CN110421203A - 一种悬链线锥颈的微细立铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特殊锥颈的微细立铣刀，包括刀柄(1)，刀柄(1)经锥颈(2)与刃口(3)连接；所述的锥颈(2)的外缘轮廓(4)为悬链线曲线。本发明在锥颈处改变原有的锥形结构，采用悬链线代替直线在不改变刀具总体形状和切削刃形状的前提下，能有效提升动态响应频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种切削加工领域用的切削刀具的结构，特别是一种悬链线锥颈的微细立铣刀。
背景技术
微细铣削技术具有可加工三维复杂形状、表面质量好、加工效率高等优点，非常适合微模具和微结构的微细铣削加工。微细铣削技术中，铣削刀具的质量直接影响了铣削加工的效率及加工质量。微细刀具的刃口直径一般小于1mm，在微细刀具设计中，刀柄一般远大于切削刃直径，为减小应力集中，在刃口和刀柄之间都有一段或两段过渡部位--锥颈。在微细铣削加工过程中，载荷由切削刃经锥颈传递到刀柄上，在锥颈和刃口的连接位置，发生形变、振动时应力最大，最易发生折断。目前对微细立铣刀的结构设计主要集中在刀具截面形状和刃口是否带螺旋，对微细立铣刀的锥颈部分的研究相对较少，其锥颈的外缘轮廓仅采用直线进行过渡，该过渡结构对应力集中较为敏感，对微细立铣刀的寿命造成了较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种悬链线锥颈的微细立铣刀。本发明在锥颈处改变原有的锥形结构，采用悬链线代替直线，在不改变刀具总体形状和切削刃形状的前提下，能有效提升微细立铣刀的动态响应频率。
本发明的技术方案：一种悬链线锥颈的微细立铣刀，包括刀柄，刀柄经锥颈与刃口连接；所述的锥颈的外缘轮廓为悬链线曲线。
前述的悬链线锥颈的微细立铣刀中，所述的刀柄的直径D1＝1～10mm，长度L1＝3～100mm。
前述的悬链线锥颈的微细立铣刀中，所述的锥颈的轴线长度L2＝2～30mm。
前述的悬链线锥颈的微细立铣刀中，所述的刃口的直径D2＝0.001～2mm，刃口的轴线长度L3为刃口直径D2的2～20倍。
前述的悬链线锥颈的微细立铣刀中，所述的刃口为直线刃或螺旋刃。
前述的悬链线锥颈的微细立铣刀中，所述的悬链线满足方程y＝a*cosh(x/a)，其中a为悬链线曲线顶点到横坐标轴的距离，x为自变量，所述的自变量为锥颈轴线长度。
与现有技术相比，本发明在微细立铣刀锥颈部分采用悬链线结构，该结构降低了锥颈与刃口过渡处的应力集中现象，在不改变刀具总体形状和切削刃形状的前提下，显著提升了模态响应频率(参见图6-图9)。
为了能更好证明本发明的有益效果，申请人做了如下仿真实验：
实验例1。
选取刀具总长为50mm，刀柄直径为4mm，切削刃(即刃口)直径D2为0.1mm的铣刀进行仿真，并将刀具设置为下述对照组进行对比分析：
对照组1：使用未做改善的普通硬质合金微细立铣刀(以下简称Ⅰ号刀)，参见图1；
对照组2：在锥颈-刃口连接处设置1mm倒圆角的普通硬质合金微细立铣刀(以下简称Ⅱ号刀)，参见图2；
对照组3：以锥颈的锥度为自变量，将锥颈的外缘轮廓设置为悬链线曲线的普通硬质合金微细立铣刀(以下简称Ⅲ号刀)，参见图3；
将Ⅰ～Ⅲ号刀在相同加载条件下使用ANSYS做静力学和模态分析，实验结果如表1和图6～图13；
表1 不同型号刀具的模态频率(D2＝0.1mm)
通过上表分析可知，普通微细铣刀在锥颈处增加圆角基本不影响刀具的模态(自由模态、受限模态)频率，普通立铣刀两种模态频率均是随着锥度的增加而降低，本发明与普通微细立铣刀相比，其自由模态频率随着锥度的增加而降低，受限模态频率随着锥度的增加先升高而后逐渐降低。自由模态频率最高在锥度为8°时，其受限模态频率最高在12°时。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号刀对比实验上来看，对于自由模态频率，在相同锥颈锥度的条件下，普通微细立铣刀(Ⅰ号刀)和加过渡圆弧微细立铣刀(Ⅱ号刀)的自由模态频率均小于悬链线结构的微细立铣刀(Ⅲ号刀)，说明悬链线锥颈的立铣刀动态新能比前两种结构较优。以Ⅱ号刀为例，表2为Ⅲ号刀自由模态频率增幅。
对于受限模态频率，在锥颈角度小于12°时，普通的微细立铣刀Ⅰ、Ⅱ号刀受限模态频率大于悬链线结构的微细立铣刀，但从12°以后，普通的微细立铣刀(Ⅰ、Ⅱ号刀)的受限模态频率均小于悬链线结构的微细立铣刀(Ⅲ号刀)。以Ⅱ号刀为例，表3为Ⅲ号刀受限模态频率增幅。
有上述可知，在相同的锥颈锥度下，悬链线锥颈的微细立铣刀(Ⅲ号刀)的受限模态频率均比普通微细立铣刀(Ⅰ、Ⅱ号刀)有所提高，即刀具动态性能更优。
表2 Ⅲ号刀自由模态频率增幅
从表2中可以看到：在12°时，Ⅲ号刀的自由模态频率增加了7.15％。
表3 Ⅲ号刀受限模态频率增幅
从表3中可以看到，在12°时，受限模态频率增幅最大，达到了23.38％。
由于受限模态频率是刀具在工作时的频率，故将受限模态频率作为衡量刀具动态性能的重要指标。虽然在锥颈锥度为8度之前出现了模态数值的峰值，甚至大于设置悬链线微细立铣刀的模态峰值，但考虑到刀具的夹持长度和悬伸长度，刀具锥颈的长度不宜过长，因此，综合考虑各方面因素，悬链线锥颈的微细立铣刀动态性能是远远优于普通结构的微细立铣刀。
改变刀具的刃口直径(D2＝0.2mm)，刀柄尺寸不变。由于在锥颈处倒圆角的模态分析结果与未导圆角的结果基本一致，因此，只比较锥度的锥颈和悬链线锥颈的两类刀具，即：Ⅳ号刀为未倒圆的锥度铣刀，Ⅴ号刀为相同长度的悬链线铣刀，模态值如表4所示。
表4 不同型号刀具的模态频率(D2＝0.2mm)
由表4可知，普通微细立铣刀(Ⅳ号刀)两种模态频率均是随着锥度的增加而降低，悬链线微细立铣刀(Ⅴ号刀)与普通微细立铣刀(Ⅳ号刀)相比，其受限模态频率随着锥度的增加而降低，自由模态频率随着锥度的增加先升高而后逐渐降低。自由模态频率最高在锥度为8°时。
表5 Ⅴ号刀自由模态频率增幅
从表5中可以看到，在8°时，自由模态频率增幅最大，达到了12％。
表6 Ⅴ号刀受限模态频率增幅
从表6中可以看到，在6°时，受限模态频率增幅最大，达到了20.8％。
通过以上分析，可以明显看到，悬链线结构的微细立铣刀在夹持状态下，其模态频率大于普通的锥度微细立铣刀，即有效提高了铣刀的动态抗震性能。
附图说明
图1是锥颈为锥角的微细立铣刀结构示意图；
图2是锥颈处增加过渡圆角的微细立铣刀结构示意图；
图3是本发明(悬链线锥颈的微细立铣刀)的结构示意图；
图4不同锥度的微细立铣刀结构对比；
图5悬链线锥颈的平面结构示意图；
图6锥角8°的锥度微细立铣刀自由模态振型；
图7锥角8°的悬链线微细立铣刀受限模态振型；
图8锥角12°的锥度微细立铣刀自由模态振型；
图9锥角12°的悬链线微细立铣刀自由模态振型；
图10不同锥度对应的自由模态频率(D2＝0.1mm)；
图11不同锥度对应的受限模态频率(D2＝0.1mm)；
图12不同锥度对应的自由模态频率(D2＝0.2mm)；
图13不同锥度对应的受限模态频率(D2＝0.2mm)。
附图标记
1-刀柄，2-锥颈，3-刃口，4-外缘轮廓，5-锥角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种特殊锥颈的微细立铣刀，其构成如图3和5所示，包括刀柄1，刀柄1经锥颈2与刃口3连接；所述的锥颈2的外缘轮廓4为悬链线曲线。
前述的刀柄的直径D1＝1～10mm是，长度L1＝3～100mm。
前述的锥颈2的轴线长度L2＝2～30mm。
前述的刃口3的直径D2＝0.001～2mm，刃口3的轴线长度L3为刃口3直径D2的2～20倍。
前述的刃口为直线刃或螺旋刃。
前述的悬链线满足方程y＝a*cosh(x/a)，其中a为悬链线曲线顶点到横坐标轴的距离，x为自变量，所述的自变量为锥颈轴线长度，参见图5。
Claims (6)
1.一种悬链线锥颈的微细立铣刀，其特征在于：包括刀柄(1)，刀柄(1)经锥颈(2)与刃口(3)连接；所述的锥颈(2)的外缘轮廓(4)为悬链线曲线。
2.根据权利要求1所述的悬链线锥颈的微细立铣刀，其特征在于：所述的刀柄的直径D1＝1～10mm，长度L1＝3～100mm。
3.根据权利要求1所述的悬链线锥颈的微细立铣刀，其特征在于：所述的锥颈(2)的轴线长度L2＝2～30mm。
4.根据权利要求1所述的悬链线锥颈的微细立铣刀，其特征在于：所述的刃口(3)的直径D2＝0.001～2mm，刃口(3)的轴线长度L3为刃口(3)直径D2的2～20倍。
5.根据权利要求4所述的悬链线锥颈的微细立铣刀，其特征在于：所述的刃口为直线刃或螺旋刃。
6.根据权利要求1所述的悬链线锥颈的微细立铣刀，其特征在于：所述的悬链线满足方程y＝a*cosh(x/a)，其中a为悬链线曲线顶点到横坐标轴的距离，x为自变量，所述的自变量为锥颈轴线长度。
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