CN104493273A - 一种用于加工带锯条的滚铣刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加工带锯条的滚铣刀，包括刀体和刀齿，所述刀齿有多排，每排刀齿之间设有刀槽，前后排刀齿交错排列。该种结构的滚铣刀能有效降低切削力，能够避免机床的过载，其次也应该避免过大的冲击载荷，从而提高带锯条的加工精度。

Description

一种用于加工带锯条的滚铣刀

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体地涉及一种用于加工带锯条的滚铣刀。

背景技术

双金属带锯条是一种金属切割下料的高新技术产品，它的出现，迅速超越并取代了其他传统的锯切方式，成为金属切割行业的主流工具。

过去，一部分厂商利用成形铣原理针对其齿形设计出相应的排齿滚铣刀加工双金属带锯条，尽管在某些齿形上一样能加工出相应的齿形，但是由于加工工件相对较薄，未热处理前刚性较差，如果一起工作的齿数较多，将会导致切削变形非常大，主切削力值的波动一样也很大，刀具磨损的很快，并且刃磨极其困难，不利于刀具使用寿命，成本非常高，而且加工出来的齿形精度并不高。即便采用螺旋式容屑槽,虽能解决切削不平稳性问题,但螺旋式容屑槽加工制造成本高，对某些齿形的带锯条的加工是不合适的。还有部分厂家利用线切割技术试图直接得到所需要的各种齿形，但其效率极低且加工误差很大，精度远远达不到要求。

因此，针对排齿滚铣刀以及线切割的这些缺点，从两方面重新考虑新型滚铣刀的设计，首先要有效降低切削力，能够用避免机床的过载，其次也应该避免过大的冲击载荷，从而提高带锯条的加工精度。

发明内容

本发明旨在提供一种切削力小，加工精度高的用于加工带锯条的滚铣刀。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种用于加工带锯条的滚铣刀，包括刀体和刀齿，所述刀齿有多排，每排刀齿之间设有刀槽，前后排刀齿交错排列。

进一步的，所述刀体为圆柱形，所述刀槽为直槽或者螺旋槽。

进一步的，所述刀齿由铲刀铲制而成，所述铲刀采用径向铲齿法铲齿。

进一步的，所述铲刀采用斜向铲齿法铲齿。

进一步的，所述斜向铲齿的倾斜角度满足下列关系：

其中，τ为斜铲角度，为刀刃上任意点x的切线与端面的夹角，α_nx为法向后角，K_τ代表沿这个斜铲方向的铲齿量，Z为齿数，R_x为刀刃上任意点x的半径。

进一步的，所述刀体为圆锥形，所述刀槽为螺旋槽。

进一步的，所述刀齿具有不同的齿距和齿深，所述刀槽为等导程变螺旋角，所述大小端刀槽宽度对应的中心角相等。

进一步的，所述螺旋角与导程的满足下列关系：

其中，D_x为不同位置的直径，T为导程，为理论螺旋角。

进一步的，所述齿距满足下列关系：

$Z^{\′}=\frac{t^{\′}(k_1-\frac{k_2}{n})}{1-\frac{t^{\′}}{T}\cos \mathrm{\α}}$

其中，Z′表示一个刀槽螺旋面与几个刀齿螺旋面相交的坐标值，n为刀齿螺旋线头数，k₁＝1、2、3……，k₂＝n……2、1、0，T为导程，α为半锥角，t′是刀齿螺旋线在母线上的导程。

进一步的，所述的刀槽为不等深刀槽。

本发明的滚铣刀，它有以下几方面的优点：

(1)交错齿滚铣刀不是全部齿形参与切削，只是由其齿形全高的一部分进行切削，有利于降低刀具负担，提高刀具使用寿命。

(2)交错齿滚铣刀使以前较长的切削廓形分成了若干段，切削宽度大大减小，不仅有利于分屑，也减小了切削力，提高了切削平稳性。

(3)交错齿滚铣刀加工双金属带锯条时，切削力的分布趋于平缓，减小了切削冲击力。

(4)这种结构实际上增大了两齿间的齿距，铲磨变得更加方便，降低了成形滚铣刀的制造难度。

附图说明

图1是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的原理示意图；

图2是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的等齿距带锯条0前角等齿距带锯条结构示意图；

图3是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的圆柱形直槽和螺旋槽滚铣刀结构示意图；

图4是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的径向铲齿示意图；

图5是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的斜向铲齿示意图；

图6是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的圆锥形等齿距直槽和螺旋槽滚铣刀结构示意图；

图7是本发明用于加工带锯条的滚铣刀的圆锥形变齿距直槽和螺旋槽滚铣刀结构示意图；

图8是本发明用于加工带锯条的圆锥等螺旋角螺旋槽滚铣刀的圆锥面与螺旋面的关系图；

图9是本发明用于加工带锯条的圆锥斜铲等导程螺旋滚铣刀与刀槽相交的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

过去成形铣的原理仅仅是切削刃的廓形根据工件廓形设计。

而新型仿形滚铣原理是，在成形铣原理的基础上，利用滚铣刀前后排齿交错排列，刀齿的交错结构如图1所示，刀具的结构以及交错齿的等高线位置根据带锯条的齿形有不同的形式，滚铣刀属于专用刀具，刀具为整体式构造，刀体与刀齿制成一体。从图1可以看出，只有刀齿的部分切削刃参与切削。其中，t代表带锯条工件的齿距(齿距可变)。实线代表单数排齿形，虚线代表双数排齿形，实线为交错齿等高线，即滚铣刀加工带锯条过程中铣出的锯齿尖所在的平面线，每个交错点即齿尖的位置，滚铣刀的齿形决定了交错点的位置，一般每个生产厂家有自己的等高线误差范围。图1中，实线以上部分为滚铣刀的实际切削刃，它是由所需要加工的带锯条齿形决定的。

1、圆柱交错齿滚铣刀

对于如下图2所示的0前角(1线与直刃平行)等齿距带锯条(齿距亦可变)，采用设计的圆柱交错滚铣刀对其进行加工。

铣刀有效切削刃的齿形是根据指定的带锯条来选取(与带锯条一致)，除铣刀的直径由加工工艺和专用数控铣床的参数来决定外，所有的参数按照成形铣刀来选取，最终得到的滚铣刀模型如图3所示。左图为圆柱直槽滚铣刀，直槽的主要优点在于可以最大程度上保证加工齿的齿形精度，而且刃磨前刀面也较方便。右图为圆柱螺旋槽滚铣刀，螺旋槽的主要优点在于，由于螺旋角的存在，使滚铣刀具有斜角切削的特点，从切入到切出，各刀齿的主切削刃工作长度随刀齿的位置变化而变化，所以切削过程很平稳。此外，螺旋槽滚铣刀排屑能力强的同时铣削时减少了断续切削带来的冲击力，能提高铣削的生产效率和刀具寿命，当然也能相应地提高机床的寿命(若齿距为变齿距，模型上的齿距也会发生相应的变化)。

2、斜铲齿原理

通常刃形复杂的成形铣刀一般都做成铲齿形式，用钝后则重磨。而为了保证刀具具有合理的后角，一般采用的是径向铲齿法。其实，铲刀也就是平体成型车刀，径向铲齿的过程如图4。

当铣刀匀速回转时，铲刀沿半径方向向铣刀中心等速前进，铣刀转过δ角，铲刀铲出一个刀齿的齿背(图中的齿顶面1-2和齿侧面1-2-6-5)，当铣刀继续转过(ε-δ)角度时，铲刀退回原位。这就是一个铲齿的行程，重复整个过程即可铲削完所有的刀齿。图中的k即为铲齿量，其实也就是假设铲刀铲完齿背后不往回退，而是沿齿背曲线1-2-3-7一直铲下去，那么铣刀转过一个齿间角时，铲刀前进的距离。

在新型交错齿滚铣刀设计中，由于有些齿形有直刃的存在，为了保证每一点都有足够的法向后角，改善切削加工条件，则需要将其结构进行进一步的改进，而对此可以采用斜铲齿的方法如图5所示。

斜向铲齿法是铲齿时将铲刀的运动方向由径向改成与滚铣刀的端面倾斜一个角度τ，然后再进行铲齿，对于滚铣刀来说，根据所需要的法向后角，可以利用下式选取斜铲角度。

式中，τ为斜铲角度，为刀刃上任意点x的切线与端面的夹角，α_nx为法向后角，K_τ代表沿这个斜铲方向的铲齿量，Z为齿数，Rx为刀刃上任意点x的半径。

3、圆锥交错齿滚铣刀

由于双金属带锯条在切割毛坯料时没有前角，会使得刃部极易磨损，而磨损的锯条必须进行重磨才能继续使用，这样就降低了机床的生产效率，增加了生产成本，于是带前角的带锯条锯齿应运而生。

锯齿的前角一般为3—10°，在切割工件时，锯条自身能产生附加的进给压力，前角越大，进给压力也就越大；而切削力越大，这个附加压力也就越大。这个前角可以为锯条减压，延长寿命。

另一方面，对于加工制造带前角的双金属带锯条，若继续使用圆柱滚铣刀，则进给的时候，可能会发生干涉将锯齿的前角打掉，而要得到优良正前角的刀齿，则必须采用锥形滚铣刀。

锥形等齿距滚铣刀如图6所示。

而对于变齿距圆锥滚铣刀而言，结构如下：

铣刀通常为锥形(图7)，锯齿的正前角等于铣刀的半锥角α，铣刀的刀齿具有不同的齿距和不同的齿深，滚铣刀各齿顶的连线即圆锥母线实际上是一条折线，铣刀的刀槽为等导程、变螺旋角、不等深的槽(这里是指螺旋槽滚铣刀)，不同轴向位置的螺旋角会随着直径的变化而各不相等。由于大小端刀槽宽度对应的中心角应相等，所以大端的槽宽大于小端槽宽。滚铣刀一样是交错仿形加工带锯条，铣刀相邻刀槽的刀齿并不排列在同一圆周上，而滚铣刀同一圆周的齿数不等于刀槽数，通常为刀槽数的一半。另外，铣刀刀齿的高度大于带锯条的锯齿高度，铣刀的宽度为变距周期长度的某一倍数加上一首端齿距。

4、锥状带锯条滚铣刀螺旋面的研究(确定可变齿距锥形螺旋槽滚铣刀结构原理)

而对于刀槽形式为螺旋槽的滚铣刀而言，圆锥滚铣刀与圆柱滚铣刀的主要区别在于它的螺旋角与导程不能同时为常数，所以圆锥滚铣刀的刀槽要么是等螺旋角变导程，要么是等导程变螺旋角，下面是对两种螺旋面的理论分析。

一、等螺旋角变导程刀槽

由图8所示等螺旋角螺旋线(圆锥面与对数螺旋面的相贯线)可从理论上算得

$t^{\′}=\frac{2\mathrm{\π}{H}^{\′}}{\mathrm{In}(\frac{H^{\′}}{r_0}\sin \mathrm{\α}+1)\frac{\tan \mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\ω}}+2\mathrm{\π}}$

或 $\mathrm{\ω}=\arctan \left[\frac{\tan \mathrm{\α}(\frac{2\mathrm{\π}{H}^{\′}}{t^{\′}}-2\mathrm{\π})}{\mathrm{In}(\frac{H^{\′}}{r_0}\sin \mathrm{\α}+1)}\right]$

其中，ω是实际螺旋角；t′是刀齿螺旋线在母线上的导程；H′为同一条刀齿螺旋线上相邻两齿在母线方向上的齿距与一个导程内刀齿数的乘积；r₀为圆锥面上θ＝0处的原始半径；α为圆锥半锥角。

螺旋角若相等，可见导程必定发生变化，对于滚铣刀而言，相当于齿的宽度不一致。

另一方面，等螺旋角刀槽的制造需要在卧式万能铣床上进行，通常是将工件(刀具)夹持在分度头主轴上，通过挂轮将分度头主轴的旋转运动与工作台的直线运动联系起来，工件一边绕自身轴线匀速旋转一边随工作台纵向进给，形成螺旋角相等的螺旋线。而其工作的转动角速度向量与移动速度向量是非线性变化的，采用不封闭的平面非圆齿轮传动(其瞬时角速度比按某种既定的运动规律而变化)，一般地，挂轮传动比的计算式如下：

其中P₁为工作台丝杠螺距，T为导程，D为工件外径，为刀具理论螺旋角。

从理论上，导程越大，传动比越小，对于圆柱螺旋槽滚铣刀，其导程：

而对于圆锥滚铣刀，导程将会更大，如果铣削宽度为L′，则加工一个螺旋刀槽需要的圈数而工件的转角：

实际上非圆齿轮的工作角度一般小于360°，因此非圆齿轮与丝杠之间的传动比将非常大。而铣床在加工中实际上很难达到要求，为了保证精度和齿形的正确，必须要改装分度头以降低主轴转速使传动比增大，铣削过程非常复杂。

等螺旋角刀槽其优点是可以使轴向前角保持一致，工作条件接近，切削力分布比较均匀，有利于提高加工质量和刀具耐用度。但对于圆锥滚铣刀而言，当等螺旋角刀槽铣刀铲背时，差动挂轮的配置要选用一个常数代替受导程值，这样会使铲削点不能全部落在刀槽的一侧上，偏离的结果会使铣刀的圆锥母线失去直线性。

综上所述，带锯条滚铣刀不宜采用等螺旋角刀槽。

二、等导程变螺旋角刀槽

若锥状带锯条滚铣刀采用等导程变螺旋角刀槽，显然螺旋角将会随圆锥上各点直径的不同成正比变化。

假设一动点a从圆锥顶点沿锥面母线方向作匀速移动，同时圆锥绕自身轴线作匀速转动，很明显这个动点的轨迹将是在锥面上形成一条螺旋线。假设圆锥转动刀某一弧度时，动点a移动的距离为P，则若a移动距离为ρ时，圆锥转过的角度ε为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ρ}}{P}$

而此时，圆锥展开平面转过的角度θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{U}{\mathrm{\ρ}}=\frac{\mathrm{\ϵ\ρ}\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\ρ}}=\mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\α}$

其中，α为半锥角，U为a在移动距离为ρ时转过的弧长。

于是结合两个式子可以得到：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P}{\sin \mathrm{\α}}\mathrm{\θ}$

这就是等导程圆锥螺旋线在锥面展开平面的曲线方程，由P和α都是常数，令

$K_2=\frac{P}{\sin \mathrm{\α}}$

所以得到

ρ＝K₂θ

显然这是阿基米德螺线方程，在曲线上任意一点的向径与切线的夹角为等导程螺旋线的螺旋角，而这个螺旋角ω也将随着锥度直径的不同而自行变化。

如果采用螺旋斜向铲齿法，这种刀槽与等导程螺旋面相交(如图9)，圆锥面上的两条螺旋线起源于同一点M₁，M₁N—N′M为圆锥展开面上的刀齿螺旋线，M₁K为刀槽螺旋线，沿刀槽螺旋线上升到M₂点经过θ角，即第二次相交时有

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_1^{\′}=\frac{t^{\′}}{2\mathrm{\π}}(2\mathrm{k\π}\±\mathrm{\θ})\\ Z_1^{\′}=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中T为刀槽的导程值，当k＝1时，又有

Z′₁＝Z′＝Zt

式中，Z为刀齿螺旋线一个导程内的齿数，t代表同一刀齿螺旋线上相邻刀齿在母线方向的距离(对变距铣刀等于一个周期的长度)，可由T确定对应的t′值：

$t^{\′}=\frac{\mathrm{TZt}}{T\±\mathrm{Zt}\cos \mathrm{\α}}$

当两种螺旋线螺旋方向相同时取“+”，相反时取“-”，通常设计中，取成同向，可使t′值减小，铲背时斜铲角小些便于加工。

同样，滚铣刀表面有m个刀槽，几个参数刀齿螺旋面，故在一个刀槽螺旋面上与几个刀齿螺旋面相交的Z′坐标值可变为：

$Z^{\′}=\frac{t}{2\mathrm{\π}}(2k_1\mathrm{\π}+\mathrm{\θ}\±\frac{2\mathrm{\π}}{n}{k}_2)$

其中k₁＝1、2、3……

n为刀齿螺旋线头数

k₂＝n……2、1、0

可联立求得

$Z^{\′}=\frac{t^{\′}(k_1-\frac{k_2}{n})}{1-\frac{t^{\′}}{T}\cos \mathrm{\α}}$

因此，等导程变螺旋角螺旋槽滚铣刀可以精确得到标准的齿距。

对于锥度较小的铣刀，可采用不等深铣削法，而锥状带锯条滚铣刀的锥角一般为工件锯齿的2倍前角，也就是说半锥角与前角相等，所以采用不等深刀槽铣削法，不会影响刀齿的强度，这种方法是将工件水平装夹在工作台上，按假想的圆柱表面加工螺旋槽的方法进行。工作台的旋转角度，按初铣端的直径对应的螺旋角调整，然后将旋转台固定，加工时切深随锥度而变化，螺旋角也将随着锥度直径的不同而自行变化。这样，铣出的螺旋刀槽，大端深，小端浅，也便于加工制造。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种用于加工带锯条的滚铣刀，包括刀体和刀齿，所述刀齿有多排，每排刀齿之间设有刀槽，其特征在于，前后排刀齿交错排列。

2.根据权利要求1所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述刀体为圆柱形，所述刀槽为直槽或者螺旋槽。

3.根据权利要求1所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述刀齿由铲刀铲制而成，所述铲刀采用径向铲齿法铲齿。

4.根据权利要求3所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述铲刀采用斜向铲齿法铲齿。

5.根据权利要求4所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述斜向铲齿的倾斜角度满足下列关系：

其中，τ为斜铲角度，为刀刃上任意点x的切线与端面的夹角，α_nx为法向后角，K_τ代表沿这个斜铲方向的铲齿量，Z为齿数，Rx为刀刃上任意点x的半径。

6.根据权利要求1所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述刀体为圆锥形，所述刀槽为螺旋槽。

7.根据权利要求6所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述刀齿具有不同的齿距和齿深，所述刀槽为等导程变螺旋角，所述大小端刀槽宽度对应的中心角相等。

8.根据权利要求7所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在 于，所述螺旋角与导程的满足下列关系：

其中，D_x为不同位置的直径，T为导程，为理论螺旋角。

9.根据权利要求7所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述齿距满足下列关系：

其中，Z′表示一个刀槽螺旋面与几个刀齿螺旋面相交的坐标值，n为刀齿螺旋线头数，k₁＝1、2、3……，k₂＝n……2、1、0，T为导程，α为半锥角，t′是刀齿螺旋线在母线上的导程。

10.根据权利要求6或7所述的用于加工带锯条的滚铣刀，其特征在于，所述的刀槽为不等深刀槽。