CN114160855A - 一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀 - Google Patents

Abstract

一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀包括刀体、最速曲线螺旋刃、容屑槽槽型和容屑槽。一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀考虑了最速曲线的最速特性和等时特性，可以保证在同一时刻、不同位置处产生的切屑能同时以最快的速度排出容屑槽，减少切屑在容屑槽的停留时间，降低切屑堆积的密度，减轻切屑与刀具的摩擦，减轻切屑之间相互挤压而引起的切屑堆积和排屑困难的问题，最大程度的降低切削温度、减轻刀具磨损，同时该立铣刀可有效减小铣削过程中的冲击和振动,从而达到改善被加工工件表面质量和延长刀具使用寿命的目的。

Description

一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体而言，涉及一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀。

背景技术

对于常规圆柱立铣刀，减小立铣刀螺旋刃的螺距会增大切削力，且缩小排屑空间，引起切屑阻塞容屑槽，不利于加工的顺利进行；而增大立铣刀螺旋刃的螺距虽然能降低切削力，但是会引起切屑从工件上剥离时的速度方向改变过大，进而引起刀-屑磨损严重、冲击明显以及切削温度过高的问题，从而严重缩短刀具的使用寿命。

同时，常规圆柱立铣刀的螺旋刃展开线是直线段，直线段的二阶导数不连续，因此在常规圆柱立铣刀的铣削过程中会存在冲击、振动明显的问题，明显降低被加工工件的表面质量。

实际上，在制造业上，常规圆柱立铣刀的应用范围非常广泛，立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。主要用于平面铣削、凹槽铣削、台阶面铣削和仿形铣削。圆柱立铣刀在航空航天、电子、通讯、汽车、模具、环境等工业领域都发挥着举足轻重的加工作用；在铝合金、不锈钢、复合材料、钢材及钛合金等材料的切削加工过程中有着不可或缺的地位。

钛合金具有强度高、耐蚀性好、耐热性高和韧性好等特点而非常适用于制造高端工业设备、航空航天装备，尤其广泛应用于制作飞机发动机压气机部件，特别适合生产战斗机零部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。但由于钛合金物理、化学和机械性能的相互影响造成加工难度大、切削效率低、刀具寿命短，主要表现在切削温度高、对刀具粘结和扩散严重等特点,是一种典型的难加工材料，在使用常规圆柱立铣刀铣削钛合金时存在如下的问题：

(1)切屑与前刀面接触面积小、刀尖应力大、温度高，从而使得刀尖和切削刃容易磨损。

(2)摩擦系数大。在相同条件下，钛合金材料与普通碳钢相比，其摩擦系数大，切屑流经前刀面时所作的摩擦功大，导致摩擦界面温度更高，使刀具易于磨损。

(3)化学活性高。钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氧、氮和水蒸气等发生化学反应，在钛合金表面生成硬化层，导致工件硬度大幅度提高，同时降低了工件塑性并且使切屑与前刀面的接触长度进一步减少，导致刀具磨损加快。

(4)热传导率低。钛合金的导热系数很小，分别只有45号钢的1/5～1/7、铝的1/14，且切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，导致刀具温度过高，加快刀具的磨损。

(5)已加工的钛合金表面常存在振纹明显的问题，这种现象尤其在薄壁件的铣削过程中更加明显，该现象主要是由于铣削过程中的冲击、振动引起的。

(6)在铣削钛合金时，由于钛合金弹性模量小，造成让刀现象，因此要求机床和刀具具有较强的刚性。同时铣削时，刀具与切屑接触长度短，卷屑不易，切屑堵塞会造成切削区域温度过高、刀具剧烈磨损的问题，进而大大缩短刀具的使用寿命。

为此本发明提出了一种能快速排屑、降低刀-屑摩擦、减缓刀具磨损、减小冲击、减小振动并能有效延长刀具使用寿命的最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀。这种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃沿刀体所在的圆柱体的展开线是最速曲线。以这条最速曲线在刀体上缠绕得到的螺旋刃为线型，以这个线型为引导线，以容屑槽槽型为截面型面得出本发明的最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃及容屑槽结构，最终得出能快速排屑、降低刀-屑摩擦、减缓刀具磨损、减小冲击、减小振动且使用寿命长的最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀。

发明内容

本发明提供一种圆柱立铣刀。

本发明提供的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃沿刀体所在的圆柱体的展开线是最速曲线，而常规圆柱立铣刀的螺旋刃沿刀体所在的圆柱体的展开线是直线。相比于常规圆柱立铣刀的螺旋刃展开线，本发明立铣刀的螺旋刃展开线与水平线间的夹角是从0开始增大的，这种改变可以保证切屑从工件上剥离时的速度方向变化不大，有效减缓刀具与切屑之间的挤压摩擦作用，使得切屑与刀具之间的挤压摩擦小，进一步使得产生的切削温度会相应降低。而切削温度是影响刀具磨损和刀具寿命的关键因素，故切削温度的降低会相应的减缓刀具的磨损程度，从而延长刀具的使用寿命。

随着本发明提供的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃的展开线的延伸，本发明立铣刀的螺旋刃展开线与水平线之间的夹角自刀尖点A开始呈连续性增大，这能有效地保证切屑的速度方向变化缓慢且连续，不会导致切屑与前刀面之间的压力的突变，在立铣刀的螺旋刃展开线与水平线之间的夹角逐渐变大的同时会伴随切屑与工件基体的剥离，被剥离的切屑的运动方向也会随上述夹角的逐渐变大呈连续、顺滑的趋势排出容屑槽。

而常规圆柱立铣刀的螺旋刃展开线是一直线段，其初始切线方向在呈骤变后始终保持一固定值不变，这就会导致在前刀面切入工件时，刚被剥离工件的材料的速度方向的突变，造成压应力的突然激增，容易引起刚从工件上剥离的材料与前刀面的粘结作用，同时切削温度和摩擦力等都会激增，加剧刀具磨损，严重降低刀具的使用寿命。

本发明提供的最速曲线的二阶导数存在且连续，而常规圆柱立铣刀的二阶导数并不连续，根据二阶导数的性质，相比于常规圆柱立铣刀，该性质减小本发明的立铣刀在铣削过程中冲击和振动，而冲击和振动的减小则能有效的抑制被加工工件表面的振纹，进而有效提高被加工工件的表面质量。

附图说明

图1为一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀三维图；

图2为一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的二维图；

图3为常规圆柱立铣刀刃线展开图；

图4为一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃展开线图；

图5为最速曲线形成原理图；

图6为常规圆柱立铣刀与本发明的刃线展开对比图。

图1-图6中，1是刀体；2是容屑槽；3是最速曲线螺旋刃；4是容屑槽槽型；A是立铣刀的任意一个刀尖点；l₀是常规圆柱立铣刀螺旋刃的展开线；l₁是本发明一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的最速曲线螺旋刃的展开线；g是圆柱立铣刀的螺旋刃展开线的水平距离；h是圆柱立铣刀的螺旋刃展开线的竖直距离；θ₀是常规圆柱立铣刀螺旋刃的展开线上任意点与水平线间的夹角；θ₁是一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃展开线上任意点与水平线间的夹角；x、y分别是坐标系的x轴和y轴；r是最速曲线对应的动圆半径；α是最速曲线上任意点在动圆的切线方向与该点和动圆圆心连线的夹角；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对技术方案作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不因此限定本发明的保护范围。

一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀三维图如图1所示，直观上可观察到本发明的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺距不等。本发明与常规螺旋刃立铣刀的区别在于：常规圆柱立铣刀的螺旋线是由与水平面呈θ₀角的直线段绕刀体缠绕而成，而本发明的立铣刀的螺旋线是最速曲线绕刀体缠绕形成的螺旋刃线，不再是直线段。

本发明的目的是通过综合考虑最速曲线的最速特性和等时特性，利用这两个特性优化立铣刀螺旋刃的线型，以容屑槽槽型为截面形状，以本发明优化得到的最速曲线螺旋刃引导性磨制本发明立铣刀的容屑槽，最终通过磨制得到本发明一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀。本发明作为全新的立铣刀螺旋刃线型，能让切屑以最少的时间排出容屑槽，解决钛合金在粗、精加工过程中出现的切屑堵塞、刀-屑摩擦功大、切削温度过高、刀具磨损剧烈等现象引起的刀具寿命短的问题，并能在一定程度上解决由于刀具寿命短而造成的加工效率低下和生产成本过高的问题。

尽管刀具制备过程中可以通过增大立铣刀螺旋刃的螺距达到降低切削力的目的，但是过大的螺距会导致切屑从工件上剥离时的速度方向与立铣刀的切削速度方向之间的夹角过大，根据牛顿第一运动定律可知，这会增大切屑对立铣刀前刀面和容屑槽的压力，进而增大刀-屑间的摩擦力，引起切削温度过高以及刀具磨损剧烈的问题，最终严重影响刀具的使用寿命。

下面对本发明实施例提供的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀进行介绍：

一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀包括刀体、最速曲线螺旋刃、容屑槽槽型和容屑槽。本发明的立铣刀的最速曲线螺旋刃的展开线是最速曲线，立铣刀的容屑槽槽型沿最速曲线螺旋刃在刀体上缠绕得到容屑槽。

常规螺旋刃立铣刀的螺旋刃线展开线如图3所示，参见图3，该类刀具的螺旋刃的展开线是直线段l₀，也就是螺距是等值恒定不变的，相应的螺旋刃的展开线上任意点与水平线间的夹角也是恒定不变的。本发明提供的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃展开线如图4所示，参见图4，本发明提供的螺旋刃展开线是最速曲线，相比于常规立铣刀的螺旋刃展开线是直线段的形式，本发明设计的最速曲线能保证切屑用时最少的流出容屑槽，降低切屑堆积、减少摩擦。减缓刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。

继续参见图4，在经过刀尖点A处建立一个相切于刀体1的平面，随后参见图5以刀尖点A为坐标系的原点，按照刀具螺旋刃的左旋或右旋的设计需求绘制坐标系，在本实施例中螺旋刃为左旋，故建立的坐标系如图5所示，根据下述公式(1)绘制最速曲线l₁，最速曲线的高度h等于本发明立铣刀的切削刃刃长h₁。

其中，x、y分别是坐标系的x轴和y轴；r是最速曲线对应的动圆半径；α是最速曲线上任意点在动圆的切线方向与该点和动圆圆心连线的夹角；

根据上述公式(1)所展示的方程，易知该方程的二阶导数存在且连续，根据二阶导数的性质可知该曲线光滑，相比于二阶导数不连续的常规立铣刀的螺旋刃展开线，可知使用本发明的立铣刀可有效抑制铣削过程的冲击和振动，有效抑制振纹的产生，提升被铣削加工表面的表面质量。

要保证0.5g≤r≤2g，其中，g是圆柱立铣刀的螺旋刃展开线的水平距离；r是最速曲线对应的动圆半径，上述的约束尺寸可以保证最速曲线的线型在本发明中发挥最大的排屑作用。

绘制的最速曲线l₁沿刀体所在的圆柱体进行缠绕即得到本发明提供的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的螺旋刃，以上述方法得到的螺旋刃为引导线，以容屑槽槽型为截面形状，使用五轴磨刀机经过扫掠磨削即完成本发明一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀的制备。

本发明为一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀，本发明通过优化螺旋刃线型改善了铣削过程的排屑问题，进而降低切削温度、减少刀具磨损、改善工件表面质量、延长刀具寿命，结合最速曲线的性质与铣削刀具切削过程的特点可知：

(1)最速曲线的性质之一是，物体在相同的两点之间下降时，参见图6，物体不是沿直线的连线方式l₀下降最快，而是物体从最速曲线l₁上滚下时速度最快、用时最少，因此将常规圆柱立铣刀的螺旋刃的展开线改成最速曲线后，可保证切屑以最快的速度、用时最少地流出容屑槽，减少切屑的堆积，最大程度地减轻切屑与刀具的摩擦，这样可以大幅降低切削温度、减少磨损，达到延长刀具使用寿命的目的。

(2)最速曲线又称“等时曲线”，“等时曲线”的特性是放置于“等时曲线”上任意位置的物体，他们都将以相同的时间落到同一位置。因此本发明提供的最速曲线螺旋刃能保证刀刃上同一时刻、在不同位置处产生的切屑能同时流出容屑槽，避免切屑之间相互挤压和切屑堆积引起的排除困难的问题，能达到源源不断地连续排除切屑的目的。

(3)本发明提供的最速曲线螺旋刃的展开线是最速曲线，最速曲线的长度l₁要长于常规的直线段l₀。如此，在同样的容屑槽槽型的情况下，同样体积的切屑在最速曲线l₁上的分布密度必然小于在直线段l₀上的分布密度，这样极大的降低了切屑之间的相互挤压、摩擦作用，在很大程度上缓解切屑的阻塞，更有助于切屑的排除。

(4)参见图1，本发明提供的最速曲线螺旋刃的结构设计可实现自刀尖A至刀刃结束处的容屑槽的排屑空间的增大，容屑槽上增大的排屑空间能缓解切屑的堆积密度，让切屑松散不粘结，减缓切屑与容屑槽的摩擦作用，进而降低切削温度，减少刀具磨损，有效延长刀具使用寿命。

(5)参见公式(1)，本发明提供的最速曲线的二阶导数存在且连续，因此相比于二阶导数不连续的常规立铣刀的螺旋刃展开线，可知本发明的立铣刀可有效抑制铣削过程的冲击和振动，有效抑制振纹的产生，提升被铣削加工表面的表面质量。

与常规螺旋刃立铣刀相比，本发明提供的一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀具有上述5个优点，可有效的解决铣削过程中由于切屑阻塞引起的刀-屑摩擦功大、切削温度过高、刀具磨损剧烈以及铣削过程的冲击振动的问题，本发明可解决由上述问题引起的加工效率低下、生产成本过高、表面质量缺陷的问题，有效延长刀具使用寿命，对生产加工大有裨益。

Claims (6)

1.一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀，其特征是：所述的立铣刀包括刀体、最速曲线螺旋刃、容屑槽槽型和容屑槽，所述立铣刀的最速曲线螺旋刃沿立铣刀所述的刀体的展开线是最速曲线，所述立铣刀的容屑槽槽型沿所述的最速曲线螺旋刃在所述刀体上缠绕得到容屑槽。

2.根据权利要求1所述的立铣刀，其特征是：所述的刀体是圆柱体，所述圆柱体的直径为0.5～30mm。

3.根据权利要求1所述的立铣刀，其特征是：所述的最速曲线需满足0.5g≤r≤2g，g是圆柱立铣刀的螺旋刃展开线的水平距离，r是最速曲线对应的动圆半径。

4.根据权利要求1所述的立铣刀，其特征是：所述圆柱立铣刀还包括刀尖点A，所述的最速曲线螺旋刃的螺距沿所述刀尖A向所述刀体增大。

5.根据权利要求1或4所述的立铣刀，其特征是：所述的容屑槽的排屑空间沿所述刀尖点A至所述刀体增大。

6.根据权利要求1所述的立铣刀，其特征是：所述的最速曲线的二阶导数存在且连续。

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