高速銑削的金剛石端銑刀設計

1、目 錄1 引言 11.1 本課題研究的目的和意義11.2 國內外研究發(fā)展狀況 11.3 本課題要研究的問題 31.4 小結 62 端銑刀設計 72.1 選擇合理切削用量和銑刀主要幾何參數 72.2 選擇刀片 82.3 選擇夾緊結構 92.4 刀墊的選擇 112.4.1刀墊形狀和尺寸計算 112.4.2 刀片在刀墊上的定位 122.5 微調結構 142.6 壓塊尺寸分析 162.7 刀槽尺寸分析 172.7.1 刀齒槽尺寸計算 172.7.2 刀槽傾角和偏距e的計算 222.8 銑刀刀體結構的選取 262.9 小結 283 刀柄的選擇 304 結論 31參考文獻 32致謝 341 引言1.1 本

2、課題研究的目的和意義隨著科學技術的發(fā)展，機械制造技術朝著高速、低消耗和高精度的方向邁進1。高速加工與精密加工、高能束加工、柔性自動化加工一起，構成了當今機械制造中的四大先進制造技術。高速加工工具系統(tǒng)是高速加工工藝系統(tǒng)的重要組成部分，其中又以刀具的選擇和應用至關重要，其性能直接影響高速加工的質量和效率，受到了各國機械工程界和相關學者們的高度重視2。為了緊跟時代進步潮流，高速銑削的金剛石端銑刀的研究勢在必行。高速銑削有其獨特的特點3：以高銑削速度、高進給速度和高加工質量為主要特征的加工技術，其加工效率比傳統(tǒng)的銑削工藝要高幾倍，甚至十幾倍5。由于對高硬度材料進行高速銑削加工可在一定程度上替代磨削從而

3、縮短模具制造周期。因此，目前高速銑削技術在模具制造業(yè)也得到廣泛應用。采用高速銑削技術，可大大縮短制模時間。經高速銑削精加工后的模具型面，僅需略加拋光便可使用，節(jié)省了大量修磨、拋光的時間。高速銑削加工可獲得較高的金屬切除率、很高的加工精度和良好的加工表面質量，因此在現(xiàn)代制造業(yè)中受到普遍重視，發(fā)展很快4。在航空制造業(yè)中，高速銑削的主要加工對象為鋁合金構件。為提高飛機性能，在飛機結構設計中大量采用鋁合金整體框架和薄壁結構，而鋁合金高速銑削技術使對此類構件的高效加工成為可能，從而在一定程度上推動了飛機結構的改進7。近年來，工業(yè)發(fā)達國家都在大力發(fā)展與高速加工條件相匹配的先進切削刀具，開發(fā)出了許多高性能的

4、刀具材料。目前國內外用于高速切削加工材料的材料主要有：金剛石、立方氮化硼、陶瓷、tic（n）基硬質合金（金屬陶瓷）、硬質合金涂層等5。其中聚晶金剛石（pcd）材料具有高硬度、高耐磨性、各向異性能、高導熱性、低摩擦系數及低膨脹系數等特點，pcd刀具可實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高速、高精度、高穩(wěn)定性切削加工6。1.2 國內外研究發(fā)展狀況 自二十世紀八十年代起，高速加工技術在金屬（非金屬）傳統(tǒng)切削加工技術、自動控制技術、信息技術和現(xiàn)代管理技術的基礎上逐步發(fā)展成為一門綜合性系統(tǒng)工程技術7。高速加工技術在生產工藝離散型或混和型企業(yè)（如模具、能源設備、船舶、航天航空等制造企業(yè)）中得到大量應用和進一步發(fā)

5、展11。近年來，我國航天、航空、汽輪機、模具等機械制造行業(yè)都程度不同地開始推廣應用高速加工技術。高速加工技術的應用主要體現(xiàn)為高速數控機床與刀具的應用。由于種種原因，我國企業(yè)應用的高速加工技術及其相關設備大多由國外直接引進，國內對高速加工技術中一些基礎共性技術的自主性研究不足，因此影響了對高速加工技術的優(yōu)化、集成和推廣應用。與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國在高速刀具技術方面存在較大差距，其中我國高速刀具技術與國外的差距主要表現(xiàn)在高性能刀具材料(包括表面涂層、材料)的研發(fā)、刀具制造工藝技術、刀具安全技術及刀具使用技術等領域，對于高速切削機理的基礎共性研究也處于起步階段8，9。聚晶金剛石復合刀片pcd是用作

6、為面層的定粒度的金剛石微粉，與作為基體襯墊的硬質合金在高溫高壓下燒結而獲得的復合燒結體。它首先是由美國通用電氣公司1972年研制成功的10。通過對近年來pcd刀具應用的分析可見，pcd刀具主要應用于以下兩方面：難加工有色金屬材料的加工：用普通刀具加工難加工有色金屬材料時，往往產生刀具易磨損、加工效率低等缺陷，而pcd刀具則可表現(xiàn)出良好的加工性能。如用pcd刀具可有效加工新型發(fā)動機活塞材料過共晶硅鋁合金（對該材料加工機理的研究已取得突破）；難加工非金屬材料的加工：pcd刀具非常適合對石材、硬質碳、碳纖維增強塑料（cfrp）、人造板材等難加工非金屬材料的加工11?，F(xiàn)在我國還沒有研制出用于高速銑削的

7、金剛石端銑刀，就金剛石刀片的研究和應用也處于起步間段。而工業(yè)發(fā)達國家對pcd金剛石刀具的研究開展較早，其應用已比較成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金剛石以來，對pcd刀具切削性能的研究獲得了大量成果，pcd刀具的應用范圍及使用量迅速擴大。目前，國際上著名的人造金剛石復合片生產商主要有英國de beers公司、美國ge公司、日本住友電工株式會社等12。pcd刀具的應用范圍已由初期的車削加工向鉆削、銑削加工擴展?，F(xiàn)在在各個國家的生產力構成中，制造技術的作用往往占60左右，各種高科技只有通過制造技術才能形成產品。由于歷史的原因，我國的制造技術發(fā)展曾受到一些冷遇，工藝知識沒有被重視，產品

8、質量得不到保證，刀具設計跟不上，我國的許多產品在國際市場上缺乏競爭能力。1.3 本課題要研究的問題本課題的加工對象為硅鋁合金、鎂鋁合金等有色金屬，主要是鋁合金。其強度和硬度低、導熱性好、塑性較低。但生產實際及研究證明在用普通加工系統(tǒng)中，鋁合金對刀具的磨損相當嚴重，更難以獲得較低的表面粗糙度和較高的加工精度，存在很多問題：1.鋁合金的硬度很低，切屑稍粘在刀具上就劃傷已加工表面；2.鋁合金的熔點低，在切削加工中切屑很容易粘在刀具的前后刀面上，形成積屑瘤的高度也很大，嚴重影響鋁合金加工表面質量；3.鋁在空氣中很快就氧化，切削和工件表面產生的al2o3,以及積屑瘤都對刀具發(fā)生磨料磨損，導致刀具磨損嚴重

9、；4.鋁合金的熱脹系數大，零件溫度升高，尺寸脹大，而切削后溫度下降尺寸下降，尺寸減小，加工尺寸精度難以控制，5.切削效率低，不利于鋁合金加工工業(yè)的發(fā)展。金剛石是加工鋁合金，特別是高硅鋁合金最有效的刀具材料，也是這種刀具材料使用的最廣泛的加工領域。切削鋁和鋁合金時，刀具很容易產生積屑瘤，因而會使加工精度和表面粗糙度惡化。加工鋁及鋁合金要求達到高的精度和良好的表面質量，都只能采用精加工。為了避免積屑瘤和加工硬化，刀刃必須很鋒利，刀面必須很光潔，金剛石刀具正好符合這些要求，且與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，可防止因切屑粘在刀尖而劃傷工件，在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤。金剛石刀具材

10、料的變形系數很低，可減少因刀具的變形而引起的加工誤差。 其中pcd的導熱系數為700w/mk，為硬質合金的1.59倍，甚至高于pcbn和銅，因此pcd刀具熱量傳遞迅速；pcd的摩擦系數一般僅為0.10.3（硬質合金的摩擦系數為0.41），因此pcd刀具可顯著減小切削力；pcd的熱膨脹系數僅為0.9×10 -61.18×10 -6，僅相當于硬質合金的1/5?？梢娊饎偸毒邿嶙冃涡?，加工精度高。由于金剛石的耐磨性很高，因此金剛石刀具的耐用度也比硬質合金刀具高得多如圖1.1，1.2。例如，用金剛石復合刀片compax加工耐磨的硅鋁合金活塞，在v=170m/mi

11、n、ap=0.1mm、f=0.13mm/r條件下，每個刀刃可加工50000件，活塞外徑公差在0.02mm范圍內，表面粗糙度達ra0.05um;而用硬質合金c-2（相當于k20）刀具只能加工7001200件，刀具的耐用度提高了50倍13。圖1.1 不同刀具材料的耐磨性工件材料：鑄造al-si20%合金切削用量：v=1400m/min, ,斷續(xù)切削；干切（）內數值為加工表面粗糙度，um圖1.2 加工硅鋁合金（si20%）時金剛石與立方氮化硼復合刀片耐磨性比較金剛石刀具，特別是金剛石復合刀片，由于抗沖擊性能好，故可用于銑削加工。例如，用聚晶金剛石銑刀銑削鋁進氣管連接面時，銑刀耐用度為89100件，而

12、硬質合金銑刀平均耐用度只有6200件。用硬質合金銑刀每天都要換刀，每月停機換刀時間為7.4h，而金剛石銑刀每月?lián)Q刀時間僅0.04h14。用金剛石復合刀片compax銑刀（直徑254mm,5個刀齒）銑削380鋁合金壓鑄件發(fā)動機外殼平面，在v=3050m/min、vf=2540mm/min條件下，一個刀刃可加工18000件，粗糙度ra=0.4um;而用c-2（k20）硬質合金銑刀時，一個刀刃只能加工40件，粗糙度為ra=0.8um，兩者耐用度之比為450：1。此外，由于金剛石刀具刀刃可長時間保持鋒利，故不會產生鋁屑粘附在刀具上而形成大量毛刺的現(xiàn)象，不僅可大大提高加工表面質量，而且可省掉去毛刺工序，

13、機床生產率可提高1倍。1.4 小結近年來，國際國內形勢的發(fā)展給我國機械制造業(yè)帶來了機遇，尤其是給高速切削技術等先進制造技術的應用提供了有利條件。由于高速加工技術可為機械制造企業(yè)快速響應和滿足市場需求提供強有力的技術支持，因此必將在國內機械制造企業(yè)中得到快速推廣.所以我將設計一系列金剛石端銑刀，希望能彌補我國在高速銑削金剛石刀具研制中的不足。鑒于我國現(xiàn)階段的機械加工方面的技術水平及生產廠家的生產設備等原因，本課題將立足于現(xiàn)狀，以傳統(tǒng)機械加工為基礎，在傳統(tǒng)加工中采用新技術。從而，完成對高速銑削金剛石端銑刀的設計。2 端銑刀設計2.1 選擇合理切削用量和銑刀主要幾何參數被加工材料是硅鋁合金、鎂鋁合金

14、等有色金屬，硬度為7080hbs，根據刀具切削用量的基本原則，精加工中我選擇ap=1mm,vc=3000m/min,f=0.03mm/z.斷續(xù)切削是端銑刀刀齒的工作特點。每一個刀齒在切入工件是，要發(fā)生沖擊。因此，對于符合金剛石刀齒來說，改善其受力情況，以提高其抗沖擊的能力，是選擇前角及刃傾角是首先考慮的問題。為了改善復合金剛石刀片的受力情況，在刀齒切入工件時，不希望刃口先接觸工件，及如圖2.1所示，刀齒上最先和工件接觸的位置應該在u點，而不是在t、s或v點。一般說來，為了使刀齒和工件在u點首先接觸，應將刃傾角做成負的，前角也做成負的15。所以選擇前角：-5o，刃傾角：-10o。圖2.1 端銑刀

15、刀齒切入時接觸情況端銑刀精加工中要求刀具的后角不能太小，后角太小將增大后刀面和已加工表面的摩擦，影響工件的加工精度。一般精加工中選擇12o15o，而后角太大會影響刀具強度，所以選擇刀具后角：15o。本課題所針對的加工材料為鋁合金，其加工精度要求為ra0.4um，屬于精加工。主偏角的選擇應充分考慮其加工精度、硬度和散熱條件。在滿足加工精度和散熱條件的情況下，主片角不應太大。主偏角太小會增大刀具徑向力，導致徑向跳動加劇。而鋁合金硬度并不大，加工阻力小，可以采用較大主偏角，所以選擇主偏角75o。2.2 選擇刀片選用刀片材料：復合金剛石pcd。選擇刀片有無中心孔：由于刀片為金剛石材料，質硬且脆，加工中

16、心孔的工藝性不好。因此選用無中心孔的刀片。選擇刀片形狀：按選定的主偏角kr=75o，被加工材料的硬度為70110hbs，可以同時考慮多種形狀的刀片，其中最理想的有四邊形和菱形。一個四邊形復合金剛石刀片有四條切削刃而選用菱形刀片時一個刀片只有兩條切削刃。雖然在使用大角度菱形刀片進行加工可以獲得高精度的工件，但如果在四邊形刀片上磨一條平行修光刃，同樣可以達到要求的精度。充分考慮精度和經濟性兩種因素，選擇四邊形刀片，同時使用過度切削刃和平行修光刃。選擇刀片精度等級：高速銑削下的金剛石端銑刀，加工余量小，加工精度要求高。根據刀具精度等級原則及設備的精度一般比工件的精度高23級，選用a級精度：m ,s,

17、d。選擇刀片內切圓直徑d（或刀片邊長）：根據已確定的=1mm,kr=75o, =-10o,刀刃的實際參加工作長度lse為 =1.0512mm則選用的刀片邊長l應為l>1.5*lse=1.5*1.0512=1.5768mm即四邊形刀片的邊長 l>1.5768mm。選擇刀片厚度s：根據已定的，查刀片厚度諾模圖，得刀片厚度s1.6mm。綜上所選擇結構，確定選用刀片型號span1203edr。其具體尺寸為l=d=12.70 s=3.18 =1.4刀片后角刀片刀尖角刀片前角切削刃法后角刀片刃傾角無斷屑臺。如圖2.2：圖2.2 刀片2.3 選擇夾緊結構夾緊結構是機夾不重磨銑刀的重要組成部分，它

18、的作用是保證銑刀在高速切削中工作平穩(wěn)，加工質量好，刀片定位準確可靠16，因此設計夾緊結構是，應考慮：在切削過程中，能經受切屑的沖擊和機床振動；刀片的定位準確可靠，刀刃的軸向和徑向擺差不超過規(guī)定；切屑的沖擊和摩擦不至損壞夾緊結構和刀體，對大型刀具，發(fā)生刀片損壞或打刀是，能保護刀體不受損壞；最重要的是要求結構簡單，工藝性好。不重磨銑刀的夾緊結構，概括起來，可分為四類如圖2.3：1.楔塊式夾緊結構；2.壓板式夾緊結構；3.楔銷式夾緊結構；4.螺釘直接夾緊結構。其中各種方式各有特點，其中楔形塊夾緊結構結構簡單，工藝性好，刀片轉位方便，主要用于機夾不重磨端銑刀等。2.4.2 刀片在刀墊上的定位刀片安裝在

19、刀片座中采用三個球形支點（或小平面）定位，這樣可以減少刀片的定位誤差。如圖2.6.a為刀槽與刀片兩個側面接觸懂得情況。當刀片槽為而刀片角度小于時，刀片的兩個側面只有其中一個與刀片槽側面接觸，使切削刃在徑向和軸向產生位置誤差、。假設刀片角度誤差為，則概略的計算為=12.7*=0.0185 mm對銑刀來說，這個誤差比較大。而采用三點定位后，如圖2.6.b 無論刀片角度大于或小于，它的兩個側面均與三個支撐點接觸，且刀片制造、檢驗和使用都為同一個基準，刀片修光刃的誤差也因之得到消除或減小。2.6 壓塊尺寸分析（見圖2.13）圖2-13 壓快尺寸分析其中25為設定值=0.96f=16.44 此值是刀槽法

20、向剖面內的值2.7 刀槽尺寸分析2.7.1 刀齒槽尺寸計算19圖2.14 刀槽設計給定的刀體形狀及尺寸如上圖2.14，其中尺寸h1和h2設計時給定，選取h1=40mm，h2=17.5mm， 可轉位銑刀在圖紙上標住的前角和刃傾角 又稱徑向前角，又稱軸向前角它們和刀具前角、刃傾角、主偏角的關系：計算： =0.0875*0.9659(0.1763) *0.2588 =0.0845 + 0.0456 =0.0389=2.23o =0.0875*0.2588+(0.1763)* 0.9659 =0.02260.1703 =0.1929由于存在，圖13中尺寸、分別為= =7.8376 =3.2387求解尺

21、寸h，如圖2-14，ef=*=0.6295 其中軸向變化忽略2.8 銑刀刀體結構的選取本課題研究的端銑刀直徑在160400之間。在直徑相對較小是可以選擇套式的刀體，如圖2.18。此種連接方式工藝簡單，生產方便，適用于小直徑一般在50160mm的面銑刀，用裝在銑床主軸錐孔中帶端鍵的銑刀桿連接，面銑刀以內孔和端面在銑刀桿上定位，用螺釘將銑刀緊固在銑刀桿上21。圖2.18套式刀體而相對大直徑的刀體選擇多螺釘連接形式如圖2.19。此種方式作為大直徑端銑刀最簡便的連接方式之一，有其獨特的優(yōu)勢，適用于直徑在160500mm之間的面銑刀。面銑刀的后端面做有和刀柄外圓相匹配的沉孔。面銑刀裝在銑床主軸上，以銑刀

22、上的沉孔直接與刀柄的外圓和端面相匹配和定位，用四個螺釘將銑刀緊固在刀柄的端面上，由端面鍵傳遞銑削力矩22。圖2.19螺釘止口式刀體2.9 小結查表gb/t53421985和機加不重磨刀具：第一種刀體（如圖2.20）基本尺寸選擇如下：圖2.20 套式刀體3 刀柄的選擇根據刀體的結構形狀選擇配套的刀柄。對套式刀體（見上圖2.20）選擇刀柄結構和形狀如下圖3.1：圖3.1套式刀柄對螺釘止口刀體（見上圖2.21）選擇刀柄結構和形狀如下圖3.2：圖3.2 螺釘止口式刀柄本團隊全部是在讀機械類研究生，熟練掌握專業(yè)知識，精通各類機械設計，服務質量優(yōu)秀?？扇梯o導畢業(yè)設計，知識可貴，帶給你的不只是一份設計，更

23、是一種能力。聯(lián)系方式：qq712070844，請看qq資料。4 結論本課題在設計高速金剛石端銑刀的過程中，對端銑刀進行了尺寸設計、結構設計、草圖繪制等工作。設計中，通過對刀具幾何角度的一些改進，新型刀具材料的引進，使鋁合金難加工的問題得到了一定的改善。當然，設計中也存在一些問題。以上所有的設計都是建立在理論分析的基礎之上，并沒有經過實踐檢驗。這中間一方面有時間的原因，另一方面是沒有相應的技術條件和設計者的知識水平工作經驗有限。這就導致設計中的許多公式都沒有實驗數據。因此，在對銑刀的具體角度的設計時還局限于純理論的計算與分析。同時，通過對金剛石端銑刀的設計，我收益非淺，既鞏固了大學所學的各種基礎理論知識，又梳理了專業(yè)知識系統(tǒng)，學會了系統(tǒng)的查閱資料，還對autocad、solidworks等軟件的熟練應用有了進一步的提高。總之，此次設計使我受益頗多，而我們只有通過不懈的努力，才能在新刀具新材料等方面有新的突破，取得新的成就，在這方面真正做到自強不息。參考文獻1.孫大涌主編.先進制造技術.北京：機械工業(yè)出版社，19992.張伯霖主編.高速切削技術及其應用.北京：機械工業(yè)出版社，20023. 徐宏海主編.數控機床刀具及其應用.北京：化學工業(yè)出版社，20054.王貴成