc减小，本发明的端铣能力不如环形刀，但也正因如此，本发明的适用范围也随之扩大。常用环形刀的直径为20mm，圆角为3mm，其平底宽度Dc为14mm，而直径为20mm，圆心角为60°的本发明平底宽度Dc为5mm，如图9和图10所示。若在加工曲率半径为30mm的凹曲面时，环形刀的欠切厚度为0.9mm，而本发明的欠切厚度仅为0.1mm，其更能适应复杂曲面的加工，减小欠切。

2.本发明在型腔陡壁的加工过程中，下切同样的步距，本发明与环形刀相比具有更小的残余高度。在二次荒加工中，常采用层切方法加工型腔，尤其对于陡立面，刀具走刀方向沿等高线方向。如图11-图14所示，D20R3(直径为20mm，圆角为3mm)环形刀与D20圆心角为60°的双圆弧心形仿形铣刀残余高度对比图。在加工坡度均为45°的斜面时，下切步距为1.5mm，环形刀的残余高度为0.195mm，而本发明的仿形铣刀残余高度仅为0.056mm，即在这种条件下，本发明可降低残余高度71.3％。

3.本发明与现有的球头刀相比，避免了刀尖切削速度为零的缺陷，并且提高了刀片端部强度。刀具端部采用了双圆弧中空底刃代替球头刀中的球形刃，由于双圆弧底刃中心处内凹，避免了普通球头刀切削线速度Vc为零的缺陷，中空结构使切削速度较低的部分不参与切削，能够增大切削刃接触长度，减小切削力，切削条件良好，从而减少刀具磨损。图15和图16为普通球头刀与本发明所涉及的铣刀端铣加工状况对比。普通球头刀在加工中最容易损坏的的部分就是刀尖部位，高硬度表面极易使刀尖部位崩刃，而本发明为双圆弧端刃中空结构，能够有效的避免崩刃现象，提高到刀片端部强度。

4.本发明与球头刀相比，具有更强的端铣能力。双圆弧中空平底结构设计的主要目的就是改善球头铣刀端铣性能，使其适用于复杂型腔的二次荒加工与半精加工过程。从图15和图16可以明显看出，本发明的切宽W2明显大于球头刀切宽W1。以直径同为40mm两种刀具为例，比较两种铣刀切削宽度。在切深0.5mm的情况下，球头刀单次切宽为8.9mm；而本发明铣刀在同直径情况下，圆心角60°时，切宽可达到16.3mm。明显提高了加工效率。

5.本发明与普通球头刀相比具具有更高的进给率。在设定刀具进给率时，要考虑到刀具在切削范围内，切削条件最差时所能达到的最大进给设定为该刀具在此加工范围内的进给率，本发明与普通球头刀相比端部切削速率明显提高。普通球头刀在刀尖处切削速度为零，金属去除效率低，此时高进给易造成刀具折断，这就限制了球头刀的进给率。本发明不存在刀尖切削速度为零的问题，其端部最低切削速率为π.Dc.n，其中n为主轴转速，具有更高的金属去除率。减小刀具切削底刃径向进给抗力，能够提高刀具的进给率，防止径向力过大造成刀具折断。

6.本发明所设计的铣刀属于异形铣刀，其刃形特殊，在数控加工实际使用过程中，应将刀具高速旋转后的有效切削轮廓(如图19所示)导入到Powermill自定义刀具模块中，软件即可根据输入的刀具外形轮廓，进行布尔运算，生成相应的刀路轨迹。本发明针对复杂型腔的加工有较强实用性，经过对某复杂型腔零件进行仿真加工，使用刀具分别为直径20mm、圆角3mm的环形刀(D20R3)与直径为20mm、圆心角为60°新型铣刀(D20α60°)，同样加工参数下生成的二次荒加工刀具路径对比如图17和图18所示。

由生成的刀具路径可以看出，环形刀加工路径稀疏，并未加工到型腔内壁，而新设计的铣刀能够加工到型腔内部绝大多数位置。因此针对型腔加工，新设计的铣刀与环形刀相比有更好的曲面适应能力。

二次粗加工之后，进行了首次半精加工仿真对比，使用直径同为20mm的3把刀具，分别为D20R3环形刀、D20α60°新型铣刀、D20球头刀、减小加工余量。采用三维偏置加工策略进行加工，前两种铣刀采用3mm加工行距，球头刀采用2mm加工行距。

D20R3环形刀仿真加工时间分别为17min43s、D20α60°新型铣刀加工时间为17min49s、D20球头刀加工时间为26min23s。通过残留模型可以看出，新型设计铣刀与环形刀加工相比，可明显减少边角欠切量，同时保证加工效率。而球头刀虽采用了较小的行距，但加工质量却是最差的，模型表面有明显残留高度痕迹，且并未明显减小边角欠切量。新型铣刀与球头刀相比加工效率提高了32.4％。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是图1的俯视图；图3是图1的侧视图；图4是刀片的几何关系图；图5是图4的侧视图；图6是图4在A-A处的剖视图；图7是本发明两个刀片的布置形式；图8是现有柳叶球头铣刀的结构示意图及刀片布置形式；图9是现有环形刀在加工时凹曲面的欠切示意图；图10是本发明在加工凹曲面的欠切示意图；图11是现有环形刀加工残余高度值的示意图；图12是图11在B处的局部放大图(放大比例为10:1)；图13是本发明加工加工残余高度值的示意图；图14是图13在C处的局部放大图(放大比例为10:1)；图15是球头刀端铣加工结构示意图；图16是本发明端铣加工结构示意图；图17是环形刀加工路径的结构示意图；图18是本发明加工路径的结构示意图；图19是本发明等效旋转轮廓示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具包括刀体1，所述刀体1的一端设有多个容屑槽2，多个容屑槽2均布开设，其特征在于：所述仿形铣削刀具还包括多个结构相同的刀片3，每个容屑槽2内通过螺钉设有一个刀片3，所述每个刀片3均为中心对称结构，多个刀片3的刀尖之间的平底宽度Dc为3mm-8mm，且多个刀片3的刀尖之间的底端构成刀具中空平底结构。

如此设置本实施方式，能够有效的改善刀具端部切削条件，本实施方式的刀片的端部无切削速度为0的缺陷，切有较宽的铣削宽度，增强了刀具端部的铣削能力。

本实施方式的刀片3采用中心对称结构，刀片磨损时，将此磨损刀片自身转换一下位置即可继续使用。图8中柳叶球头铣刀一侧刀片磨损必须将两刀片调换位置，才可继续使用。

具体实施方式二：结合图1、图4-图8说明本实施方式，本实施方式每个所述刀片3均为可转位刀片，刀片3的外轮廓形状由两段相同的曲线首尾顺次相接组成，且两段曲线关于刀片中心呈对称结构分布，所述曲线包括三段圆弧和一条直线刃3-4依次相连构成，所述三段圆弧分别包括侧刃3-1、圆弧端刃3-2和倒圆刃3-3，侧刃3-1、圆弧端刃3-2和倒圆刃3-3及直线刃3-4依次相切，所述侧刃3-1的圆弧曲率半径R为5mm-25mm、圆弧端刃3-2的圆弧曲率半径rp为0.5R，倒圆刃3-3的圆弧曲率半径r为2mm-5mm，刀片3的主圆心角θ为30°-90°，侧刃R的圆弧长度为R*(90-0.5*θ)*π/180；副圆心角δ为0.5θ<δ<0.75θ，rp圆弧长度R*δ*π/180。

刀具设计方案采用可转位刀片设计方案，对于刀片与刀杆之间的配合方案设计较为关键，既要实现双圆弧中空底刃结构外形，又要保证刀体强度。刀片的一半切削刃中包含了一条直线刃和三段不同曲率圆弧，它们依次相切，其中曲率半径R与rp的圆弧为实际参与切削部分，侧刃3-1的圆弧长度由主圆心角θ确定，其范围以外均为侧刃R；其中二次荒加工中侧刃曲率半径R取值范围在10mm与25mm范围内，主圆心角θ取值范围在60°与90°之间；半精加工中侧刃曲率半径R在5mm到15mm范围内，主圆心角θ在30°与60°之间；主圆心角范围以内包含了圆弧端刃3-2及平底中空结构，圆弧断刃的曲率半径rp＝0.5R，rp为定值便于精确控制平底宽度Dc与侧刃曲率半径R与主圆心角θ的关系。rp圆弧长度由副圆心角δ确定，其取值范围：0.5θ<δ<0.75θ。在圆弧端刃与直线刃之间存在一内倒圆角r，r取值范围在2mm到5mm之间，其不参与主要切削，主要作用是增加刀片强度，防止刀片崩刃。图7中，本实施方式的rp刃圆弧减小了刀片主偏角，增加了刀片端部强度。图8中的刀片端部10强度弱。

Dc为刀具平底宽度，即图中两圆弧端刃最高点之间连线。也为双圆弧心形刃的两圆心距离，刀尖宽度Dc与球形曲率半径R及主圆心角θ的关系为：Dc＝R×sin(θ/2)，平底宽度范围Dc以外曲率半径为R和R/2的圆弧为主要切削刃，平底宽度Dc以内的切削刃不参与切削。

图7中，本实施方式刀片上的10位置处，无强度脆弱尖角。图8中的刀片存在尖角12，易崩刃，且存在刀尖速度为零的问题。

具体实施方式三：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式的每个刀片3的前角γ为0-9度，后角α为7-12度，刀片3的宽度M比侧刃3-1的曲率半径小1-3mm，刀片长度L小于2R，厚度s在1.5mm-8mm范围内。如此设置，便于满足二次荒加工和半精加工对不同刀具参数的要求二次开荒中刀片的前角γ的取值范围为0-4度，后角α的取值范围为7-9度，保证刀片强度；半精加工中刀片的前角γ的取值范围为4-8度，后角α的取值范围为9-12度，使刀片锋利，减小切削力。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的刀片宽度M比侧刃曲率半径R小1mm-3mm，刀片长度为L，满足于L<2R，c为两刀片允许的最短距离，即为刀体部分允许的最薄厚度，c与刀片宽度M的关系满足：2M+c＝2R。

具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的刀体1为带有锥度的刀体。如此设置，刀体设计采用锥柄结构，目的是保证型腔加工中刀体刚度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的刀体1包括第一刀体1-1、第二刀体1-2和第三刀体1-3，第一刀体1-1、第二刀体1-2和第三刀体1-3依次固定连接并制成一体，所述第三刀体1-3为刀头，所述第二刀体1-2的刀柄锥度β范围在2-7°以内，刀体总长度为150-260mm，第二刀柄与第三刀柄长度之和L2为40mm-180mm，第三刀体1-3的长度L3为20-150mm。如此设置，可保证刀体刚度情况下，增加刀具长度，适用于深腔加工。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，所述第三刀体端部存在刀片后隙1-4，其构成刀体上第二后角α`,其取值范围为20-30°。如此设置，为防止刀具端部切削时刀体与工件发生干涉。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第三刀体1-3的半径比侧刃3-1曲率半径R小0.3-1.5mm。如此设置，防止在加工复杂型腔中垂直面时，刀体与垂直面发生干涉。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的多个容屑槽2的数量为2-4个。如此设置，便于满足不同加工状态下的需求。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本发明的工作原理是：

针对环形刀加工复杂型腔存在欠切量大和球头刀加工存在刀尖速度为零，刀尖易崩刃的技术现状，设计了一种复杂型腔加工二次荒加工和半精加工用的铣削刀具，其铣削性能介于环形刀与球头刀之间，其设计结合两种刀具的优点，避免了两种刀具的铣削中的缺陷使其更适用于复杂型腔的加工。与环形刀相比，其具有更小的平底宽度，从而可实现减小欠切量的目的；而与球头刀相比，刀具的双圆弧中空平底结构提高刀具端部铣削性能，避免了刀尖切削速度为零的缺陷，提高了刀片的强度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，它包括刀体(1)，所述刀体(1)的一端设有多个容屑槽(2)，多个容屑槽(2)均布开设，其特征在于：所述仿形铣削刀具还包括多个结构相同的刀片(3)，每个容屑槽(2)内通过螺钉设有一个刀片(3)，所述每个刀片(3)均为中心对称结构，多个刀片(3)的刀尖之间的平底宽度Dc为3mm-8mm，且多个刀片(3)的刀尖之间的底端构成刀具中空平底结构，每个所述刀片(3)均为可转位刀片，刀片(3)的外轮廓形状由两段相同的曲线首尾顺次相接组成，且两段曲线关于刀片中心呈对称结构分布，所述曲线包括三段圆弧和一条直线刃(3-4)依次相连构成，所述三段圆弧分别包括侧刃(3-1)、圆弧端刃(3-2)和倒圆刃(3-3)，侧刃(3-1)、圆弧端刃(3-2)和倒圆刃(3-3)及直线刃(3-4)依次相切，所述侧刃(3-1)的圆弧曲率半径R为5mm-25mm、圆弧端刃(3-2)的圆弧曲率半径rp为0.5R，倒圆刃(3-3)的圆弧曲率半径r为2mm-5mm，刀片(3)的主圆心角θ为30°-90°，侧刃R的圆弧长度为R*(90-0.5*θ)*π/180；副圆心角δ为0.5θ<δ<0.75θ，rp圆弧长度为R*δ*π/180。

2.根据权利要求1所述一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，其特征在于：所述每个刀片(3)的前角γ为0-9度，后角α为7-12度，刀片(3)的宽度M比侧刃(3-1)的曲率半径小1-3mm，刀片长度L小于2R，厚度s在1.5mm-8mm范围内。

3.根据权利要求2所述一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，其特征在于：所述刀体(1)为带有锥度的刀体。

4.根据权利要求3所述一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，其特征在于：所述刀体(1)包括第一刀体(1-1)、第二刀体(1-2)和第三刀体(1-3)，第一刀体(1-1)、第二刀体(1-2)和第三刀体(1-3)依次固定连接并制成一体，所述第三刀体(1-3)为刀头，所述第二刀体(1-2)的刀柄锥度β为2-7°，刀体总长度L1为150-260mm，第二刀柄与第三刀柄长度之和L2为40mm-180mm，第三刀体长度L3为20-150mm。

5.根据权利要求4所述一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，其特征在于：所述第三刀体(1-3)端部存在刀片后隙(1-4)，其构成刀体上第二后角α`,其取值范围为20°-30°。

6.根据权利要求4所述一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，其特征在于：所述第三刀体(1-3)的半径比侧刃(3-1)的曲率半径R小0.3-1.5mm。

7.根据权利要求1所述一种复杂型腔加工用的仿形铣削刀具，其特征在于：所述多个容屑槽(2)的数量为2-4个。