CN104625193A - 一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，包括步骤：⑴、将铣刀断屑槽理论型线置于绘图工具软件AutoCAD坐标系中，在该坐标系中建立铣刀断屑槽型线的数学模型，推导出算法，得到铣刀断屑槽型线的数学表达，依据铣刀断屑槽型线的数学表达编写计算机程序；⑵、将编写的计算机程序加载在AutoCAD中，输入铣刀断屑槽特征参数值X、Z、r、M的值，由AutoCAD自动绘出断屑槽型线；⑶、将断屑槽型线导入机床控制系统的num软件，进行铣刀断屑槽加工程序编辑，由机床加工出铣刀断屑槽。

Description

一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法

技术领域

本发明涉及金属切削刀具制造技术，具体说，是一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法。

背景技术

汽轮机转子动叶片装配轮上的圣诞树形轮槽，其型线异常复杂，且对加工精度的要求很高，技术难点多，难度大。为了实现加工作业的高转速、大切深、快走刀，所采用的切削刀具为三维复杂槽型的波形刃轮槽半精铣刀。该复杂槽型铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽呈波纹状，且各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数。由于有了断屑槽，在切削作业中，切屑立即断掉，刃口各点具有较平稳的切削条件、抑制颤振能力良好，从而具有加工效率高、减振性能好、耐用度高、使用寿命长等特点，在汽轮机转子加工行业得到了广泛使用，需求量巨大。

起断屑作用的是断屑槽的上半波，与下半波毫无关系，铣刀实际使用经验表明，断屑槽波纹型线的波形密(即波长短)、上半波平缓(即半径大)，则抑制颤振能力强，切削平稳，断屑效果好，刃口磨损小。可见波纹密度与上半波平缓度是一对矛盾，不好兼顾。以往的断屑槽型线是正弦波，上、下半波半径相同，未能解决这一矛盾，使得它的上述优点尚未充分发挥。

为此，申请人对断屑槽型线做了改进，在保持波纹密度不变的情况下，放大上半波圆弧半径，缩小下半波圆弧半径，实际使用表明，铣刀的技术性能优异，抑制颤振能力更强，切削更平稳，断屑效果更好，刃口磨损更小(见申请人的前期专利申请，申请号：201410846249.4)。

要加工铣刀的断屑槽，首先要画出它的波纹型线，再将绘制好的型线导入数控机床控制系统的NUM软件，自动生成加工程序，才能加工出断屑槽。

以往，上述铣刀断屑槽型线的绘制，都是技术人员用AutoCAD绘图工具软件手工绘制，其绘制过程是：根据断屑槽型线的设计参数波长X、波深Z、齿数M绘制出理论型线L；将理论型线定距等分；将等分型线偏移出辅助型线；根据理论型线L和辅助型线上的等分节点画出上半波；将相邻弧线段倒圆角画出下半波、得第一条波纹型线。将理论型线截去波长/齿数并重复以上步骤得第二条波纹型线；以此类推得到其余(通常齿数为三个或四个，因而对应的波纹型线即为三条或四条)波纹型线；上述绘制过程均由技术人员精心计算，仔细操作，一笔一画的手动完成，整个过程在不间断的情况下一般需要耗费4～6小时，而且因绘制步骤冗长繁琐，难免计算、操作失误，不能保证型线的正确性。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，该方法借助一个新开发的绘图软件，只需输入断屑槽型线的特征参数值，即可在1秒中内自动画出断屑槽型线，极大地缩短了技术准备的时间。其技术方案是：

一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，该铣刀的刃口型线是圣诞树形，齿数M＝3或4，铣刀的前角为10°、螺旋角为3～10°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：

R＞r；且R＝X²/(8Z)+Z/2-r；

L₁＝X(2/3)；

L₂＝X(1/3)；

式中参数定义：

X-波长，相邻两波峰或波谷的距离；

Z-波深，上半波幅值与下半波幅值之和；

R-上半波圆弧半径；

r-下半波圆弧半径；

L₁-上半波圆弧弦长；

L₂-下半波圆弧弦长；

该方法包括步骤：

⑴、将铣刀断屑槽理论型线置于绘图工具软件AutoCAD坐标系中，在该坐标系中建立铣刀断屑槽型线的数学模型，推导出算法，得到铣刀断屑槽型线的数学表达，依据铣刀断屑槽型线的数学表达编写计算机程序；

⑵、将编写的计算机程序加载在AutoCAD中，输入铣刀断屑槽特征参数值X、Z、r、M的值，由AutoCAD自动绘出断屑槽型线；

⑶、将每一条型线与理论型线都复制到坐标圆点(0，0)，将画好的型线与理论型线对比，加工不到的地方用理论型线代替，得到刀具刃口加工型线，然后将此型线打散，导入机床控制系统的num软件，即可进行铣刀断屑槽加工程序编辑，由机床加工出铣刀断屑槽。

所述步骤⑴的详细步骤是：

A、将铣刀断屑槽理论型线置于AutoCAD坐标系中，并将理论型线按1/3波长定距等分，在任一上半波所在圆的圆周上任取三个点P₀、P₁、P₂做一内接三角形，设圆心坐标为C₂(x，y),三角形的3个顶点坐标分别为P₀(x₀，y₀)、P₁(x₁，y₁)、P₂(x₂，y₂)，则有

三角形P₀P₁P₂的面积A为：

A＝1/2[(x₀y₁-x₁y₀)+(x₁y₂-x₂y₁)+(x₂y₀-x₀y₂)]

三角形P₀P₁P₂的三边长度分别为：

L₁₀＝sqrt((x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²)

L₂₀＝sqrt((x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²)

L₁₂＝sqrt((x₁-x₂)²+(y₁-y₂)²)

由正弦定理得：

A＝1/2(L₁₀×h)＝1/2(L₁₀×L₁₂×sin(P₁))③；

由②、③可推出三角形外接圆的半径R为：

R＝1/4A(L₁₀×L₂₀×L₁₂)；

三角形P₀P₁P₂外接圆的圆心坐标亦即上半波圆弧的圆心坐标

C2(x，y)为：

x＝x₀+(Y₂*L₁₀ ²-Y₁L₂₀ ²)/4A；

y＝y₀+(X₁*L₂₀ ²-X₂L₁₀ ²)/4A；

已知上半波圆弧的弦长L₁＝波长X(2/3)；

这样，就得到断屑槽型线上半波的数学表达；

设与下半波圆弧相切的左、右两个上半波圆弧所在圆的圆心分别为C₀、C₁，半径均为R；

以C₀为圆心，(R+r)为半径做一新圆，则该新圆的方程为：

(x-C₀x)²+(y-C₀y)²＝(R+r)²

以C₁为圆心，(R+r)为半径做另一新圆，则该新圆的方程为：

(x-C₁x)²+(y-C₁y)²＝(R+r)²

两新圆具有上、下两个交点，其中上交点即下半波所在圆的圆心C₂，解上述方程，计算出上交点的坐标，即得到下半波所在圆的圆心坐标；

已知下半波圆弧弦长L₂＝波长X(1/3)；

下半波圆弧半径r为设计给定值；

这样，就得到断屑槽型线下半波的数学表达；

B、再将所有圆弧转化为多线段，用凸度公式反推多线段每一段的凸度，即每个圆弧表示为一条具有确定长度和凸度的线段，长度就是圆弧的弦长，凸度＝tan(α/4)＝h/s；式中：α为圆弧所对应的角度；h为圆弧的幅值；s为弦长/2；

这样，就得到就得到断屑槽型线的数学表达；

C、依据上述数学表达编写计算机程序，按如下规定写出代码：

-如果圆弧从起点到终点是顺时针走向则凸度为负数，“0”表示直线，“1”表示半圆；

-当终点角度小于起点角度时，应加上2π；

-表示顺时针方面的弧度时，在这个值前面加负号。

本发明的有益效果：

通过新开发的绘图软件，替代人工绘制断屑槽型线，无需计算和手动操作，直接输入型线的特征参数波长、波深、下半波圆弧半径、齿数的值，AutoCAD即自动绘出断屑槽型线，极大地缩短了技术准备的时间，且避免了人工绘制可能出现的计算、操作失误，确保型线的正确性。

附图说明

图1是断屑槽型线线波形示意图

图2是断屑槽型线特征参数示意图

图3是断屑槽型线上半波数学推导示意图

图4是断屑槽型线下半波数学推导示意图

图5是圆弧转化为线段时的凸度示意图

图6是凸度值为正的逆时针圆弧示意图

图7是凸度值为负的顺时针圆弧示意图。

具体实施方式

本铣刀是加工汽轮机转子动叶片装配轮上的圣诞树形(即枞树形)轮槽的专用刀具，它的刃口型线是圣诞树形，齿数M＝3或4，铣刀的前角为10°、螺旋角为3～10°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数。

参见图1，其中实线部分就是断屑槽型线，它的波形特点是：上、下半波都是圆弧，上、下半波的连接点是圆弧切点。

参见图2，该断屑槽型线满足如下关系：

R＞r；且R＝X²/(8Z)+Z/2-r；

L₁＝X(2/3)；

L₂＝X(1/3)；

式中参数定义：

X-波长，相邻两波峰或波谷的距离；

Z-波深，上半波幅值与下半波幅值之和；

R-上半波圆弧半径；

r-下半波圆弧半径；

L₁-上半波圆弧弦长；

L₂-下半波圆弧弦长。

该断屑槽的加工方法包括如下步骤：

⑴、将铣刀断屑槽理论型线置于绘图工具软件AutoCAD坐标系中，在该坐标系中建立铣刀断屑槽型线的数学模型，推导出算法，得到铣刀断屑槽型线的数学表达，依据铣刀断屑槽型线的数学表达编写计算机程序，详细步骤是：

A、将铣刀断屑槽理论型线置于AutoCAD坐标系中，并将理论型线按1/3波长定距等分，然后在该坐标系中建立断屑槽理论型线的数学模型。

参见图3，在型线任一上半波所在圆的圆周上任取三个点P₀、P₁、P₂做一内接三角形，设圆心坐标为C₂(x，y),三角形的3个顶点坐标分别为P₀(x₀，y₀)、P₁(x₁，y₁)、P₂(x₂，y₂)，则有

三角形P₀P₁P₂的面积A为：

A＝1/2[(x₀y₁-x₁y₀)+(x₁y₂-x₂y₁)+(x₂y₀-x₀y₂)]

三角形P₀P₁P₂的三边长度分别为：

L₁₀＝sqrt((x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²)

L₂₀＝sqrt((x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²)

L₁₂＝sqrt((x₁-x₂)²+(y₁-y₂)²)

由正弦定理得：

A＝1/2(L₁₀×h)＝1/2(L₁₀×L₁₂×sin(P₁))③；

由②、③可推出三角形外接圆的半径R为：

R＝1/4A(L₁₀×L₂₀×L₁₂)；

三角形P₀P₁P₂外接圆的圆心坐标亦即上半波圆弧的圆心坐标

C2(x，y)为：

x＝x₀+(Y₂*L₁₀ ²-Y₁L₂₀ ²)/4A；

y＝y₀+(X₁*L₂₀ ²-X₂L₁₀ ²)/4A；

已知上半波圆弧的弦长L₁＝波长X(2/3)；

这样，就得到断屑槽型线上半波的数学表达。

参见图4，设与下半波圆弧相切的左、右两个上半波圆弧所在圆的圆心分别为C₀、C₁，半径均为R；

以C₀为圆心，(R+r)为半径做一新圆，则该新圆的方程为：

(x-C₀x)²+(y-C₀y)²＝(R+r)²

以C₁为圆心，(R+r)为半径做另一新圆，则该新圆的方程为：

(x-C₁x)²+(y-C₁y)²＝(R+r)²

两新圆具有上、下两个交点，其中上交点即下半波所在圆的圆心C₂，解上述方程，计算出上交点的坐标，即得到下半波所在圆的圆心坐标；

已知下半波圆弧弦长L₂＝波长X(1/3)；

下半波圆弧半径r为设计给定值；

这样，就得到断屑槽型线下半波的数学表达。

B、再将所有圆弧转化为多线段，参见图5，用凸度公式反推多线段每一段的凸度，即每个圆弧表示为一条具有确定长度和凸度的线段，线段的长度就是圆弧的弦长，凸度＝tan(α/4)＝h/s；式中：α为圆弧所对应的角度；h为圆弧的幅值；s为弦长/2。

下半圆弧幅值h_下＝r-sqrt(r²-(1/36)X²)，其中r为已知下半圆弧的半径，X为已知波长；

S_下＝(1/2)L₂＝(1/2)*(1/3)X＝1/6X；其中L₂为下半圆弧的弦长，且L₂＝1/3X

故下半圆弧的凸度＝tan(α/4)＝h_下/s_下＝(r-sqrt(r²-(1/36)X²))/(1/6X)；

且上半圆弧的h_上＝Z-h_下，其中Z为已知波深

S_上＝(1/2)L₁＝(1/2)*(2/3)X＝(1/3)X；其中L₁为上半圆弧的弦长，且L1＝(2/3)X

故上半圆弧的凸度＝tan(α/4)＝h_上/s_上＝(Z-h_下)/(1/3X)＝(Z-r-sqrt(r²-(1/36)X²))/(1/3X)；

这样，就得到断屑槽型线的数学表达。

C、依据上述数学表达编写计算机程序，按如下规定写出代码：

如果圆弧从起点到终点是顺时针走向则凸度为负数，“0”表示直线，“1”表示半圆。

参见图6、图7，在AutoCAD中规定，圆弧的走向始终是逆时针走向，所以终点角度应大小起点角度(以圆心为原点，以X轴正方向为0，逆时针旋转为正角)。当终点角度小于起点角度时，应加上2π，这样得到的凸度值表示逆时针走向的凸度，当需要表示顺时针方面的弧度时，需要在这个值前面加负号。

⑵、将编写的计算机程序加载在AutoCAD中，输入铣刀断屑槽特征参数值的值，由AutoCAD自动绘出断屑槽型线，并将该型线根据铣刀螺旋方向向左或向右偏移波长X/齿数M，得到第二条型线，偏移2倍波长X/齿数M，得到第三条型线，如果铣刀是4齿，则再偏移3倍波长X/齿数M，得到第四条型线。编程时包括偏移程序，偏移步骤仍由AutoCAD完成。

⑶、将每一条型线与理论型线都复制到坐标圆点(0，0)，将画好的型线与理论型线对比，加工不到的地方用理论型线代替，得到刀具刃口加工型线，然后将此型线打散，导入机床控制系统的num软件，即可进行铣刀断屑槽加工程序编辑，由机床加工出铣刀断屑槽。

Claims (2)

1.一种复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，该铣刀的刃口型线是圣诞树形，齿数M＝3或4，铣刀的前角为10°、螺旋角为3～10°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：

R＞r；且R＝X²/(8Z)+Z/2-r；

L₁＝X(2/3)；

L₂＝X(1/3)；

式中参数定义：

X-波长，相邻两波峰或波谷的距离；

Z-波深，上半波幅值与下半波幅值之和；

R-上半波圆弧半径；

r-下半波圆弧半径；

L₁-上半波圆弧弦长；

L₂-下半波圆弧弦长；

该方法包括步骤：

⑴、将铣刀断屑槽理论型线置于绘图工具软件AutoCAD坐标系中，在该坐标系中建立铣刀断屑槽型线的数学模型，推导出算法，得到铣刀断屑槽型线的数学表达，依据铣刀断屑槽型线的数学表达编写计算机程序；

⑵、将编写的计算机程序加载在AutoCAD中，输入铣刀断屑槽特征参数值X、Z、r、M的值，由AutoCAD自动绘出断屑槽型线；

⑶、将每一条型线与理论型线都复制到坐标圆点(0，0)，将画好的型线与理论型线对比，加工不到的地方用理论型线代替，得到刀具刃口加工型线，然后将此型线打散，导入机床控制系统的num软件，即可进行铣刀断屑槽加工程序编辑，由机床加工出铣刀断屑槽。

2.如权利要求1所的方法，其特征在于，所述步骤⑴的详细步骤是：

A、将铣刀断屑槽理论型线置于AutoCAD坐标系中，并将理论型线按1/3波长定距等分，在任一上半波所在圆的圆周上任取三个点P₀、P₁、P₂做一内接三角形，设圆心坐标为C₂(x，y),三角形的3个顶点坐标分别为P₀(x₀，y₀)、P₁(x₁，y₁)、P₂(x₂，y₂)，则有

三角形P₀P₁P₂的面积A为：

A＝1/2[(x₀y₁-x₁y₀)+(x₁y₂-x₂y₁)+(x₂y₀-x₀y₂)]

三角形P₀P₁P₂的三边长度分别为：

L₁₀＝sqrt((x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²)

L₂₀＝sqrt((x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²)

L₁₂＝sqrt((x₁-x₂)²+(y₁-y₂)²)

由正弦定理得：

A＝1/2(L₁₀×h)＝1/2(L₁₀×L₁₂×sin(P₁))   ③；

由②、③可推出三角形外接圆的半径R为：

R＝1/4A(L₁₀×L₂₀×L₁₂)；

三角形P₀P₁P₂外接圆的圆心坐标亦即上半波圆弧的圆心坐标

C2(x，y)为：

x＝x₀+(Y₂*L₁₀ ²-Y₁L₂₀ ²)/4A；

y＝y₀+(X₁*L₂₀ ²-X₂L₁₀ ²)/4A；

已知上半波圆弧的弦长L₁＝波长X(2/3)；

这样，就得到断屑槽型线上半波的数学表达；

设与下半波圆弧相切的左、右两个上半波圆弧所在圆的圆心分别为C₀、C₁，半径均为R；

以C₀为圆心，(R+r)为半径做一新圆，则该新圆的方程为：

(x-C₀x)²+(y-C₀y)²＝(R+r)²

以C₁为圆心，(R+r)为半径做另一新圆，则该新圆的方程为：

(x-C₁x)²+(y-C₁y)²＝(R+r)²

两新圆具有上、下两个交点，其中上交点即下半波所在圆的圆心C₂，解上述方程，计算出上交点的坐标，即得到下半波所在圆的圆心坐标；

已知下半波圆弧弦长L₂＝波长X(1/3)；

下半波圆弧半径r为设计给定值；

这样，就得到断屑槽型线下半波的数学表达；

B、再将所有圆弧转化为多线段，用凸度公式反推多线段每一段的凸度，即每个圆弧表示为一条具有确定长度和凸度的线段，长度就是圆弧的弦长，凸度＝tan(α/4)＝h/s；式中：α为圆弧所对应的角度；h为圆弧的幅值；s为弦长/2；

这样，就得到就得到断屑槽型线的数学表达；

C、依据上述数学表达编写计算机程序，按如下规定写出代码：

-如果圆弧从起点到终点是顺时针走向则凸度为负数，“0”表示直线，“1”表示半圆；

-当终点角度小于起点角度时，应加上2π；

-表示顺时针方面的弧度时，在这个值前面加负号。