CN113399726A - 一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法，盘状铣刀包括第一空心柱段、第二空心柱段、空心锥段，第一空心柱段位于最上方，空心锥段用于连接第一空心柱段和第二空心柱段，空心锥段上窄下宽，在第二空心柱段下端面、外壁面、内壁面以及空心锥段靠近第二空心柱段的外壁面均镀砂，第二空心柱段内壁面镀砂高度不少于2mm，空心锥段外壁面镀砂区域在竖直方向的投影不少于2mm。本发明有效保证了产品加工精度，解决了刀具磨损严重、损耗率过高的问题。

Description

一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法
技术领域
本发明属于防热部段数控加工技术领域，涉及一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法。
背景技术
防热部段通常由金属壳体、复合材料防热层、防热零部件等组成。传统规则形状的部段(规则圆锥状)，采用简单的车削就能够满足加工要求。但是随着武器飞行条件和飞行状态的改变，异形、大尺寸部段应运而生，同时随之而来的加工难度也愈来愈大。其金属壳体经铺层、加温固化后，形成部段防热壳体组件毛坯。
异形、大尺寸部段局部面积区域的余量较大，通常为60～80mm，当前都是采用电镀金刚石平底锥度盘刀完成型面的加工工作。但是传统平底锥度盘刀的损坏形式表现在镀层严重脱落，其中镀层脱落的区域通常为平底锥度盘刀内碗边缘以及外径边缘。
造成上述问题的原因主要存在两个方面：
首先，加工曲率半径较大的型面区域，此时型面切面直观表现为相对平坦，此时刀具仍然采用大吃刀量进行型面的铣削(磨削)工作，此时极易导致刀具内碗边缘的金刚石镀层被剥落。
其次，刀具在铣削部段侧缘大余量区时，刀具的运动方向与型面切面的切线方向相同，此时刀具外径边缘的金刚石镀层被剥落。
实际生产中，刀具的进给形式以及数控刀路轨迹已经基本固化，但上述两种刀具损伤形式，又引起了刀具大量的磨损，具体表现在加工某舱段型号时，一发产品损坏3把刀具。因此，如何在满足型号生产任务的前提下，尽可能的降低刀具损耗成本，是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法。
本发明解决技术的方案是：
一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，所述盘状铣刀包括三段，第一空心柱段、第二空心柱段、空心锥段，所述第一空心柱段位于最上方，空心锥段用于连接第一空心柱段和第二空心柱段，空心锥段上窄下宽，在第二空心柱段下端面、外壁面、内壁面以及空心锥段靠近第二空心柱段的外壁面均镀砂，第二空心柱段内壁面镀砂高度不少于2mm，空心锥段外壁面镀砂区域在竖直方向的投影不少于2mm。
镀砂的材料为金刚砂。
采用钎焊或电镀方式将金刚砂镀在刀具基材相应位置上。
盘状铣刀端面排屑槽为螺旋式，排屑槽宽度≥5mm。
盘状铣刀内部轮廓结构要求：
锥段空腔上端面内径为42±1mm，锥段空腔下端面内径为60±1mm，第一空心柱段内径为22mm或27mm。
盘状铣刀锥段外部轮廓结构要求：
锥段上端面外径为62±1mm，锥段下端面外径为80mm。
第二空心柱段高度10mm，外径80mm。
所述盘状铣刀的应用方法，步骤如下：
(1)将舱体吊装至机床台面并分析舱体多曲率曲面空间位置；
(2)依据舱体端面以及定位销特征装夹找正，建立G54；
(3)在机床的刀柄上安装盘状铣刀，利用螺钉压紧，要求拧紧力矩不少于30N·M；
(4)利用激光对刀仪测量盘状铣刀以及刀柄的总长、刀具直径、刀具末端圆角；
(5)将盘状铣刀尺寸输入数控机床；
(6)调用型面轮廓铣削数控程序；
(7)按粗加工、半精加工、精加工顺序逐层铣削舱体大余量区多曲率曲面异形轮廓；
(8)加工完成后，测量并记录余量情况；
(9)清理盘状铣刀、机床，拆解刀柄至指定位置；
(10)提检，完成产品加工。
应用时，产品型面或产品型面曲率半径的切线与盘状铣刀下端面之间的最小夹角
Figure BDA0003078633860000031
D1为第二空心柱段外径，D2为锥段空腔下端面内径。
应用时，盘状铣刀的每刀切削深度L满足：
Figure BDA0003078633860000032
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明针对某多曲率曲面防热部段数控加工中刀具出现的技术难点，通过分析多曲率曲面特征，从理论上计算了刀具易损区域并与实践相对应。在不改变加工形式以及加工效率的前提下，改变涂层区域，优化设计了盘状铣刀涂层部位的尺寸。同时铣削过程中控制盘状铣刀切削深度。上述策略共同解决了盘状铣刀在多曲率曲面铣削应用过程中存在的涂层易脱落问题，克服了盘状铣刀刀具切削深度小的困难，从而减小了盘状铣刀在多曲率曲面加工过程中的耗损，提高了经济效益。
应用本发明提供的多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及应用方法，刀具磨损的问题得到了有效解决，单舱段损耗刀具数量不足1把，生产中的刀具成本至少降低了66.7％。有效保证了产品加工精度，解决了刀具磨损严重、损耗率过高的问题。
附图说明
图1为刀具切削工件示意图；
图2为刀具切削机理示意图；
图3为内径无镀层的原始刀具示意图；
图4为改进后的刀具内径镀层示意图；
图5为改变刀具切削深度示意图；
图6为改变刀具与产品型面的夹角示意图；
图7为改进前和改进后刀具锥度区镀层示意图，其中(a)为原始刀具锥度区，(b)为改进后的刀具锥度区增加的镀层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法，针对某异形面对称防热部段数控加工中刀具出现的技术难点，进行了理论上的分析与探索，在不改变加工形式以及加工效率的前提下，涂层区域允许变化，基于理论计算，对易损涂层区增补涂层，严格控制切削深度。经过改进了加工方案以及刀具的结构后，刀具磨损的问题得到了有效解决，单舱段损耗刀具数量不足1把，生产中的刀具成本至少降低了66.7％。
如图1、图4和图7所示，本发明盘状铣刀包括三段，第一空心柱段、第二空心柱段、空心锥段，所述第一空心柱段位于最上方，空心锥段用于连接第一空心柱段和第二空心柱段，空心锥段上窄下宽。盘状铣刀内部形成碗型轮廓。盘状铣刀镀砂的范围包括内外轮廓以及外部锥段的局部轮廓。
具体地，在第二空心柱段下端面、外壁面、内壁面以及空心锥段靠近第二空心柱段的外壁面均镀砂，第二空心柱段内壁面镀砂高度不少于2mm，空心锥段外壁面镀砂区域在竖直方向的投影不少于2mm。
盘状铣刀端面排屑槽为螺旋式，排屑槽宽度≥5mm。
盘状铣刀内部轮廓结构要求：锥段小径为42±1mm，锥段大径为60±1mm，第一空心柱段内径尺寸为22mm或27mm。
外部锥段轮廓结构要求锥段小径为62±1mm，锥段大径为80mm，同时第二空心柱段高度10mm，外径80mm。
盘状铣刀的金刚砂与刀具基材可采用钎焊和电镀两种方式。
盘状铣刀的应用方法，步骤如下：
(1)将舱体吊装至机床台面并分析舱体多曲率曲面空间位置；
(2)依据舱体端面以及定位销特征装夹找正，建立G54；
(3)在机床的刀柄上安装盘状铣刀，利用螺钉压紧，要求拧紧力矩不少于30N·M；
(4)利用激光对刀仪测量盘状铣刀以及刀柄的总长、刀具直径、刀具末端圆角；
(5)将盘状铣刀尺寸输入数控机床；
(6)调用型面轮廓铣削数控程序；
(7)按粗加工、半精加工、精加工顺序逐层铣削舱体大余量区多曲率曲面异形轮廓；
(8)加工完成后，测量并记录余量情况；
(9)清理盘状铣刀、机床，拆解刀柄至指定位置；
(10)提检，完成产品加工。
应用时，产品型面或产品型面曲率半径的切线与盘状铣刀下端面之间的最小夹角
Figure BDA0003078633860000051
D1为第二空心柱段外径，D2为锥段空腔下端面内径。
盘状铣刀的每刀切削深度L满足：L＜LAC
Figure BDA0003078633860000052
实施例：
按照本发明的刀具结构和设计参数设计盘状铣刀，其中第二空心柱段内壁面镀砂高度为5mm，空心锥段外壁面镀砂区域在竖直方向的投影为4mm。
并按照以下步骤应用：
(1)将舱体吊装至机床台面。
(2)依据舱体端面以及定位销特征装夹找正，建立G54；
(3)安装P80平底盘状铣刀，利用螺钉压紧，要求拧紧力矩不少于30N·M。
(4)利用激光对刀仪测量盘状铣刀以及刀柄的总长、刀具直径、刀具末端圆角。
(5)将对应刀具尺寸输入数控机床。
(6)调用型面轮廓铣削数控程序。
(7)分粗加工、半精加工、精加工逐层铣削产品大余量区多曲率曲面异形轮廓。
(8)测量并记录余量情况。
(9)清理刀具、机床，拆解刀柄至指定位置。
(10)提检，完成产品加工。
应用时，为了避免内外镀层脱落，应遵循一定的设计原则，具体分析如下：
(1)刀具内碗边缘镀层剥落
如图1所示，粗黑色线条为镀层区域，刀具外径镀层与三角形工件接触。刀具外径(第二空心圆柱外径)为D1，刀具内径(第二空心圆柱内径)为D2，则刀具端面镀层范围如图2中所示，为LAB＝(D1-D2)/2。α为产品外形经过装夹找正后，型面自身或型面切线与水平线(或刀具端面之间的夹角)，显然
Figure BDA0003078633860000061
假设刀具每刀切深为L，由实际工作中可知刀具的切深方向垂直于产品外形面的切线，即AC⊥AD，如图中AC、AD线段所示，那么显然当L>LAC时，刀具内径就将接触工件的表面。未经改进前的刀具，刀具内径没有金刚石磨粒镀层，因此若实际生产中吃刀量L(即每刀切削深度)>LAC时，此时刀具端面的金刚石镀层极易脱落。
为了缓解刀具内径边缘镀层脱落的现象，提出两种解决方案：控制加工参数和优化刀具结构。
·控制加工参数
在不改变刀具结构及刀具镀层尺寸的前提下，严格控制吃刀量L或者产品型面与刀具之间的夹角α。举个例子来说明：
首先，当明确刀具内外径尺寸D1、D2、机床常用的吃刀量L时，可以反推出该刀具适用的产品外形。如战斗部舱防热壳体组件的机械加工中，常使用Φ80mm(D1)的平底锥度盘刀，其内径为Φ60mm(D2)，则端面的镀层尺寸单边
Figure BDA0003078633860000071
为10mm。而战斗部舱迎风面的粗加工过程中，吃刀量L最大为4mm，那么此时利用公式
Figure BDA0003078633860000072
计算产品型面与刀具端面之间的最小夹角α。产品型面(或型面曲率半径的切线)与刀具端面之间的夹角最小为
Figure BDA0003078633860000073
即若使用Φ80mm平底锥度盘刀加工产品外型面，切削深度为4mm，则产品外型面(或型面曲率半径的切线)与刀具端面之间的夹角不得小于23.58°。
其次，按照上述要求，利用该Φ80mm平底锥度盘刀时，若产品外型面(或型面曲率半径的切线)与刀具端面之间的夹角小于23.58°时，此时刀具的每刀切削深度不应该超过4mm，甚至应该依据实际的夹角酌情调整产品的吃刀量，即L＜LAC。
·优化刀具结构
前一个解决办法中，主要侧重于通过不让刀具内碗边缘镀层接触工件的方式来避免镀层脱落。而优化刀具结构即是指通过将刀具结构进行改变，从根源上解决刀具内碗边缘镀层剥落的问题。
具体表现在：在刀具内碗内，增加5mm的镀层，参见图3和图4中圆圈区域的对比示意图。此时刀具端面的镀层与刀具内碗镀层之间是连续的，连续的镀层必然能够提高了镀层自身强度，提高自身强度后，磨削材料时便降低了刀具镀层的磨损，因此该方法一定程度上改善了刀具内径边缘镀层脱落的问题。
(2)刀具外径边缘镀层脱落
如图5中刀具外径边缘镀层脱落示意图中所示，镀层的脱落同样能够通过两种方案来改善。
·修改数控加工中的刀具镀层有效切削区域
该方案主要针对调整数控加工方法的方式来改善刀具镀层脱落问题。刀具镀层边缘处切削产品大余量区，此时正如图5中镀层脱落区中所示的那样，镀层局部受到的应力过大，镀层的连接强度较弱，多方面引起了刀具镀层脱落。因此为了避免镀层边缘切削工件，应该调整数控加工程序中的切削深度，即实际切削深度L满足L＜LAC，如图6中所示：
·优化刀具结构
前一个解决办法中，主要侧重于通过不让刀具外径边缘镀层接触工件的方式来避免镀层脱落。下面主要侧重从刀具结构方面优化设计以改善该问题。
经过仔细分析原刀具的结构，发现其刀具外径锥度区的位置没有镀层，然而刀具外径边缘镀层在型号部段侧缘区域的加工中占据着重要的作用，因此最好的解决方案是提高外径边缘位置镀层连接强度。
本发明在刀具外径锥度区域，增加4mm的镀层，参见图7(a)和(b)中圆圈区域的对比示意图。此时刀具锥度区镀层与刀具外径镀层之间是连续的，连续的镀层必然能够提高了镀层自身强度。因此该方法一定程度上改善了刀具外径边缘镀层脱落的问题。
上述方案中，通过对刀具使用方法以及刀具结构优化设计两方面进行研究与探索。实际生产中，该刀具单发舱段损耗效率降低了66.7％。同时该刀具的优化改进方案不仅适用于战斗部舱，对于其他异形部段数控加工同样具有适用性。
本发明提供一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀及其应用方法，针对某多曲率曲面防热部段数控加工中刀具出现的技术难点，进行了理论上的分析与探索，在不改变加工形式以及加工效率的前提下，优化了加工方案与刀具的结构形式。经过改进了加工方案以及刀具的结构形式后，刀具磨损的问题得到了有效解决，单舱段损耗刀具数量不足1把，生产中的刀具成本至少降低了66.7％。
本发明主要应用于某型号防热部段多曲率曲面的高效数控加工，也可推广应用于其他类似产品难铣削大余量区域的复合材料防热结构。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：所述盘状铣刀包括三段，第一空心柱段、第二空心柱段、空心锥段，所述第一空心柱段位于最上方，空心锥段用于连接第一空心柱段和第二空心柱段，空心锥段上窄下宽，在第二空心柱段下端面、外壁面、内壁面以及空心锥段靠近第二空心柱段的外壁面均镀砂，第二空心柱段内壁面镀砂高度不少于2mm，空心锥段外壁面镀砂区域在竖直方向的投影不少于2mm。
2.根据权利要求1所述的一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：镀砂的材料为金刚砂。
3.根据权利要求2所述的一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：采用钎焊或电镀方式将金刚砂镀在刀具基材相应位置上。
4.根据权利要求1所述的一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：盘状铣刀端面排屑槽为螺旋式，排屑槽宽度≥5mm。
5.根据权利要求1所述的一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：盘状铣刀内部轮廓结构要求：
锥段空腔上端面内径为42±1mm，锥段空腔下端面内径为60±1mm，第一空心柱段内径为22mm或27mm。
6.根据权利要求1所述的一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：盘状铣刀锥段外部轮廓结构要求：
锥段上端面外径为62±1mm，锥段下端面外径为80mm。
7.根据权利要求1所述的一种多曲率曲面高效数控加工盘状铣刀，其特征在于：第二空心柱段高度10mm，外径80mm。
8.权利要求1-7任一项所述盘状铣刀的应用方法，其特征在于步骤如下：
(1)将舱体吊装至机床台面并分析舱体多曲率曲面空间位置；
(2)依据舱体端面以及定位销特征装夹找正，建立G54；
(3)在机床的刀柄上安装盘状铣刀，利用螺钉压紧，要求拧紧力矩不少于30N·M；
(4)利用激光对刀仪测量盘状铣刀以及刀柄的总长、刀具直径、刀具末端圆角；
(5)将盘状铣刀尺寸输入数控机床；
(6)调用型面轮廓铣削数控程序；
(7)按粗加工、半精加工、精加工顺序逐层铣削舱体大余量区多曲率曲面异形轮廓；
(8)加工完成后，测量并记录余量情况；
(9)清理盘状铣刀、机床，拆解刀柄至指定位置；
(10)提检，完成产品加工。
9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于：应用时，产品型面或产品型面曲率半径的切线与盘状铣刀下端面之间的最小夹角
Figure FDA0003078633850000021
Figure FDA0003078633850000022
D1为第二空心柱段外径，D2为锥段空腔下端面内径。
10.根据权利要求9所述的应用方法，其特征在于：应用时，盘状铣刀的每刀切削深度L满足：L＜LAC，
Figure FDA0003078633850000023
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