TWI503192B - 球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法 - Google Patents

Description

球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法

本發明係關於一種加工特性的決定方法，特別是關於一種球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法。

近年來，由於金屬加工技術的提升，產品之外型要求提高，造成具有自由曲面之產品需求大量增加，尤其是模具之曲面加工。曲面加工通常是使用球頭立銑刀(Ball End Mill)來進行，因此對於球頭立銑刀的技術需求就越來越高。在加工時，球頭立銑刀受到許多參數的影響，例如：進給速度、切削速度、切削深度、切削間距、切削力以及刀具的幾何形狀等參數。

在球頭立銑刀的加工中，常使用的加工方法為等高輪廓切削加工。高輪廓切削加工係以水平面為基準，根據需求設定多個等高面階段，其中每一個等高面階段均具有一切削路徑。每一個等高面階段包含軸向切深與徑向切深。軸向切深是在每一個等高面階段改變時，等高面切換所進行之切削加工。徑向切深是在每一個等高面階段中，球頭立銑刀隨著切削路徑移動來進行之切削加工。據此，曲面加工經過了一次一次的等高面面階段轉換之軸向切深，再根據每一層的切削路徑之徑向切深，以使工件形成所要求的目標曲面。

在等高輪廓切削加工中，操作人員必須現場判斷切 削體積與進給量，以判斷加工時間，進而估算單位時間內的生產量。然而，目前現場操作人員僅能以經驗粗淺的判斷最大的切削體積與進給量，使得現場操作員在遇到不同狀況時，無法及時且精確地判定的切削體積與進給量。

有鑑於此，本發明之一目的係在於提供一種球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，特別是切削體積與進給量之決定方法。此種決定方法可使操作員輸入一些容易判斷之參數，使加工機台反饋較難判斷之切削體積與進給量，用以調整加工之製程與速度。

為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，提出一種球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中等高輪廓切削係分為複數個等高階段，每一等高階段包含對一工件進行一軸向切深和一徑向切深，此決定方法包含：根據工件的材質、一球頭立銑刀的規格、使用球頭立銑刀之一加工機台的規格、工件的一目標面粗度來獲得複數個加工條件；根據下列關係式來獲得工件的切削體積Qc： 其中加工條件包含球頭立銑刀之刀具半徑R、球頭立銑刀之轉速N、球頭立銑刀之刃數Z、加工機台之最大每刃進給量(Feed/Tooth)FT、面粗高度Hc以及切削夾角γ。面粗高度Hc係由工件之切削曲面上相對於球頭立銑刀之軸心線之最高點與最低點之距離，其中切削曲面為進行每一等高階段之徑向切深後工件之加工面，且面粗高度Hc由目標面粗糙度來決定。切削夾角γ係圓錐面與球頭立銑刀之軸心線之間的夾 角，其中圓錐面包含球心與圓型線，球心位於軸心線上，而圓型線係以軸心線為圓心軸且與等高階段之複數個等高面平行的平面上，而此圓型線包含弧線，其中弧線位於球狀曲面上最靠近球心的位置，球狀曲面係在等高階段中進行軸向切深後，工件於軸向切深之位置上的加工面。切削體積Qc為單位時間內球頭立銑刀所移除之工件之體積，據此可由目標切削夾角γ_max 得到切削體積Qc的最大值。

依據本發明之另一實施例，上述之等高輪廓切削加工特性的決定方法，係由目標切削夾角γ_max ，並根據下列關係式來獲得工件的一切削斷面積Sc： 其中，切削斷面積Sc為進行軸向切深前後之工件之斷面積之面積差，此斷面積位於通過球頭立銑刀之軸心線並與切削方向垂直的一平面上。

依據本發明之又一實施例，上述之等高輪廓切削加工特性的決定方法係根據下列關係式來獲得切削力Fc：Fc =k ．Sc ．FT ，其中k為定值。

依據本發明之再一實施例，上述之切削夾角γ之角度範圍小於或等於60度。

依據本發明之一實施方式，提出一種球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中等高輪廓切削係分為複數個等高階段，且每一等高階段包含對工件進行軸向切深和徑向切深，而此決定方法包含：根據工件的材質、一球頭立銑刀的規格、使用球頭立銑刀之一加工機台的規格、工 件的一目標面粗度來獲得複數個加工條件；根據下列關係式來獲得工件的進給量F： 其中加工條件包含：球頭立銑刀之刀具半徑R、球頭立銑刀之刃數Z、加工機台之最大每刃進給量(Feed/Tooth)FT、銑削速度V以及面粗高度Hc。銑削速度V係為球頭立銑刀之刀刃切削工作物的線速度。面粗高度Hc係由工件之切削曲面上相對於球頭立銑刀之軸心線之最高點與最低點之距離，其中切削曲面為進行每一等高階段之徑向切深後工件之加工面，且面粗高度Hc由目標面粗糙度來決定。進給量F係為進行徑向切深時，球頭立銑刀每單位時間相對於工件之移動量。

依據本發明之另一實施例，上述之加工條件更包含面粗度夾角θ。面粗度夾角θ係一弧形相對於弧形之一弧心之一角度，此弧形係為切削溝槽之截面，此切削溝槽位於切削曲面上，此切削曲面為工件於進行徑向切深後所形成之加工面。面粗度夾角θ可由下列關係式來獲得：

依據本發明之又一實施例，上述之面粗度夾角θ之角度範圍大於或等於7.5度。

100‧‧‧第n等高階段

102‧‧‧第n等高階段開始

104‧‧‧軸向切深

106‧‧‧徑向切深

108‧‧‧第n等高階段結束

202‧‧‧球頭立銑刀

204‧‧‧掃掠面

206‧‧‧第n等高面

208‧‧‧第n-1切削曲面

210‧‧‧工件

212‧‧‧面粗度夾角

213‧‧‧切削夾角

214‧‧‧球心

216‧‧‧刀具半徑

218‧‧‧旋轉方向

220‧‧‧球狀曲面

222‧‧‧軸心線

224‧‧‧圓型線

226‧‧‧第n切削曲面

228‧‧‧切削溝槽

230‧‧‧弧形

232‧‧‧軸向切深位置

234‧‧‧切削方向

236‧‧‧切削路徑

238‧‧‧進給間隔

240‧‧‧軸向切深位置

242‧‧‧第n+1切削曲面

244‧‧‧切削斷面積

246‧‧‧進給量

300‧‧‧計算最大切削體積

310‧‧‧輸入參數

320‧‧‧求得面粗高度

330‧‧‧求得切削體積

340‧‧‧求得切削體積的最大值

342‧‧‧求得目標切削夾角

350‧‧‧求得切削斷面積

360‧‧‧求得切削力

400‧‧‧計算進給量

410‧‧‧輸入參數

420‧‧‧求得面粗高度

430‧‧‧求得進給量

440‧‧‧求得面粗度夾角

為了能更徹底了解本實施例與其優點，於此參照結合後附圖式所作之下列描述，其中：

第1圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法中每一個等高階段的流程示意圖。

第2圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削之第n等高階段中軸向切深開始時的剖面示意圖，n≧1；第3圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削之第n等高階段中徑向切深結束時的剖面示意圖。

第4圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削之徑向切深的路徑示意圖。

第5圖繪示依據本發明之一實施例之頭立銑刀之等高輪廓切削之徑向切深後由第4圖之割線A-A’觀之的剖視示意圖。

第6圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削時經過不同等高階段加工後的剖面示意圖。

第7A圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削時於單位時間內所切除之工件體積的側視示意圖。

第7B圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削時於單位時間內所切除之工件體積的上視示意圖。

第8圖繪示依據本發明之一實施例之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法中之計算最大切削體積的流程示意圖。

第9圖繪示依據本發明之一實施例之一種球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方中之計算進給量的流程示 意圖。

下列將詳細討論本實施例之組裝與使用。然而，應當理解的是，本揭露提供了許多可應用的創新概念，這些創新概念可在各種特定背景中加以體現。所討論之特定實施例僅係用以例示說明所揭露之標的之組裝與使用的特定方法，並不限制不同實施例之範圍。

請參照第1圖，其係繪示依據一實施例之球頭立銑刀(Ball End Mill)之等高輪廓切削加工特性的決定方法之第n等高階段之流程示意圖。等高輪廓切削係分為多個等高階段，此些等高階段之其中之一者為第n等高階段100。第n等高階段100包含第n等高階段開始102、軸向切深104、徑向切深106以及第n等高階段結束108。軸向切深104係為球頭立銑刀於一等高階段轉換至下一等高階段時所進行之切削，換句話說，軸向切深104係為球頭立銑刀於第n-1等高階段之等高面轉換至第n等高階段100之等高面時所進行之切削，其中軸向切深104係於第n等高階段開始102後進行。徑向切深106係為球頭立銑刀於第n等高階段之等高面上所進行之切削，其中徑向切深106係於第n等高階段之軸向切深104結束後進行，並於第n等高階段結束108時停止切削。第n等高階段結束108後即進行下一等高階段，即第n+1等高階段。

請同時參照第1圖與第2圖，其中第2圖係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削時之第n等高階段100中軸向切深104開始時之剖面圖。如第1圖所示，在第n等高階段開始102後，進行軸向切深104。如第2圖 所示，於軸向切深104時，球頭立銑刀202之球心214移動至於第n等高面206，其中球頭立銑刀202具有刀具半徑216。此時，球頭立銑刀202根據旋轉方向218來轉動，並形成之掃掠面204。掃掠面204在第n-1切削曲面208上對工件210進行加工，進而形成球狀曲面220，其中第n-1切削曲面208係於第n-1等高階段時所形成。球狀曲面220係在第n等高階段100中進行軸向切深104後，工件210於軸向切深104之位置上的加工面。

如第2圖所示，球狀曲面220於最靠近球心214的位置具有圓型線224，其中圓型線224係以軸心線222為圓心軸且位於與多個等高階段之等高面平行的平面上。球心214與圓型線224可形成圓錐面，其中此圓錐面與軸心線222夾有切削夾角213。在一實施例中，圓型線224包含一弧線。

請同時參照第1圖與第3圖，第3圖係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削時之另第n等高階段100中徑向切深106結束時之剖面圖。如第1圖所示，徑向切深106在軸向切深104與第n等高階段結束108之間來進行。如第3圖所示，於徑向切深106結束時，球頭立銑刀202於工件210上形成第n切削曲面226，換句話說，第n切削曲面226為工件210於進行徑向切深106後所形成之加工面。

如第3圖所示，第n切削曲面226具有多個切削溝槽228。每一切削溝槽228之斷面為弧形230。弧形230之最高點與球心214之連線距離為刀具半徑216之長度，其中刀具半徑216與軸心線222之間夾有面粗度夾角212。

請同時參照第1圖、第4圖與第5圖，其中第4圖 係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削之徑向切深106之路徑示意圖，而第5圖係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削之徑向切深106後之第4圖之AA剖視圖。如第4圖所示，球頭立銑刀202從軸向切深位置232開始進行切削。球頭立銑刀202係以切削方向234來旋轉，且球頭立銑刀202之球心214係以切削路徑236為路徑來進行徑向切深106(第1圖)之切削加工，進而形成數個切削溝槽228，其中相鄰之切削溝槽228兩兩相距進給間隔238，如第5圖所示，切削溝槽228係形成於工件210上。由上述可知，切削夾角213係由進給間隔238來決定，而目標表面粗糙度Ra與刀具半徑216將決定切削夾角213的值。

請參照第6圖，其係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削時經過不同等高階段加工後之剖面圖。球頭立銑刀202於第n-1等高階段時，形成第n-1切削曲面208，並於軸向切深位置232結束第n-1等高階段並轉換至第n等高階段。球頭立銑刀202於第n等高階段時，形成第n切削曲面226，並於軸向切深位置240結束第n等高階段並轉換至第n+1等高階段。球頭立銑刀202於第n+1等高階段時，形成第n+1切削曲面242，並結束第n+1等高階段。以此類推，即可藉由不同等高階段之間的高度變化來使工件210形成目標曲面。

請同時參照第7A圖與第7B圖，其中第7A圖係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削時於單位時間內所切除之工件體積之側視示意圖，第7B圖係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削時於單位 時間內所切除之工件體積之上視示意圖。如圖7A所示，球頭立銑刀202於進行徑向切深106(第1圖)時，將會以切削斷面積244對工件210進行徑向之切削加工。切削斷面積244為進行軸向切深104前後之工件210之斷面積之面積差，其中此斷面積位於通過球頭立銑刀202之軸心線222並與切削方向234(第4圖)垂直的平面上第7B圖係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削時於單位時間內所切除之工件體積之上視示意圖。如圖7B所示，於球頭立銑刀202於進行徑向切深106(第1圖)時，將會以進給量246對工件210進行徑向之切削加工。進給量246係為進行徑向切深106時，球頭立銑刀202每單位時間相對於工件210之移動量。綜上所述，於徑向切深106時，切除的工件體積為切削斷面積244與進給量246之乘積。

請參照第8圖，其係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削加工特性的決定方法中之計算最大切削體積(步驟300)Qc_max 之流程示意圖。首先，如步驟310所示，提供並輸入以下參數：刀具之半徑R、轉速N、刃數Z以及最大每刃進給量FT、目標面粗度Ra。請參照第2圖，刀具之半徑R係為刀具半徑216之長度；轉速N係球頭立銑刀202以旋轉方向218旋轉之旋轉速度；最大每刃進給量FT由加工機台之能力來決定；目標面粗度Ra為加工後之工件210的表面粗糙度需求。

接著，如步驟320所示，將半徑R以及目標面粗度Ra代入下式(1)可求得面粗高度Hc：

請參照第3圖，面粗高度Hc係為由工件210之第n切削曲面226上相對於球頭立銑刀202之軸心線222之最高點與最低點之距離，其中第n切削曲面226為進行每一等高階段之徑向切深106(第1圖)後工件210之加工面。

接著，如步驟330所示，將半徑R、轉速N、刃數Z、最大每刃進給量FT以及面粗高度Hc代入下式(2)可求得切削體積Qc與切削夾角γ之關係式：

據此，如步驟340與342所示，可由切削體積Qc與切削夾角γ之關係式求得目標切削夾角γ_max 以及切削體積Qc的最大值。如第7A圖所示，切削體積Qc為單位時間內球頭立銑刀202所移除之工件210之體積，即，切削體積Qc為切削斷面積244與進給量246之乘積。在一實施例中，切削夾角γ之角度範圍小於或等於60度。

接著，如步驟350所示，將半徑R、面粗高度Hc以及目標切削夾角γ_max 代入下式(3)可求得在最大切削體積Qc時之切削斷面積Sc： 其中，如第7A圖所示，切削斷面積Sc即為切削斷面積244。

接著，如步驟360所示，將切削斷面積Sc以及最大每刃進給量FT代入下式(4)可求得在最大切削體積Qc時之切削力Fc：Fc =k ．Sc ．FT (4)其中k為定值。

請參照第9圖，其係繪示依據一實施例之球頭立銑刀202之等高輪廓切削加工特性的決定方法中之計算進給量(步驟400)F之流程示意圖。首先，如步驟410所示，提供並輸入以下參數：刀具之半徑R、銑削速度V、刃數Z以及最大每刃進給量FT、目標面粗度Ra。請參照第2圖，刀具之半徑R係為刀具半徑216之長度；銑削速度V係為球頭立銑刀202之刀刃切削工件210的線速度，其中銑削速度V係根據球頭立銑刀202以及工件210的材質來決定；最大每刃進給量FT由加工機台之能力來決定；目標面粗度Ra為加工後之工件210的表面粗糙度需求。

接著，如步驟420所示，將半徑R以及目標面粗度Ra代入下式(5)可求得面粗高度Hc：

請參照第3圖，面粗高度Hc係為由工件210之第n切削曲面226上相對於球頭立銑刀202之軸心線222之最高點與最低點之距離，其中第n切削曲面226為進行每一等高階段之徑向切深106(第1圖)後工件210之加工面。

接著，如步驟430所示，將刀具之半徑R、銑削速度V、刃數Z、最大每刃進給量FT以及面粗高度Hc代入下式(6)可求得進給量F： 其中，如第7B圖所示，進給量F係為進行徑向切深106(第1圖)時，球頭立銑刀202每單位時間相對於工件210之移動量，換句話說，進給量F即為進給量246之值。請參照第8圖，切削體積Qc係為切削斷面積Sc與進給量F之乘積。

接著，如步驟440所示，將半徑R以及面粗高度Hc下式(7)可求得面粗度夾角θ：

請參照第3圖，面粗度夾角θ係為面粗度夾角212之值。面粗度夾角θ係為弧形230相對於弧形230之弧心之角度。弧形230係為位於第n切削曲面226上之切削溝槽228之截面。切削溝槽228係為第n切削曲面226為工件210於進行徑向切深106(第1圖)後所形成之加工面。在一實施例中，面粗度夾角θ之角度範圍大於或等於7.5度。

由上述之實施方式可知，本發明之優點就是可僅由操作人員輸入容易判斷的參數，如刀具半徑、刀具轉速、銑削速度、刀具刃數以及目標面粗度，再搭配加工機台本身的規格之最大每刃進給量，即可估算出最大的切削體積以及適合的進給量，節省了加工測試時所花費的時間與成本，也讓現場人員能更容易地決定參數。

上述所揭露之各實施例中，並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，皆可被保護於本發明中。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

202‧‧‧球頭立銑刀

204‧‧‧掃掠面

206‧‧‧第n等高面

208‧‧‧第n-1切削曲面

210‧‧‧工件

218‧‧‧旋轉方向

222‧‧‧軸心線

226‧‧‧第n切削曲面

244‧‧‧切削斷面積

Claims (7)

1. 一種球頭立銑刀(Ball End Mill)之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中該等高輪廓切削係分為複數個等高階段，每一該些等高階段包含對一工件進行一軸向切深和一徑向切深，該決定方法包含：根據該工件的材質、一球頭立銑刀的規格、使用該球頭立銑刀之一加工機台的規格、該工件的一目標面粗度來獲得複數個加工條件，該些加工條件包含：該球頭立銑刀之一刀具半徑R；該球頭立銑刀之一轉速N；該球頭立銑刀之一刃數Z；該加工機台之一最大每刃進給量(Feed/Tooth)FT；一面粗高度Hc，其係由該工件之一切削曲面上相對於該球頭立銑刀之一軸心線之一最高點與一最低點之一距離，其中該切削曲面為進行每一該些等高階段之該徑向切深後該工件之一加工面，且該面粗高度Hc由該目標面粗糙度來決定；以及一切削夾角γ，其係一圓錐面與該球頭立銑刀之該軸心線之間的夾角，其中該圓錐面包含一球心與一圓型線，該球心位於該軸心線上，而該圓型線係以該軸心線為圓心軸且位於與該些等高階段之複數個等高面平行的一平面上，該圓型線包含一弧線，該弧線位於一球狀曲面上最靠近該球心的位置，該球狀曲面係在該些等高階段中進行該軸向切深後，該工件於該軸向切深之位置上的一加工面；以及根據下列關係式來獲得該工件的一切削體積Qc： 其中該切削體積Qc為單位時間內該球頭立銑刀所移除之該工件之體積，據此可由一目標切削夾角γ_max 得到該切削體積Qc的一最大值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，係由該目標切削夾角γ_max ，並根據下列關係式來獲得該工件的一切削斷面積Sc： 其中，該切削斷面積Sc為進行該軸向切深前後之該工件之一斷面積之面積差，該斷面積位於通過該球頭立銑刀之該軸心線並與切削方向垂直的一平面上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中根據下列關係式來獲得一切削力Fc：Fc =k ．Sc ．FT 其中k為一定值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中該切削夾角γ之角度範圍小於或等於60度。
5. 一種球頭立銑刀(Ball End Mill)之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中該等高輪廓切削係分為複數個等高階段，每一該些等高階段包含對一工件進行一軸向切深和一 徑向切深，該決定方法包含：根據該工件的材質、一球頭立銑刀的規格、使用該球頭立銑刀之一加工機台的規格、該工件的一目標面粗度來獲得複數個加工條件，該些加工條件包含：該球頭立銑刀之一刀具半徑R；該球頭立銑刀之一刃數Z；該加工機台之一最大每刃進給量(Feed/Tooth)FT；一銑削速度V，係為該球頭立銑刀之刀刃切削工作物的線速度；以及一面粗高度Hc，其係由該工件之一切削曲面上相對於該球頭立銑刀之一軸心線之一最高點與一最低點之一距離，其中該切削曲面為進行每一該些等高階段之該徑向切深後該工件之一加工面，且該面粗高度Hc由該目標面粗糙度來決定；以及根據下列關係式來獲得該工件的一進給量F： 其中該進給量F係為進行該徑向切深時，該球頭立銑刀每單位時間相對於該工件之一移動量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中該些加工條件更包含：一面粗度夾角θ，其係一弧形相對於該弧形之一弧心之一角度，該弧形係為一切削溝槽之截面，該切削溝槽位於一切削曲面上，該切削曲面為該工件於進行該徑向切深後所形成之一加工面，其中該面粗度夾角θ可由下列關係式來獲 得：
7. 如申請專利範圍第6項所述之球頭立銑刀之等高輪廓切削加工特性的決定方法，其中該面粗度夾角θ之角度範圍大於或等於7.5度。