CN104400100A - 基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀 - Google Patents

Abstract

一种基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其切削部包括外周切削齿和容屑槽；外周切削齿的齿数为4，外周切削齿由第一前刀面、第二前刀面和后刀面组成，第一前刀面的径向剖面为直线型，第二前刀面的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标满足抛物线方程；后刀面的径向剖面为直线型；容屑槽包括主槽和副槽两部分，主槽与第二前刀面连接，主槽的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标均满足抛物线方程，副槽向外凸起，连接主槽和后刀面，副槽的径向剖面上所有点的坐标均满足方程y＝ax³+bx²+cx+d。该立铣刀具有优异的强度，并能够抑制钛合金加工时锯齿形切屑的产生，使切削过程更加平稳，提高工件表面质量和刀具寿命。

Description

基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀

技术领域

本发明涉及一种用于加工钛合金的整体硬质合金立铣刀，属于立铣刀技术领域。

背景技术

钛合金具有比强度高、高温强度高、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、石油化工、医药器械、汽车工业等领域应用广泛。但是，由于钛合金化学活性高、导热系数低、弹性模量小，切削过程中振动现象严重、切削温度高，容易加剧刀具磨损，对生产效率和表面质量产生不利影响。立铣刀的结构对切削力、振动和温度具有重要影响，是实现钛合金高效加工的关键因素。

目前，在加工钛合金时，一般的立铣刀很难既保证刀具强度高、排屑性能好，又保证散热性好。在设计立铣刀过程中考虑了不同数学模型改进铣刀的槽型。

专利文献CN201455382U公开了一种变槽型铣刀，该铣刀采用抛物线槽型，槽型截面图形为y＝ax²+bx+c，在L1轴向长度内，芯厚为d1；在L1轴向长度外，芯厚为d2，且d2为d1的1.4倍。但是，该铣刀槽型没有具体定义参数a、b、c的取值，如果取值不当可能导致齿厚小，切削刃强度不够，并且没有考虑切削刃后刀面槽型的影响。

专利文献CN102303158A公开了一种具有双圆弧槽型的立铣刀，其容屑槽径向剖面由槽前刀面圆弧和后刀面圆弧构成。槽前刀面圆弧上所有点坐标满足(x-a₁)²+(x-b₁)²＝r₁ ²，槽后刀面圆弧上所有点坐标满足(x-a₂)²+(x-b₂)²＝r₂ ²，其中r₁为0.18-0.25倍铣刀刃径，r₂为2.0-2.5倍铣刀刃径。该铣刀槽型具有流畅的排屑能力和一定的刀具强度，但是切屑和刀具接触长度大，传入刀具的热量大，容易加剧刀具磨损，并且切屑不易折断，可能导致切屑缠绕刀具的问题。

发明内容

本发明针对现有铣刀难以兼顾刀具刚性、排屑性和散热性的问题，提供一种具有良好的刚性，并且排屑和散热性能好的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀。

本发明的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，采用以下技术方案：

该立铣刀，包括柄部和切削部，切削部包括外周切削齿和容屑槽；外周切削齿的齿数为4，外周切削齿由第一前刀面、第二前刀面和后刀面组成，第一前刀面的径向剖面为直线型，第二前刀面的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标满足抛物线方程；后刀面的径向剖面为直线型；容屑槽包括主槽和副槽两部分，主槽与第二前刀面连接，主槽的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标均满足抛物线方程，副槽向外凸起，连接主槽和后刀面，副槽的径向剖面上所有点的坐标均满足方程y＝ax³+bx²+cx+d，其中a、b、c和d为常数，对于每一个外周切削刃的径向剖面，以刀具旋转中心为原点，以旋转中心和刀尖的连线为y轴。

外周切削齿的螺旋角为38°～40°。

第一前刀面的径向剖面的直线长度为1mm-2mm。

第一前刀面形成的第一前角γ₁为7°～10°。

第二前刀面形成的第二前角γ₂为55°～60°。

第二前刀面的径向剖面上所有点的坐标满足抛物线方程 $y=\frac{-(139.60~139.65)}{D}{x}^2+(1.30~1.35)x+(0.460~0.465)D,$ D为立铣刀的刃径。

后刀面的径向剖面的直线长度为0.1D-0.2D，D为立铣刀的刃径。

后刀面形成的后角为14°～18°。

主槽的径向剖面上所有点的坐标均满足方程 $y=\frac{149.20~149.25}{D}{x}^2+(1.380~1.385)x+(0.315~0.320)D,$ D为立铣刀的刃径。

所述副槽的径向剖面上所有点的坐标满足的方程y＝ax³+bx²+cx+d为 $y=\frac{-(57.60~57.65)}{D^2}{x}^3+\frac{22.95~23.00}{D}{x}^2-(3.70~3.75)x+(0.670~0.675)D,$ D为立铣刀的刃径。

本发明基于仿生学设计，模仿玉米叶子边缘的齿形结构，具有特殊的微刃结构和槽型，其前刀面由直线型和抛物线型两部分组成，第一前刀面优选了适合钛合金加工的角度，并保证了刀尖强度，第二前刀面使用较大的第二前角，减少了刀屑接触长度和切向力，减弱了切屑与前刀面的摩擦作用，从而剪切面的滑移变形和塑性应变减弱，有效地抑制了钛合金加工过程中锯齿形切屑的形成，切削加工过程更平稳，提高了工件表面质量和刀具寿命；容屑槽由抛物线型的主槽和三次曲线型的副槽组成，能够折断切屑，有利于切屑的排出，防止切屑缠绕刀具现象的产生；通过玉米叶子边缘齿的形状优化得到的齿形具有优异的强度，降低了崩刃或者断刀的可能性，提高了刀具寿命。构成本发明立铣刀的前刀面及槽型的参数可以分别调整，根据不同的加工工况协调保证刀具的排屑性能、切削刃强度和散热性能等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中切削部的径向剖面放大图。

图3是图2中外周切削刃的局部放大图。

图4是FEM仿真得到的直线型前刀面刀具切削的切屑形貌图。

图5是FEM仿真得到的直线和抛物线复合型前刀面刀具切削的切屑形貌图。

图6是两种类型刀具切削产生的切削力随切削时间变化的对比。

图7是两种类型刀具切削产生的工件应力随距已加工表面距离变化的对比。

图中：1、柄部；2、切削部；3、外周切削齿；4、容屑槽；5、端部切削齿；6、第一前刀面；7、第二前刀面；8、主槽；9、副槽；10、后刀面。

具体实施方式

本发明的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，特别适用于加工钛合金，是一种整体硬质合金立铣刀，其结构图1、图2和图3所示。该立铣刀包括柄部1和切削部2，柄部1的前部为切削部2。切削部2包括外周切削齿3和容屑槽4。外周切削齿3的齿数为4，齿间角为90°，外周切削齿3的螺旋角为38°～40°，对于每一个外周切削刃3的径向剖面定义坐标系为以刀具旋转中心为原点，以旋转中心和刀尖的连线为y轴，外周切削齿3具有独特的微刃结构，如图2(图中D为立铣刀刃径，d为芯厚,立铣刀的刃径D的取值范围为5mm-20mm，芯厚d为0.6D-0.75D)，包括第一前刀面6、第二前刀面7和后刀面10，第一前刀面6的径向剖面为直线型(参见图2)，长度Lq为1mm-2mm，第一前刀面6形成的第一前角γ₁为7°～10°(参见图3)；第二前刀面7的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标满足抛物线方程 $y=\frac{-(139.60~139.65)}{D}{x}^2+(1.30~1.35)x+(0.460~0.465)D,$ 第二前刀面7形成的第二前角γ₂为55°～60°(参见图3)；后刀面10的径向剖面为直线型，长度Lh为0.1D-0.2D，后角β为14°～18°(参见图3)。容屑槽4包括主槽8和副槽9两部分，主槽8与第二前刀面7平滑连接，主槽8的径向剖面上所有点的坐标均满足方程 $y=\frac{149.20~149.25}{D}{x}^2+(1.380~1.385)x+(0.315~0.320)D;$ 副槽9向外凸起，连接主槽8和后刀面10，副槽9的径向剖面上所有点的坐标均满足方程 $y=\frac{-(57.60~57.65)}{D^2}{x}^3+\frac{22.95~23.00}{D}{x}^2-(3.70~3.75)x+(0.670~0.675)D.$

外周切削齿3的端部设置有端面切削齿5。

在本实例中，D＝20mm，d＝12-15mm，Lh＝2-4mm，Lq＝1-2mm，γ₁＝7°～10°，γ₂＝55°～60°，β＝14°～18°；4个外周切削齿3的形状相同，在图2中以点O作为原点，曲线a、曲线b和曲线c的点坐标分别满足公式：y＝-6.98x²+1.30x+9.27、y＝7.46x²-1.38x+6.35和y＝-0.146x³+1.149x²-3.702x+13.415。

使用通用有限元软件ABAQUS构建钛合金高速切削的二维正交切削模型，分别对直线前刀面齿形和本发明公开的复合型齿形的切削过程进行仿真分析。直线前刀面齿形的前后角分别为10°和14°，复合型齿形的第一前角为10°，第二前角为58°，后角为14°。两个模型的切削厚度和切削速度相同，切削速度为240m/min，切削厚度为0.25mm。有限元仿真得到的切屑形貌分别如图4和图5所示，可看出本发明公开的刀具有效地抑制了锯齿形切屑的形成。图6所示为切削力随切削时间的变化规律，本发明公开的刀具切削钛合金时切削力的波动小，刀具收到的冲击作用减弱。图7所示为工件残余应力随距已加工表面距离的变化规律，据工件表面0.1mm的范围内，工件受切削作用的影响较大，可见本发明公开的刀具切削过程中对工件已加工表面的挤压作用较弱，有助于提高工件表面质量。

根据学者对金属切削的滑移线模型的研究(如：基于滑移线理论的微切削刀—屑接触长度和切削力研究[D].燕山大学,2007；基于滑移线理论的切屑上卷半径计算与分析[J].机械设计,2013,30(012):54-57.)，刀屑接触长度很大一部分是第二前刀面与切屑的接触，第二前角对切削过程具有重要影响；随着第二前角的增大，刀屑接触长度和切削过程中的切向力减少。本发明公开的具有特殊微刃结构和槽型的整体硬质合金立铣刀具有较大的第二前角，刀屑接触长度和切向力较小，减弱了切屑与前刀面的摩擦作用，从而剪切面的滑移变形和塑性应变减弱，有效地抑制了钛合金加工过程中锯齿形切屑的形成，如图5所示，切削加工过程更平稳，提高了工件表面质量和刀具寿命。抛物线型的主槽8和三次曲线型的副槽9组成的容屑槽4，能够折断切屑，有利于切屑的排出，防止切屑缠绕刀具现象的产生。通过玉米叶子边缘齿的形状优化得到的齿形具有优异的强度，降低了崩刃或者断刀的可能性，提高了刀具寿命。构成本发明立铣刀的前刀面及槽型的参数可以分别调整，根据不同的加工工况协调保证刀具的排屑性能、切削刃强度和散热性能等。

Claims (10)

1.一种基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，包括柄部和切削部，切削部包括外周切削齿和容屑槽；其特征是，外周切削齿的齿数为4，外周切削齿由第一前刀面、第二前刀面和后刀面组成，第一前刀面的径向剖面为直线型，第二前刀面的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标满足抛物线方程；后刀面的径向剖面为直线型；容屑槽包括主槽和副槽两部分，主槽与第二前刀面连接，主槽的径向剖面为抛物线型，其上所有点的坐标均满足抛物线方程，副槽向外凸起，连接主槽和后刀面，副槽的径向剖面上所有点的坐标均满足方程y＝ax³+bx²+cx+d，其中a、b、c和d为常数，对于每一个外周切削刃的径向剖面，以刀具旋转中心为原点，以旋转中心和刀尖的连线为y轴。

2.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述外周切削齿的螺旋角为38°～40°。

3.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述第一前刀面的径向剖面的直线长度为1mm-2mm。

4.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述第一前刀面形成的第一前角γ₁为7°～10°。

5.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述第二前刀面形成的第二前角γ₂为55°～60°。

6.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述第二前刀面的径向剖面上所有点的坐标满足抛物线方程 $y=-\frac{(139.60~139.65)}{D}{x}^2+(1.30~1.35)x+(0.460~0.465)D,$ D为立铣刀的刃径。

7.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述后刀面的径向剖面的直线长度为0.1D-0.2D，D为立铣刀的刃径。

8.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述后刀面形成的后角为14°～18°。

9.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述主槽的径向剖面上所有点的坐标均满足方程 $y=\frac{149.20~149.25}{D}{x}^2-(1.380~1.385)x+(0.315~0.320)D,$ D为立铣刀的刃径。

10.根据权利要求1所述的基于仿生学具有特殊槽型和微刃结构的立铣刀，其特征是，所述副槽的径向剖面上所有点的坐标满足的方程y＝ax³+bx²+cx+d为 $y=\frac{-(57.60~57.65)}{D^2}{x}^3+\frac{22.95~23.00}{D}{x}^2-(3.70~3.75)x+(0.670~0.675)D,$ D为立铣刀的刃径。