高速銑削的金剛石端銑刀設(shè)計

1、目 錄1 引言 11.1 本課題研究的目的和意義11.2 國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r 11.3 本課題要研究的問題 31.4 小結(jié) 62 端銑刀設(shè)計 72.1 選擇合理切削用量和銑刀主要幾何參數(shù) 72.2 選擇刀片 82.3 選擇夾緊結(jié)構(gòu) 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(diào)結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)的選取 262.9 小結(jié) 283 刀柄的選擇 304 結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 341 引言1.1 本

2、課題研究的目的和意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械制造技術(shù)朝著高速、低消耗和高精度的方向邁進(jìn)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(gòu)成了當(dāng)今機械制造中的四大先進(jìn)制造技術(shù)。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(yīng)用至關(guān)重要，其性能直接影響高速加工的質(zhì)量和效率，受到了各國機械工程界和相關(guān)學(xué)者們的高度重視2。為了緊跟時代進(jìn)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(jìn)給速度和高加工質(zhì)量為主要特征的加工技術(shù)，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(jìn)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(shù)在模具制造業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。采用高速銑削技術(shù)，可大大縮短制模時間。經(jīng)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(zhì)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(gòu)件。為提高飛機性能，在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量采用鋁合金整體框架和薄壁結(jié)構(gòu)，而鋁合金高速銑削技術(shù)使對此類構(gòu)件的高效加工成為可能，從而在一定程度上推動了飛機結(jié)構(gòu)的改進(jìn)7。近年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展與高速加工條件相匹配的先進(jìn)切削刀具，開發(fā)出了許多高性能的

4、刀具材料。目前國內(nèi)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(zhì)合金（金屬陶瓷）、硬質(zhì)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(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)及低膨脹系數(shù)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(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r 自二十世紀(jì)八十年代起，高速加工技術(shù)在金屬（非金屬）傳統(tǒng)切削加工技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展成為一門綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)7。高速加工技術(shù)在生產(chǎn)工藝離散型或混和型企業(yè)（如模具、能源設(shè)備、船舶、航天航空等制造企業(yè)）中得到大量應(yīng)用和進(jìn)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(yīng)用高速加工技術(shù)。高速加工技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)為高速數(shù)控機床與刀具的應(yīng)用。由于種種原因，我國企業(yè)應(yīng)用的高速加工技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備大多由國外直接引進(jìn)，國內(nèi)對高速加工技術(shù)中一些基礎(chǔ)共性技術(shù)的自主性研究不足，因此影響了對高速加工技術(shù)的優(yōu)化、集成和推廣應(yīng)用。與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國在高速刀具技術(shù)方面存在較大差距，其中我國高速刀具技術(shù)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(shù)、刀具安全技術(shù)及刀具使用技術(shù)等領(lǐng)域，對于高速切削機理的基礎(chǔ)共性研究也處于起步階段8，9。聚晶金剛石復(fù)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(zhì)合金在高溫高壓下燒結(jié)而獲得的復(fù)合燒結(jié)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(yīng)用的分析可見，pcd刀具主要應(yīng)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(chǎn)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(zhì)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。現(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(yīng)用也處于起步間段。而工業(yè)發(fā)達(dá)國家對pcd金剛石刀具的研究開展較早，其應(yīng)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(yīng)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(fù)合片生產(chǎn)商主要有英國debeers公司、美國ge公司、日本住友電工株式會社等12。pcd刀具的應(yīng)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(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)的作用往往占60左右，各種高科技只有通過制造技術(shù)才能形成產(chǎn)品。由于歷史的原因，我國的制造技術(shù)發(fā)展曾受到一些冷遇，工藝知識沒有被重視，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保

8、證，刀具設(shè)計跟不上，我國的許多產(chǎn)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(dǎo)熱性好、塑性較低。但生產(chǎn)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(dāng)嚴(yán)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(yán)重影響鋁合金加工表面質(zhì)量；3.鋁在空氣中很快就氧化，切削和工件表面產(chǎn)生的al2o3,以及積屑瘤都對刀具發(fā)生磨料磨損，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重；4.鋁合金

9、的熱脹系數(shù)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(lǐng)域。切削鋁和鋁合金時，刀具很容易產(chǎn)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(dá)到高的精度和良好的表面質(zhì)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(jié)在刀尖上形成積屑瘤。金剛石刀具材料的變形系數(shù)

10、很低，可減少因刀具的變形而引起的加工誤差。 其中pcd的導(dǎo)熱系數(shù)為700w/mk，為硬質(zhì)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(shù)一般僅為0.10.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.41），因此pcd刀具可顯著減小切削力；pcd的熱膨脹系數(shù)僅為0.910-61.1810-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5。可見金剛石刀具熱變形小，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(zhì)合金刀具高得多如圖1.1，1.2。例如，用金剛石復(fù)合刀片compax加工耐磨的硅鋁合金活塞，在v=170m/min、ap=0.1mm、f=0.13mm/r條件下，每個刀刃可

11、加工50000件，活塞外徑公差在0.02mm范圍內(nèi)，表面粗糙度達(dá)ra0.05um;而用硬質(zhì)合金c-2（相當(dāng)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(nèi)數(shù)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(fù)合刀片耐磨性比較金剛石刀具，特別是金剛石復(fù)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(jìn)氣管連接面時，銑刀耐用度為89100件，而硬質(zhì)合金銑刀平均耐用度只有6200件。用硬質(zhì)合金銑刀每天都要

12、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(fù)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)量，而且可省掉去毛刺工序，機床生產(chǎn)率可提高1倍。1.4 小結(jié)近年來，國際國內(nèi)形勢的發(fā)展

13、給我國機械制造業(yè)帶來了機遇，尤其是給高速切削技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用提供了有利條件。由于高速加工技術(shù)可為機械制造企業(yè)快速響應(yīng)和滿足市場需求提供強有力的技術(shù)支持，因此必將在國內(nèi)機械制造企業(yè)中得到快速推廣.所以我將設(shè)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(shù)水平及生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)設(shè)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(chǔ)，在傳統(tǒng)加工中采用新技術(shù)。從而，完成對高速銑削金剛石端銑刀的設(shè)計。2 端銑刀設(shè)計2.1 選擇合理切削用量和銑刀主要幾何參數(shù)被加工材料是硅鋁合金、鎂鋁合金等有色金屬，硬度為7080hbs，根據(jù)刀具切削用量的基本原則

14、，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(fù)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(yīng)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(yīng)將刃傾角做成負(fù)的，前角也做成負(fù)的15。所以選擇前角：-5o，刃傾角：-10o。圖2.1 端銑刀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

15、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(yīng)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(yīng)太大。主偏角太小會增大刀具徑向力，導(dǎo)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(fù)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(zhì)硬且脆，加工中心孔的工藝性不好。因此選用無中心孔的刀片。選擇刀片形狀：按選

16、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(fù)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(jìn)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(dá)到要求的精度。充分考慮精度和經(jīng)濟(jì)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(jù)刀具精度等級原則及設(shè)備的精度一般比工件的精度高23級，選用a級精度：m ,s,d。選擇刀片內(nèi)切圓直徑d（或刀片邊長）：根據(jù)已確定的=1mm

17、,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(yīng)為l1.5*lse=1.5*1.0512=1.5768mm即四邊形刀片的邊長 l1.5768mm。選擇刀片厚度s：根據(jù)已定的，查刀片厚度諾模圖，得刀片厚度s1.6mm。綜上所選擇結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)夾緊結(jié)構(gòu)是機夾不重磨銑刀的重要組成部分，它的作用是保證銑刀在高速切削中工作平穩(wěn)，加工質(zhì)量好，刀片定位準(zhǔn)確可靠16，因此

18、設(shè)計夾緊結(jié)構(gòu)是，應(yīng)考慮：在切削過程中，能經(jīng)受切屑的沖擊和機床振動；刀片的定位準(zhǔn)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(jié)構(gòu)和刀體，對大型刀具，發(fā)生刀片損壞或打刀是，能保護(hù)刀體不受損壞；最重要的是要求結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。不重磨銑刀的夾緊結(jié)構(gòu)，概括起來，可分為四類如圖2.3：1.楔塊式夾緊結(jié)構(gòu)；2.壓板式夾緊結(jié)構(gòu)；3.楔銷式夾緊結(jié)構(gòu)；4.螺釘直接夾緊結(jié)構(gòu)。其中各種方式各有特點，其中楔形塊夾緊結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，刀片轉(zhuǎn)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

19、.6.a為刀槽與刀片兩個側(cè)面接觸懂得情況。當(dāng)?shù)镀蹫槎镀嵌刃∮跁r，刀片的兩個側(cè)面只有其中一個與刀片槽側(cè)面接觸，使切削刃在徑向和軸向產(chǎn)生位置誤差、。假設(shè)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(cè)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(zhǔn)，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(shè)定值=0.96f=16.44 此值是刀槽法向剖面內(nèi)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

20、槽設(shè)計給定的刀體形狀及尺寸如上圖2.14，其中尺寸h1和h2設(shè)計時給定，選取h1=40mm，h2=17.5mm， 可轉(zhuǎn)位銑刀在圖紙上標(biāo)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(guān)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求解尺寸h，如圖2-14，ef=*=0.6295 其中軸向變化忽略2.8 銑刀刀體

21、結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(nèi)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

22、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(jié)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(jù)刀體的結(jié)構(gòu)形狀選擇配套的刀柄。對套式刀體（見上圖2.20）選擇刀柄結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和形狀如下圖3.2：圖3.2 螺釘止口式刀柄本團(tuán)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(shè)計，服務(wù)質(zhì)量優(yōu)秀?？扇梯o導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計，知識可貴，帶給你的不只是一份設(shè)計，更是一種能力。聯(lián)系方式：qq712070844，請看qq資料。4 結(jié)論本課題在

23、設(shè)計高速金剛石端銑刀的過程中，對端銑刀進(jìn)行了尺寸設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、草圖繪制等工作。設(shè)計中，通過對刀具幾何角度的一些改進(jìn)，新型刀具材料的引進(jìn)，使鋁合金難加工的問題得到了一定的改善。當(dāng)然，設(shè)計中也存在一些問題。以上所有的設(shè)計都是建立在理論分析的基礎(chǔ)之上，并沒有經(jīng)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(yīng)的技術(shù)條件和設(shè)計者的知識水平工作經(jīng)驗有限。這就導(dǎo)致設(shè)計中的許多公式都沒有實驗數(shù)據(jù)。因此，在對銑刀的具體角度的設(shè)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(shè)計，我收益非淺，既鞏固了大學(xué)所學(xué)的各種基礎(chǔ)理論知識，又梳理了專業(yè)知識系統(tǒng)，學(xué)會了系統(tǒng)的查閱資料，還對autocad、solidworks等軟件的熟練應(yīng)用有了進(jìn)一步的提高?？傊?，此次設(shè)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(xiàn)1.孫大涌主編.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，19992.張伯霖主編.高速切削技術(shù)及其應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，20023. 徐宏海主編.數(shù)控機床刀具及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20