CN114472996A - 一种非标复杂型线铣刀及其断屑槽的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非标复杂槽型铣刀及其断屑槽的加工方法，该铣刀的刃口型线是枞树型，具有3或4齿，铣刀的前角为0°、螺旋角为10⁰～15°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：R＞r；且r=(L/2×L/2+h×h‑2×R×h)/(2×h)，式中：L‑波距，h‑波深，r‑上半波圆弧半径；R‑下半波圆弧半径。断屑槽的加工方法是用AutoCAD绘图工具软件绘制出铣刀断屑槽型线，将其导入数控机床控制系统的num软件，自动生成断屑槽的加工程序，由机床自动加工出铣刀断屑槽。

Description

一种非标复杂型线铣刀及其断屑槽的加工方法

技术领域

本发明涉及金属切削刀具的设计加工技术，具体是一种非标复杂槽型铣刀及其断屑槽的加工方法。

背景技术

转子是汽轮机关键部件之一，其加工质量直接关系到汽轮机性能。而转子加工中最为关键、最为困难的是轮槽的加工保证了轮槽的加工质量就从根本上保证了转子的加工质量。汽轮机的轮槽大多采用枞树型轮槽，但这种结构精度要求极高，加工难度大，多用成形铣刀整体加工成形。转子轮槽通常采用轮槽粗铣刀、半精铣刀、精铣刀三种刀具进行加工(如图1所示)。在加工过程中，由于半精铣轮槽铣刀与被加工轮槽转子表面的接触面积较大，在切削时会产生很大的摩擦力，从而导致了刀具较大的切削力和较高的切削热。此外，用半精铣轮槽铣刀切削加工，被加工转子轮槽表面的切屑面积较大，加工时产生的切屑难以尽快排除，当走刀量过大时，还会产生振动现象，对切削效率和刀具使用寿命均产生很大影响。而带波刃的半精铣枞树型轮槽铣刀正好解决了加工过程出现的切削力、切削热、排屑、振动等问题。波形刃波槽又称为分屑槽，波形槽在每条切削刃上刃磨出的分屑槽是相互互补的，其轴向错开距离为每条切削刃的(波距/铣刀槽数)，其作用是用来起切削时断屑作用。半精铣轮槽铣刀在切削时，每条铣刀槽是在刀具高速旋转时连续切削的，为使加工出来的零件表面具有较高的工件表面质量，产品表面粗糙度符合加工要求，波形刃分屑槽的分布应尽量均匀，使每条刀齿切削后，为下几条刀齿留下均匀的余量，且使刀具在切削时每条切削刃尽可能受力均匀，从而使刀具均匀磨损，以此保证刀具的使用寿命。同时，波形刃分屑槽的槽深也影响刀具的使用寿命。当槽深太深时，则会使刀具的强度下降。通常，由于结构原因，刀具小端处的刀齿底部齿背宽度较窄，若分屑槽过深，刀具在小端处强度会下降，使原本就容易产生断裂的小端齿槽增加了断裂的危险。当槽深太浅时，又会使刀具重复修磨次数减少。因为若波形分屑槽太浅，会影响刀具断屑与排屑，失去分屑槽应有的作用。而带波刃的粗铣和半精铣枞树型轮槽铣刀齿形曲线复杂，技术准备时间很长，还不能保证型线完全正确,且手工绘制时，容易造成弧段连接处不相切，引起加工的振动。针对这一问题，发明人提出了解决方案并于2014年、2015年分别公开了两个专利,其专利号(申请号)分别为CN201410846249.4、CN201510015570.2。随着该方法在汽轮机转子轮槽铣刀加工过程的多次工程应用实践，发明人发现原方法存在一定的问题：

CN201410846249.4专利所述的加工方法针对粗铣刀是非常实用的，因为该种刀具只是直线，而没有像枞树型型线的陡面。针对枞树型型线用原画法存在三个方面的问题：1.原画法型线圆弧与直线相交处分屑槽波顶会超过理论型线位置，而且波顶R很小，容易崩刃；2.理论型线陡面位置分屑槽会出现内凹干涉。即但当枞树型半精铣刀型线有陡面的时，作上r与下半R的公切线，而公切线与垂线的夹角大于0°(以垂线为基准，逆时针方向为正方向)，则砂轮会产生干涉，无法加工此段波纹，以前的处理方法是用理论型线代替绘制出来的波刃线，如图1、图2所示。但这样处理会存在一个问题，此段型线没有波纹线(即此段波线用理论型线代替的，不是带有波深的波线，即此处波深为零)，直接导致的结果是：刀具重复修磨次数减少且会影响刀具断屑与排屑，失去分屑槽应有的作用，降低了实际工程的应用价值。3.波底R容易偏小，小于砂轮的R也会导致干涉。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种复杂槽型铣刀及其分屑槽的加工方法，其技术解决方案是：

一种非标复杂槽型铣刀，该铣刀的刃口型线是枞树型，具有3或4齿，铣刀的前角为0°、螺旋角为10°～15°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：R＞r；且r＝(L/2×L/2+h×h-2×R×h)/(2×h)，式中：L-波距，h-波深，r-上半波圆弧半径；R-下半波圆弧半径。

所述非标复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，用autocad绘图工具软件绘制出铣刀断屑槽型线，将其导入数控机床控制系统的num软件，自动生成断屑槽的加工程序，由数控机床自动加工出铣刀断屑槽，所述绘制出铣刀断屑槽型线的具体步骤是：

1.画理论型线：根据设计图纸数据画出铣刀理论型线，理论型线是由很多直线和圆弧构成的，因此先将理论型线用AutoCAD命令“编辑多线段”将理论型线连成一条多线段。

2.等分多线段：对刀具理论型线按波距L进行定距等分，并将定距等分后的多线段向刀具理论型线内侧偏移，偏移距离为上半波圆弧半径r；

3.画垂线：过定距等分点作偏移线的垂线；

4.画圆：以偏移线上所有垂点为圆心作以上半波圆弧r为半径的圆；

5.波深设置：将第1步连接好的多线段炸开，便将理论型线分成圆弧段和直线段，1)将圆弧段向刀轴中心方向偏移波深h的距离；2)将刀具理论型线开始处直线部分也偏移波深h的距离；3)过型线上每条直线段的顶点，作刀轴中心的垂线，测量出来的角度分别为16°，36°，当理论型线的直线段与铅垂线夹角为15°～30°之间时，实际波深h’＝理论波深h×(刃口型线直线段与铅垂线的实际夹角/30°)，故当夹角＝16°时，断屑槽实际波深＝h×(16°/30°)＝0.53h，故偏移0.53h；4)36°直线段部分偏移h；

6.作公切圆：对相邻两个上半波圆弧r的两个圆与内偏理论波深h的圆弧段或内偏理论波深h的直线段或内偏实际波深h’的直线段上执行AutoCAD命令“绘图——圆——相切相切相切”，这样就得到断屑槽的下半波圆弧半径R；

7.手动绘制波线：将上半波圆弧半径r与下半波圆弧半径R上多余的线剪切掉得出断屑槽型线，就可以画出第一条波线；

8.画第二条波线：将理论型线截去波长/齿数，重复步骤1至7，即得到第二条波线；

9.画第三条波线：将理论型线截去2倍波长/齿数，重复步骤1至7，即得到第三条断屑槽型线；依次类推，若铣刀是4齿，则将理论型线截去3倍波长/齿数，重复步骤2至7，即得到第四条断屑槽型线。

10.拟合波线：将画好的三条波线拟合在一起；

11.手动处理波线：分析波线，型线与铅锤线的夹角小于15°则直接用理论型线代替；

12.得到生产加工线：将每一条波线与理论型线都复制到坐标原点(0，0)，然后将此型线打散，导入机床控制系统的num软件，输出数控刀具磨床需要的NC加工程序，即可加工出铣刀的断屑槽。

本发明的有益效果：

1.通过此种绘制方法，确定了纵树型轮槽型线铣刀断屑槽型线上半波的r，杜绝在刀具型线圆弧与直线相交处分屑槽波顶r可能超过理论型线位置情况，保证了刀具的强度；

2.原绘制方法为了避免刀具型线陡面位置分屑槽会出现内凹干涉，当型线的铅锤线与刀具型线夹角在0°～30°均用理论型线代替(且用手工绘制完成)，则此段无断屑，不起断屑作用。但改进方法夹角在15°～30°都可以画出断屑槽，起到了断屑的作用，减小了切削力与振动，使刀具在加工时切削更平稳，从而提高了加工效率和延长了刀具寿命；

3.避免断屑槽波底R较小时引起的干涉，此时的波底R均大于波顶r。

4.所有断屑槽的型线及波线在AutoCAD中绘制时，均用程序完成，仅需1分钟即可。

附图说明

图1红色部分线为理想状态下的第一波线图

图2理论型线代替波线的加工型线图

图3理论型线及偏移型线图

图4偏移型线的垂线图

图5波顶r形成图

图6偏移波深型线图

图7过三点作公切圆图

图8第一条波线图

图9第二条波线图

图10第三条波线图

图11三条波线拟合图

图12一条完整波线图

图13断屑槽波线数据模型图a

图14断屑槽波线数据模型图b

具体实施方式

本发明的非标复杂槽型铣刀及其断屑槽的加工方法，该铣刀的刃口型线是枞树型，具有3或4齿，铣刀的前角为0°、螺旋角为10°～15°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：R＞r；且r＝(L/2×L/2+h×h-2×R×h)/(2×h)，式中：L-波距，h-波深，r-上半波圆弧半径；R-下半波圆弧半径。

首先，建立铣刀断削槽的数学模型：

1.设R为断屑槽的波顶圆弧半径；L为波距，h为波深，r为波底圆弧的半径。

2.刀具断屑槽型线由圆弧段和直线段组成，将圆弧段型线向内偏移波深的距离h，其L、h、R、r参数的数学表达式如下：

在直角三角形o1o2o3中(详见图13)：斜边o1o2＝R+r，直角边o1o3＝L/2，直角边o2o3＝R+r-h，应用直角三角形勾股定理得：(斜边o1o2)²＝(直角边o1o3)²+(直角边o2o3)²，即(R+r)²＝(L/2)²+(R+r-h)²，整理得r＝(L/2×L/2+h×h-2×R×h)/(2×h)。

在直角三角形o4o3o6中((详见图14)：斜边o4o6＝R+r，直角边o3o4＝L/2，直角边o3o6＝R+r-h，b+c＝90°，e+c＝90°，从而b＝e，可以推出角o5o4o6＝2e，2：e+c+a＝180°，所以a＝90°-b，tanb＝(L/2)/(R+r))，b＝arctan((L/2)/(R+r))，所以a＝900-arctan((L/2)/(R+r))，则f＝900-a＝90⁰-(90⁰-arctan((L/2)/(R+r)))，即f＝arctan((L/2)/(R+r))。当f在15°～30°时，直线段偏移的距离h’＝理论波深h×(刃口型线直线段与铅垂线的实际夹角/30°)。

3.对于直线段而言，则要判断直线段与刀具中心线的铅垂线的夹角(逆时针为正)。

1)当直线段与刀具中心线的铅垂线的夹角在0°～15°时，不画断屑槽波线；

2)当直线段与刀具中心线的铅垂线的夹角在15°～30°时，直线段偏移的距离h’＝理论波深h×(刃口型线直线段与铅垂线的实际夹角/30°)，其L、h’、R、r参数的数学表达式为：(R+r)²＝(L/2)²+(R+r-h’)²,整理得r＝(L/2×L/2+h×h-2×R×h)/(2×h)。

3)当直线段与刀具中心线的铅垂线的夹角未在0°～30°范围，则将型线的直线段部分向内偏移波深的距离h，其L、h、R、r参数的数学表达式为：(R+r)²＝(L/2)²+(R+r-h)²，整理得r＝(L/2×L/2+h×h-2×R×h)/(2×h)。

所述非标复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，用autocad绘图工具软件绘制出铣刀断屑槽型线，将其导入数控机床控制系统的num软件，自动生成断屑槽的加工程序，由数控机床自动加工出铣刀断屑槽，所述绘制出铣刀断屑槽型线的具体步骤是：

1.画理论型线：根据设计图纸数据画出铣刀理论型线，理论型线是由很多直线和圆弧构成的，因此先将理论型线用AutoCAD命令“编辑多线段”将理论型线连成一条多线段。

2.等分多线段：对刀具理论型线按波距L进行定距等分(举例波距L＝1.5mm，则定距等分距离为1.5mm)，并将定距等分后的多线段向刀具理论型线内侧偏移，偏移距离为上半波圆弧半径r(举例上半波圆弧半径r＝0.6mm，详见图3)；

3.画垂线：过定距等分点作偏移线的垂线，详见图4；

4.画圆：以偏移线上所有垂点为圆心作以上半波圆弧r为半径的圆(举例上半波圆弧r＝0.6mm，且所有圆将通过刀具理论型线上的定距等分点)。其目的是整条型线各处上半波圆弧半径r统一为0.6mm，详见图5；如果刀具型线各处的上半波圆弧半径r不统一，则会出现型线上半波圆弧半径与齿距或齿厚面相接处的上半波圆弧半径r很小，易崩刃；统一上半波圆弧半径r一方面避免了刀具易崩刃，另一方面杜绝了上半波圆弧与型线的直线段相交处其断屑槽的上半波圆弧会超过理论型线位置的情况。

5.波深设置：将第1步连接好的多线段炸开，便将理论型线分成圆弧段(洋红色标识)和直线段(红色标识)，1)将圆弧段洋红色部分向刀轴中心方向偏移波深h的距离；2)将刀具理论型线开始处直线部分也偏移波深h的距离；3)过型线上每条直线段的顶点，作刀轴中心的垂线，测量出来的角度分别为16°，36°，当理论型线的直线段与铅垂线夹角为15°～30°之间时，实际波深h’＝理论波深h×(刃口型线直线段与铅垂线的实际夹角/30°)，故当夹角＝16°时，断屑槽实际波深＝h×(16°/30°)＝0.53h，故偏移0.53h；4)36°直线段部分偏移h；详见图6(此处举例理论波深h＝0.2mm，故实际波深h’为0.53h＝0.11mm)。

6.作公切圆：对相邻两个上半波圆弧r(r＝0.6mm)的两个圆与内偏理论波深h(h＝0.2mm)的圆弧段或内偏理论波深h(h＝0.2mm)的直线段或内偏实际波深h’(h’＝0.11mm)的直线段上执行AutoCAD命令“绘图——圆——相切相切相切”，这样就得到断屑槽的下半波圆弧半径R，各处的下半波半径R将会不一致，详见图7。

7.手动绘制波线：将上半波圆弧半径r与下半波圆弧半径R上多余的线剪切掉得出断屑槽型线，就可以画出第一条波线，详见图8；

8.画第二条波线：将理论型线截去波长/齿数，重复步骤1至7，即得到第二条波线，详见图9；

9.画第三条波线：将理论型线截去2倍波长/齿数，重复步骤1至7，即得到第三条断屑槽型线，详见图10；依次类推，若铣刀是4齿，则将理论型线截去3倍波长/齿数，重复步骤⑵至⑺，即得到第四条断屑槽型线。

10.拟合波线：将画好的三条波线拟合在一起，详见图11；

11.手动处理波线：分析波线，型线与铅锤线的夹角小于15°则直接用理论型线代替，详见图12；

12.得到生产加工线：将每一条波线与理论型线都复制到坐标原点(0，0)，然后将此型线打散，导入机床控制系统的num软件，输出数控刀具磨床需要的NC加工程序，即可加工出铣刀的断屑槽。

Claims (2)

1.一种非标复杂槽型铣刀，该铣刀的刃口型线是枞树型，具有3或4齿，铣刀的前角为0°、螺旋角为10°～15°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：R＞r；且r=(L/2×L/2+h×h-2×R×h)/(2×h)，式中：L-波距， h-波深， r -上半波圆弧半径；R -下半波圆弧半径。

2.权利要求1所述非标复杂槽型铣刀断屑槽的加工方法，用AutoCAD绘图工具软件绘制出铣刀断屑槽型线，将其导入数控机床控制系统的num软件，自动生成断屑槽的加工程序，由数控机床自动加工出铣刀断屑槽，其特征在于，所述绘制出铣刀断屑槽型线的具体步骤是：

1.画理论型线：根据设计图纸数据画出铣刀理论型线，理论型线是由很多直线和圆弧构成的，因此先将理论型线用AutoCAD命令“编辑多线段”将理论型线连成一条多线段；

2.等分多线段：对刀具理论型线按波距L进行定距等分，并将定距等分后的多线段向刀具理论型线内侧偏移，偏移距离为上半波圆弧半径r；

3.画垂线：过定距等分点作偏移线的垂线；

4.画圆：以偏移线上所有垂点为圆心作以上半波圆弧r为半径的圆；

5.波深设置：将第1步连接好的多线段炸开，便将理论型线分成圆弧段和直线段，1）将圆弧段向刀轴中心方向偏移波深 h的距离；2）将刀具理论型线开始处直线部分也偏移波深h的距离；3）过型线上每条直线段的顶点，作刀轴中心的垂线，测量出来的角度分别为16°，36°，当理论型线的直线段与铅垂线夹角为15°～30°之间时，实际波深h’=理论波深h×（刃口型线直线段与铅垂线的实际夹角/30°），故当夹角=16°时，断屑槽实际波深=h×（16°/30°)=0.53h，故偏移0.53h；4）36°直线段部分偏移h；

6.作公切圆：对相邻两个上半波圆弧r的两个圆与内偏理论波深 h的圆弧段或内偏理论波深h的直线段或内偏实际波深h’的直线段上执行AutoCAD命令“绘图——圆——相切相切相切”，这样就得到断屑槽的下半波圆弧半径R；

7.手动绘制波线：将上半波圆弧半径r与下半波圆弧半径R上多余的线剪切掉得出断屑槽型线，就画出第一条波线；

8.画第二条波线：将理论型线截去波长/齿数，重复步骤1至7，即得到第二条波线；

9.画第三条波线：将理论型线截去2倍波长/齿数，重复步骤1至7，即得到第三条断屑槽型线；依次类推，若铣刀是4齿，则将理论型线截去3倍波长/齿数，重复步骤2至7，即得到第四条断屑槽型线；

10.拟合波线：将画好的三条波线拟合在一起；

11.手动处理波线：分析波线，型线与铅锤线的夹角小于15°则直接用理论型线代替；

12.得到生产加工线：将每一条波线与理论型线都复制到坐标原点（0，0），然后将此型线打散，导入机床控制系统的num软件，输出数控刀具磨床需要的NC加工程序，即加工出铣刀的断屑槽。

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