CN110773782B - 一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀 - Google Patents

Abstract

一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，涉及刀具包括刀体和刀柄，刀体由一级、二级和三级切削段组成，刀体和刀柄内设有冷却流道，一级切削段上的排屑槽内设有出水方向向前、与轴向呈10°‑60°夹角的一级冲水孔，二级切削段上的排屑槽内设有出水方向向后、与轴向呈10°‑45°夹角的二级冲水孔，三级切削段上的排屑槽内设有出水方向与轴向垂直的三级冲水孔；动平衡设计方法：在三维绘图软件中绘制刀具模型；确定刀具的重心坐标；设定重心坐标相区内排屑槽长度为变量；通过变量来调节重心坐标，选取使重心坐标靠近中心坐标最近的变量的数值为设计值。本发明冷却性能和排屑性能高、使用寿命长，动平衡精度高。

Description

一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀

技术领域

本发明涉及机械加工用刀具及其动平衡设计方法，详细讲是一种冷却性能和排屑性能高、使用寿命长，动平衡精度高的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀。

背景技术

目前，很多发动机及零部件的高精度孔都是由金刚石多级铣刀加工完成的。多级铣刀的优势在于根据孔内不同深度不同直径要求设计刀体，从而一次加工成型，避免了多把铣刀多次加工的耗时方法，提高效率。发动机缸盖上的喷油嘴安装孔在不同深度具有不同直径及形状的要求；现有的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀在实际加工中，很难达到预期的效果。多级铣刀不同级切削直径差异和阶梯长度差异往往导致加工中出现共振现象，虽然不均齿刀具设计可以有效减少刀具-机床-工件间的共振，但是却给刀具自身引入不平衡变量，尤其是冷却流道、冲水孔的不对称设计，进一步加大了不平衡量及其不确定性；设计时，无法准确预估计算，导致机械加工中的振动不平衡以及加工表面振纹产生。现有技术中，采用动平衡仪器通过钻削或车削部分材料来校正动平衡，不仅影响美观，而且工作效率低，需多次重复测量和去除以达到不平衡量的允差。铣刀在切削时产生的切屑受多阶梯差尺寸限制，不易顺利排出，严重阻碍刀体散热，从而造成刀具磨损加剧，切削能力下降和寿命缩短。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种冷却性能和排屑性能高、使用寿命长，动平衡精度高的高速金刚石复合铣刀及其动平衡设计方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，包括刀体和刀柄，刀体由从前至后直径依次递增的一级切削段、二级切削段和三级切削段组成，一级切削段、二级切削段和三级切削段同轴相连，一级切削段上设有四个切削齿，二级切削段上设有两个切削齿，三级切削段上设有两个切削齿，切削齿上设有PCD刀片，PCD刀片一侧设有排屑槽，其特征在于：一级切削段上的排屑槽自一级切削段前端向后加工，其长度为一级切削段轴向长度的30%-80%；二级切削段上的排屑槽自二级切削段前端向后加工，二级切削段上的排屑槽（轴向）贯穿二级切削段且延伸至三级切削段的后部；三级切削段上的排屑槽自三级切削段前端向后加工，三级切削段上的排屑槽延伸至三级切削段的后部；所述的刀体和刀柄内设有后端与刀柄后端的进水口相连的冷却流道，一级切削段上的每个排屑槽内设有至少一个出水方向向前、与一级切削段轴向呈10°-60°夹角、与冷却流道连通的一级冲水孔，二级切削段上的每个排屑槽内设有至少一个出水方向向后、与二级切削段轴向呈10°-45°夹角、与冷却流道连通的二级冲水孔，三级切削段上的每个排屑槽内设有至少一个出水方向与三级切削段轴向垂直、与冷却流道连通的三级冲水孔；

上述一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀的动平衡设计方法包括如下步骤：

步骤一：在三维绘图软件中绘制高速金刚石复合铣刀的刀具模型；

步骤二：确定刀具的重心坐标；

步骤三：设定重心坐标相区内二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度为变量，二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度的变化范围在20mm以内，步长是0.05-0.2 mm，优选0.1 mm；通过调节变量的数值来调节重心坐标，进行有限次计算，选取使重心坐标靠近中心坐标最近的变量的数值为设计值。

本发明中所述的一级切削段上的四个切削齿中，两个切削齿以一级切削段的轴线对称、另外两个切削齿错位设置；二级切削段上的两个切削齿与一级切削段上的两个错位设置的切削齿相对应（周向上位置相同或相近）的设置在二级切削段上，三级切削段上的两个切削齿与一级切削段上的两个对称设置的切削齿相对应（周向上位置相同或相近）的设置在三级切削段上。

本发明中所述的二级切削段呈由前至后直径逐渐变大的锥形，其上的切削齿为在二级切削段上切削出二级排屑槽，二级排屑槽一侧（的二级切削段）为二级切削齿。二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面的轴向角度为2°-8°，切削齿上设有刀片安装槽，PCD刀片固定在刀片安装槽内。二级切削段上的PCD刀片的切削刃（与工件接触、对其加工的部位的每一点）与二级切削段侧面的距离相等。

本发明中所述的三维绘图软件可以为solidworks、UG等。

本发明进一步改进，所述步骤三中增设重心坐标相区内二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）的轴向角度为变量（即排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）与轴线的夹角。常规状态下，排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）与轴线平行或轴线位于该侧面所在的平面上）。排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）的轴向角度的变化范围为2-8°。步长是0.01°-0.1°，优选0.03°-0.06°。由于二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面的轴向角度变化，与其平行的二级切削段上的PCD刀片轴向角度随之改变，将PCD刀片安装在二级切削段上后需要对其加工，使其切削刃与二级切削段侧面的距离相等。通过设定排屑槽安装PCD刀片的一侧面轴向角度为参数变量，优化动平衡的同时，可增强刀杆强度，因为二级切削段上的PCD刀片的刀刃细长，直径尺寸结合冷却孔和冲水孔使得该区域截面积很小，应力大容易引起刀杆断裂，二级切削段上的PCD刀片的轴向角度可以保证切削平稳，减小切削力，同时应在保证排屑顺利进行的前提下减小排屑槽深度，以增强刀杆强度。

本发明冷却流道和冲水孔方向的结构，使冷却液流经冷却流道和冲水孔对刀体进行冷却后、从冲水孔冲排出；冷却液流出时的冲击角度会使排屑槽内的断屑随冲击方向（出水方向）分别前后流出，这就避免了一级切削段的断屑向后流出、被二级切削段端面阻挡的不足，保障了排屑过程顺利，冷却效果佳。采用solidworks, UG等设计算例辅助刀具结构的动平衡优化，保证了刀具高速运转时的动平衡精度。弥补了因不均齿及不同方向、不对称的冲水孔引起的不平衡，在设计过程中就可以保证刀具的平衡，避免了对刀具成品的反复动平衡测量和不平衡量去除，刀体外形美观。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的主视结构示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2的右视放大图。

图5是本发明的立体结构示意图。

图6是图1的A处局部放大图。

具体实施方式

一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，包括刀体和刀柄8，刀体和刀柄8同轴固定相连，刀体由从前至后直径依次递增的一级切削段2、二级切削段5和三级切削段组成，一级切削段2和三级切削段整体呈圆柱状，二级切削段5呈由前至后直径逐渐变大的锥形（圆锥柱）。一级切削段2、二级切削段5和三级切削段同轴相连，二级切削段5前端直径与一级切削段后端直径相同，二级切削段后端直径与三级切削段前端直径形同。一级切削段2上周向分布有四个切削齿，二级切削段5上周向分布有两个切削齿，三级切削段上周向分布有两个切削齿，每个切削齿上分别设有PCD刀片，PCD刀片一侧设有排屑槽。从图中可以看出，一级切削段2上的切削齿为自一级切削段前端向后加工出一级排屑槽13，一级排屑槽长度为一级切削段轴向长度的30%-80%，通常为50%左右；一级排屑槽13一侧的一级切削段为一级切削齿（一级切削段上的切削齿安装PCD刀片的一侧面的轴向角度为0°）；二级切削段5上的切削齿为自二级切削段前端向后加工出二级排屑槽15，二级排屑槽贯穿二级切削段且延伸至三级切削段的后部，利于其内的断屑向后排出；二级排屑槽15一侧的二级切削段为二级切削齿（二级切削段上的切削齿）。三级切削段上的切削齿为自三级切削段前端向后加工出三级排屑槽17，三级排屑槽延伸至三级切削段的后部，利于其内的断屑向后排出。三级排屑槽17一侧的三级切削段为三级切削齿（三级切削段上的切削齿）。切削齿上设有刀片安装槽，PCD刀片固定在刀片安装槽内，一级切削段的切削齿上安装一级PCD刀片1，二级切削段的切削齿上安装二级PCD刀片4，三级切削段的切削齿上安装三级PCD刀片16。所述的一级切削段2上的四个切削齿中，两个切削齿以一级切削段的轴线对称、另外两个切削齿错位设置；二级切削段上的两个切削齿与一级切削段上的两个错位设置的切削齿相对应（周向上位置相同或相近）的设置在二级切削段上，三级切削段上的两个切削齿与一级切削段上的两个以一级切削段的轴线对称的切削齿相对应（周向上位置相同或相近）的设置在三级切削段上。具体的结构如图4所示，一级切削段上的四个一级切削齿分别为T1、T2、T3和T4，其中T1和T3是在一级切削段的轴线两侧对称分布的，T2和T4两个切削齿错位设置，即在一级切削段的周向上与T1或T3间隔了不同角度，T2与T1在一级切削段的周向上的夹角为94°，T4与T1在一级切削段的周向上的的夹角为97°；二级切削段上的两个切削齿与一级切削齿T2，T4对应排布的，即：二级切削段上的两个切削齿在二级切削段上的周向上位置与一级切削齿T2，T4在一级切削段上周向上的位置相同或相近。这一设计的原理为不等齿分布的刀齿，可以改变切削力波形，使各刀齿的铣削力波形不再保持一致。铣削力在频域内的幅值谱线分布在间隔较密的各个频率上，由于刀具工作时产生的能量是一定的，铣削力分散在较密的频率上后，每个频率上的幅值都较小，即分散了激振能量，从而不易激起机床-刀具-工件系统的振动。刀柄后端中央设有进水口，刀体和刀柄内设有后端与刀柄后端的进水口相连的冷却流道7；冷却流道7与刀体、刀柄同轴，前端封闭。一级切削段上的每个排屑槽13内设有一个出水方向向前、与一级切削段轴向呈30°夹角、与冷却流道7连通的一级冲水孔12，一级冲水孔12内喷射的冷却液喷射在一级切削段上的pcd刀尖或其附近，可将一级PCD刀片切削下的断屑由一级切削段上的排屑槽前端冲出；二级切削段5上的每个排屑槽15内设有一个出水方向向后、与二级切削段轴向呈20°夹角、与冷却流道连通的二级冲水孔3，二级冲水孔3内喷射的冷却液喷射在二级切削段上的pcd刀刃中部或其附近，可冲击二级PCD刀片切削下的断屑、由二级切削段上的排屑槽冲至三级切削段的后部排出；三级切削段上的每个排屑槽内设有出水方向与三级切削段轴向垂直、与冷却流道连通的三级冲水孔，可冲击三级PCD刀片切削下的断屑由三级切削段上的排屑槽后部排出；从图中可以看出，本实施例中三级切削齿为阶梯式切削齿，三级切削段前端部加工出由前至后直径逐渐变大的一级锥段11，一级锥段11后侧设有二级柱段14，二级柱段14后侧设有三级主体段6，呈圆柱状的二级柱段14的直径小于呈圆柱状的三级主体段6的直径，三级切削段由一级锥段11、二级柱段14和三级主体段6依次相连组成，自一级锥段前端向后加工三级排屑槽，三级排屑槽一侧的三级切削齿包括一级锥段齿、二级柱段齿和三级主体段齿三部分，三级切削段上的pcd刀片的刀刃呈与三级切削齿外边沿平行的阶梯形状。三级切削段上的每个三级排屑槽17设有两个三级冲水孔10、9，其中一个三级冲水孔10喷射的冷却液喷射在三级切削段上的pcd刀位于一级锥段中部的刀刃中部或其附近，另一个三级冲水孔9喷射的冷却液喷射在三级切削段上的pcd刀位于二级柱段和三级主体段间的刀尖处或者pcd刀位于三级主体段前端的pcd刀刃处。

上述高速金刚石复合铣刀的动平衡设计方法包括如下步骤：

步骤一：在三维绘图软件solidworks中绘制高速金刚石复合铣刀的刀具模型；

步骤二：按刀具材质确定刀具的质量属性M及重心坐标，即：输入密度数据，三维绘图软件确定质量属性M及重心坐标；

步骤三：设定重心坐标相区内二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度为参数变量，二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度的变化范围在20mm以内，步长是0.05-0.2 mm。本实施例中的二级切削段上的排屑槽长度为45mm，其长度的变化范围选择17mm，即二级切削段上的排屑槽长度可在45-62 mm间调节，步长设定为0.1mm；三级切削段上的排屑槽长度为36 mm，其长度的变化范围选择15mm，即三级切削段上的排屑槽长度可在36-51 mm间调节，步长设定为0.1mm。通过调节变量的数值来调节重心坐标，进行有限次计算（最高25500次），选取最优计算结果，使高速金刚石复合铣刀的刀具模型的重心坐标距离中心坐标（轴线）最近。

本发明进一步改进，设定重心坐标相区内的二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）的轴向角度为参数变量，即排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）与轴线的夹角为变量。排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）的轴向角度的调节范围2°-8°；步长是0.01-0.1°，优选0.03-0.06°。常规状态下，排屑槽安装PCD刀片的一侧面（切削齿）与轴线平行或轴线位于该侧面所在的平面上。由于二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面的轴向角度变化，与其平行的二级切削段上的PCD刀片轴向角度随之改变，将PCD刀片安装在二级切削段上后需要对其加工，使其切削刃与二级切削段侧面的距离相等。通过设定排屑槽安装PCD刀片的一侧面轴向角度为参数变量，优化动平衡的同时，可增强刀杆强度，因为二级切削段上的PCD刀片的刀刃细长，直径尺寸结合冷却孔和冲水孔使得该区域截面积很小，应力大容易引起刀杆断裂，二级切削段上的PCD刀片的轴向角度可以保证切削平稳，减小切削力，同时应在保证排屑顺利进行的前提下减小排屑槽深度，以增强刀杆强度。通过设定排屑槽安装PCD刀片的一侧面轴向角度和二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度为变量，在规定的范围内选择合适的步长调节变量的参数值，经多次计算、提取二维坐标尽量贴近（0，0）的参数值为本发明中高速金刚石复合铣刀的设计值。

喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀的动平衡设计方法在本实施例中具体操作步骤为：在三维绘图软件solidworks中绘制或导入高速金刚石复合铣刀的刀具模型，刀具模型主轴方向为z轴方向，因旋转轴方向与不平衡量无关，因此只需考虑刀具径向坐标，设置刀具材质（输入量为刀具材质的密度数据），计算出刀具总质量为331.42 g，初始重心坐标（不考虑旋转轴方向）为二维坐标（0.021，0.042），对应的原始不平衡量为：15.56 g.mm；依据国标计算旋转速度为6000 r/min时的平衡等级G为29.50，远远超过了动平衡的标准，影响刀具在实际中的应用。

通过设定通过设定排屑槽安装PCD刀片的一侧面轴向角度和二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度的参数为变量，在上述的参数范围和步长范围内计算，并逐步缩减参数范围和步长间隔，多次计算提取，使二维坐标尽量贴近（0，0），即：设计软件solidworks中的传感器重心坐标距离中心坐标（0，0）最小值。最终计算在转速为6000r/min时的平衡等级为0.8左右，与成品在动平衡测量仪上测量结果基本一致，避免了成品的修正。因二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面轴向角度关系刀具平稳切削，故参数范围设定为5°以内，配合容屑槽长度在合理范围内变化选择；进行有限次计算，选取最优计算结果。进一步，根据公式计算刀具的不平衡量U和平衡等级指标G。

本发明冷却流道和冲水孔方向的结构，使冷却液流经冷却流道和冲水孔对刀体进行冷却后、从冲水孔冲排出；冷却液流出时的冲击角度会使排屑槽内的断屑随冲击方向（出水方向）分别前后流出，这就避免了一级切削段的断屑向后流出、被二级切削段端面阻挡的不足，保障了排屑过程顺利，冷却效果佳。采用solidworks, UG等设计算例辅助刀具结构的动平衡优化，保证了刀具高速运转时的动平衡精度。弥补了因不均齿及不同方向、不对称的冲水孔引起的不平衡，在设计过程中就可以保证刀具的平衡，避免了对刀具成品的反复动平衡测量和不平衡量去除，刀体外形美观。通过设定排屑槽安装PCD刀片的一侧面轴向角度为变量，在合理的参数范围内优化动平衡的同时，可增强刀杆强度，因为二级切削段上的PCD刀片的刀刃细长，直径尺寸结合冷却孔和冲水孔使得该区域截面积很小，应力大容易引起刀杆断裂，二级切削段上的PCD刀片的轴向角度可以保证切削平稳，减小切削力，同时应在保证排屑顺利进行的前提下减小排屑槽深度，以增强刀杆强度。

Claims (6)

1.一种喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，包括刀体和刀柄，刀体由从前至后直径依次递增的一级切削段、二级切削段和三级切削段组成，一级切削段、二级切削段和三级切削段同轴相连，一级切削段上设有四个切削齿，二级切削段上设有两个切削齿，三级切削段上设有两个切削齿，切削齿上设有PCD刀片，PCD刀片一侧设有排屑槽，其特征在于：一级切削段上的排屑槽自一级切削段前端向后加工，其长度为一级切削段轴向长度的30%-80%；二级切削段上的排屑槽自二级切削段前端向后加工，二级切削段上的排屑槽贯穿二级切削段且延伸至三级切削段的后部；三级切削段上的排屑槽自三级切削段前端向后加工，三级切削段上的排屑槽延伸至三级切削段的后部；所述的刀体和刀柄内设有后端与刀柄后端的进水口相连的冷却流道，一级切削段上的每个排屑槽内设有至少一个出水方向向前、与一级切削段轴向呈10°-60°夹角、与冷却流道连通的一级冲水孔，二级切削段上的每个排屑槽内设有至少一个出水方向向后、与二级切削段轴向呈10°-45°夹角、与冷却流道连通的二级冲水孔，三级切削段上的每个排屑槽内设有至少一个出水方向与三级切削段轴向垂直、与冷却流道连通的三级冲水孔；

上述喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀的动平衡设计方法包括如下步骤：

步骤一：在三维绘图软件中绘制高速金刚石复合铣刀的刀具模型；

步骤二：确定刀具的重心坐标；

步骤三：设定重心坐标相区内二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度为变量，二级切削段上的排屑槽长度和三级切削段上的排屑槽长度的变化范围在20mm以内，步长是0.05-0.2 mm；通过调节变量的数值来调节重心坐标，进行有限次计算，选取使重心坐标靠近中心坐标最近的变量的数值为设计值。

2.根据权利要求1所述的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，其特征在于所述的一级切削段上的四个切削齿中，两个切削齿以一级切削段的轴线对称、另外两个切削齿错位设置；二级切削段上的两个切削齿与一级切削段上的两个错位设置的切削齿相对应的设置在二级切削段上，三级切削段上的两个切削齿与一级切削段上的两个对称设置的切削齿相对应的设置在三级切削段上。

3.根据权利要求1所述的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，其特征在于所述的二级切削段呈由前至后直径逐渐变大的锥形，其上的切削齿为在二级切削段上切削出二级排屑槽，二级排屑槽一侧为二级切削齿。

4.根据权利要求1所述的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，其特征在于所述的三维绘图软件为solidworks或UG。

5.根据权利要求1所述的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，其特征在于所述的步骤三中增设重心坐标相区内二级切削段上的排屑槽安装PCD刀片的一侧面的轴向角度为变量。

6.根据权利要求5所述的喷油嘴安装孔用金刚石复合铣刀，其特征在于所述的排屑槽安装PCD刀片的一侧面的轴向角度的变化范围为2-5°。

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