CN107552852A - 一种新型微细球头铣刀及刃磨制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型微细球头铣刀及其刃磨制备工艺，属于微细铣削加工技术领域。所述铣刀整体结构主要由球头和圆柱组成的刀头部分、圆锥刀颈部分和圆柱刀柄部分组成。球头部分结构设计为中心对称双刃结构，前刀面是倾斜的平面，后刀面是圆锥面，切削刃由倾斜的平面和圆锥面相交而成的曲线构成。该设计方法一方面有助于增强刀具切削刃口强度，减少刀具与工件的接触磨擦，从而有效降低刀具磨损延长刀具寿命，对称结构设计减小刀具的动不平衡量；另一方面，舍弃了圆柱部分螺旋刃结构，简化球头部分结构，可以有效降低刀具制备难度提高加工质量。同时基于六轴数控工具磨床设计了所述微细球头铣刀的刃磨制备工艺，采用圆柱砂轮端面刃磨前刀面，同时采用特定角度锥面砂轮的圆锥面刃磨后刀面。所述微细球端铣刀结构简单，几何结构易于保证，因此加工成本较低且制造过程简单，同时刀具刃口强度高，耐磨损性能好，可广泛应用于难加工材料的微细铣削加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型微细球头铣刀及刃磨制备工艺，属于微细铣削加工技术领域。
背景技术
目前微细铣削加工中应用的微细铣刀根据结构类型不同主要有传统螺旋刃球头铣刀整体或者局部等比例缩小的微细铣刀和特殊结构的微细铣刀。大多数微细铣刀的设计思路是对传统螺旋刃铣削刀具进行结构简化，但是在实际微细铣削加工中，由于尺度效应的存在，传统螺旋刃微细铣刀表现出了传统铣削中所未见的缺陷，不能满足微细铣削领域的要求。随着零部件的微型化，以及一些难加工材料在微细加工领域的应用，对微细铣刀的结构及制备工艺提出了更高的要求。微细铣刀具有特征尺寸小，加工难度极大的特点需要针对微细切削的特点和加工机理，面向多种难加工材料微小零件或结构具体加工需求的进行结构设计，既要简化刀具结构，提高刀具制备的可加工性，还要保证刀具的切削性能。理想的微细铣刀应该结构简单以便于制造，同时尽可能的提高刀具切削加工性能。为此，本发明提出了一种新型微细球头铣刀及其磨削制备工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型微细球头铣刀及其磨削制备工艺方法，用于降低微细刀具的制备难度，推动微细刀具的实用化，满足微细铣削加工的应用需要。
实现本发明的技术方案如下：
一种新型整体式微细球头铣刀，主要由球头和圆柱组成的刀头部分、圆锥刀颈部分和圆柱刀柄部分组成，其整体结构如图1(a)所示；球头部分结构设计为中心对称双刃结构，前刀面S1是倾斜的平面，后刀面S2是圆锥面，切削刃C1由倾斜的平面和圆锥面相交而成的曲线构成，如图1(b)所示。
通过对该刀具角度分析发现其具有等法向前角、等法向后角、等法向楔角以及小负螺旋角特点；一方面前刀面设计为倾斜的平面和后刀面设计为圆锥面可以有助于增强刀具切削刃口强度，减少刀具与工件的接触磨擦，从而有效降低刀具磨损延长刀具寿命，对称结构设计减小刀具的动不平衡量；另一方面，舍弃了圆柱部分螺旋刃结构，简化球头部分结构，可以有效降低刀具制备难度提高加工质量。
一种制备微细球端铣刀的工艺，具体过程为：
微细球头铣刀的前刀面S1为平面，采用圆柱砂轮端面来刃磨前刀面，刃磨方法见图3。磨削加工时，使刀具毛坯沿U轴负向移动距离R，使球心Od位于W轴旋转中心上，然后刀具毛坯绕W轴旋转-γ0，保证前刀面与平面XdZd的夹角，接着刀具毛坯沿Y轴移动-(L2-LW1)+R·sinγ0保证点Od到砂轮的距离，最后通过圆柱砂轮沿X轴的移动实现前刀面刃磨加工。
微细球头铣刀的后刀面S2是圆锥面，采用特定角度锥面砂轮圆锥面刃磨后刀面，刃磨后刀面时砂轮与刀具的相对位置如图4所示，磨削加工时，使刀具毛坯沿U轴负向移动距离R，使球心Od位于W轴旋转中心上，然后刀具毛坯绕W轴旋转γ0使前刀面与砂轮小端面平行，控制机床X，Y和Z轴由初始位置分别移动R·cosγ0-L1，LW1-L2-R·sinγ0和-L3。刀具刃磨过程中，刀具固定不动，砂轮沿着X，Z轴联动，运动轨迹为圆心在中心线C2上，半径为R·cosγ0的一段圆弧。
本发明中的微细球端铣刀结构简单，几何结构易于保证，因此加工成本较低且操作简单，同时该刀具刃口强度高，耐磨损性能好，可广泛应用于难加工材料的微细铣削加工。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1为本发明的新型微细球头铣刀结构示意图；
其中(a)为铣刀整体结构图，(b)为铣刀球头部分的设计方案；
图2为本发明的新型微细球头刃磨加工刀具与砂轮的相对位置示意图；
图3为本发明的新型微细球头铣刀前刀面磨削制备工艺的示意图；
图4为本发明的新型微细球头铣刀后刀面磨削制备工艺的示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种新型微细球头铣刀及其磨削制备工艺方法，用于降低微细刀具的制备难度，提高微细球头铣刀切削性能，满足微细铣削加工的应用需要。
实现本发明的技术方案如下：
一种新型整体式微细球头铣刀，其整体结构图1(a)所示，主要由球头和圆柱组成的刀头部分1、圆锥刀颈部分2和圆柱刀柄部分3组成，微细球头铣刀总长度为H1≤60mm，其中球头部分直径为d≤0.5mm，刀头部分的长度为H3≤3mm，圆锥刀颈部分的锥角为Ф＝10°～30°，圆柱刀柄部分直径为D≤3.175mm，长度为H2≤20mm；球头部分结构设计为中心对称双刃结构，前刀面是倾斜的平面S1，后刀面是圆锥面S2，切削刃由倾斜的平面S1和圆锥面S2相交而成的曲线C1构成，如图1(b)所示。
建立新型微细球头铣刀的球头部分数学模型，建立了如图1(b)所示的刀具坐标OdXdYdZd，坐标系原点Od位于微细球头铣刀球心，OdZd轴与刀具轴向重合，OdXd轴平行于前刀面。切削刃上任一点P在图1(b)所示坐标系中的方程为式(1)。
式中，R为球头铣刀球头半径，θ为高低角，γ0为前刀面与XdZd平面的夹角。圆锥面微细球头铣刀的前刀面为平面，图1(b)中线段OdB垂直前刀面于点B，则向量OdB即为前刀面的法向量，可表示为：
OdB＝[0,R·sinγ0·cosγ0,R·sin2γ0]T (2)前刀面的方程可表示为：
y·cosγ0+z·sinγ0-R·sinγ0·cos2γ0-R·sin3γ0＝0 (3)
后刀面的方程为可表示为：
式中，l为线段CD的长度，l∈[0,0.32R]，α0为点C处的法向后角，δ为线段BC绕向量OdB转过的角度，
制备上述新型微细球头铣刀的刃磨工艺方法如下：
1.将刀具棒料装夹到数控磨床夹具上固定，在刀具刃磨过程中，砂轮只能沿X，Z轴方向平动；而刀具除了可以沿U，Y轴平动外，还可以绕A，W轴旋转。当加工开始时，砂轮和刀具首先移动到初始位置即机床回零状态，此时刀具和砂轮的相对位置如图2所示。图中OMXMYMZM为机床坐标系，尺寸L1，L2，L3和LW1为机床基准值，可由实际测量获得。
2.在步骤1的基础上，开始在毛坯前端刃磨微细球头铣刀的前刀面S1，刃磨方法如图3所示，采用圆柱砂轮端面来刃磨前刀面，磨削加工时，使刀具毛坯沿U轴负向移动距离R，使球心Od位于W轴旋转中心上，然后刀具毛坯绕W轴旋转-γ0，保证前刀面S1与平面XdZd的夹角，接着刀具毛坯沿Y轴移动-(L2-LW1)+R·sinγ0保证点Od到砂轮的距离，最后通过圆柱砂轮沿X轴的移动实现前刀面刃磨加工。
3.在步骤2刃磨得到的刀具毛坯的基础上，开始刃磨微细球头铣刀的后刀面S2，刃磨时砂轮与刀具的相对位置图如图4所示，采用特定角度锥面砂轮圆锥面刃磨后刀面S2，使刀具毛坯沿U轴负向移动距离R，使球心Od位于W轴旋转中心上，然后刀具毛坯绕W轴旋转γ0使前刀面S1与砂轮小端面平行，控制机床X，Y和Z轴由初始位置分别移动R·cosγ0-L1，LW1-L2-R·sinγ0和-L3。刀具刃磨过程中，刀具固定不动，砂轮沿着X，Z轴联动，运动轨迹为圆心在中心线C2上，半径为R·cosγ0的一段圆弧。
最终获得的刀具结构如图1(a)所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型整体式微细球头铣刀，其整体结构主要由球头和圆柱组成的刀头部分、圆锥刀颈部分和圆柱刀柄部分组成；球头部分结构设计为中心对称双刃结构，前刀面S1是倾斜的平面，后刀面S2是圆锥面，切削刃C1由倾斜的平面S1和圆锥面S2相交而成的曲线构成。
2.根据权利要求1所述的整体式微细球头铣刀，其特征在于，微细球头铣刀总长度为H1≤50mm，其中球头部分直径为d≤0.5mm，刀头部分的长度为H3≤3mm，圆锥刀颈部分的锥角为Ф＝10°～30°，圆柱刀柄部分直径为D≤3.175mm，长度为H2≤20mm。
3.根据权利要求1或2所述的整体式微细球头铣刀，其特征在于，
切削刃C1上任一点方程为：
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式中，R为球头铣刀球头半径，θ为高低角，γ0为前刀面与XdZd平面的夹角。
4.根据权利要求3所述的整体式微细球头铣刀，其特征在于，
前刀面S1的方程可表示为：
y·cosγ0+z·sinγ0-R·sinγ0·cos2γ0-R·sin3γ0＝0
后刀面S2的方程为可表示为：
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式中，l为线段CD的长度，l∈[0,0.32R]，α0为点C处的法向后角，δ为线段BC绕向量OdB转过的角度，
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的微细球头铣刀前刀面的刃磨工艺，其特征在于，采用圆柱砂轮端面来刃磨前刀面，磨削加工时，使刀具毛坯沿U轴负向移动距离R，使球心Od位于W轴旋转中心上，然后刀具毛坯绕W轴旋转-γ0，保证前刀面S1与平面XdZd的夹角，接着刀具毛坯沿Y轴移动-(L2-LW1)+R·sinγ0保证点Od到砂轮的距离，最后通过圆柱砂轮沿X轴的移动实现前刀面刃磨加工。
6.一种根据权利要求1-4中任一项所述的微细球头铣刀后刀面的刃磨工艺，其特征在于，采用特定角度锥面砂轮圆锥面刃磨后刀面，磨削加工时，使刀具毛坯沿U轴负向移动距离R，使球心Od位于W轴旋转中心上，然后刀具毛坯绕W轴旋转γ0使前刀面S1与砂轮小端面平行，控制机床X，Y和Z轴由初始位置分别移动R·cosγ0-L1，LW1-L2-R·sinγ0和-L3。刀具刃磨过程中，刀具固定不动，砂轮沿着X，Z轴联动，运动轨迹为圆心在中心线C2上，半径为R·cosγ0的一段圆弧。
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