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铣刀 |
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立装刀片机夹组合铣刀的设计工艺 |
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作者：江洪 翟洪滨 |
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1 引言
2004年我公司与大连机床厂技术合作，设计制造如图1所示的机床导轨型面的机夹铣刀。机床导轨为灰铁铸件，毛坯余量较大(15mm)且不均匀，加工行程长(最多达9m)，加工条件比较恶劣，经常造成原平装刀片机夹铣刀的打刀现象，影响加工精度及生产效率。由于平装刀片机夹铣刀不宜组合使用，需要各面分别铣削，铣削加工时间长，因此影响加工尺寸精度。为此，采用立装刀片形式，增加铣刀强度，针对较大截形面合理排布刀片，轮流切削，以降低各刀片的切削负荷，同时，将各面加工铣刀同轴组合，保证了复杂型面的一次性铣削。
图1 机床导轨截形图
2 设计方案
1) 型面轮切刀齿的排布
为保证切削过程的稳定性，各型面的轮切刀齿数应相同，刀齿排布方式如图2所示。根据铣刀的不同直径确定齿距范围为50～60mm，既保证了刀体的强度，又能保证切削的连续性，减少切削振动。由于这种排布的刀齿数必须为型面轮切组数的倍数，如型面宽60mm、铣刀直径为f235时，需4组刀片轮切，刀齿数只能是12或16，这样齿距分别偏大或偏小。针对这种情况，在机床功率允许的情况下，采取了如图2b所示的排布方式。 
a) b)
图2 刀齿排布图
由于加工时是多刀组合使用，各刀位置相对固定，即铣刀外圆直径基本确定，由前述刀齿排布方式即可确定刀具齿数。
2) 切削角度的确定
由于加工材料为灰铸铁，抗拉强度较低，切屑为碎状切屑，所以侧前角确定为-8°，自然形成了切削后角为8o。同理，背前角也确定为-8°，保证了端齿的切削后角，同时使得切屑的流动方向较为合理。对于角度斜平面，有背前角则产生角度偏差(偏差原因后叙述)，因此将斜平面加工用角度铣刀的背前角设计角度定为0°。采用这种双负切削刃方式，由于刀片无后角，不仅刀片强度高，而且还可以使刀片利用率提高一倍，经济性比较好。
图3 径向前角的合理确定
大直径铣刀需要对侧前角进行验证，如图3所示，由于大直径铣刀刀体曲率较小，如果刀齿侧前角大，则会使顶刃后刀面部分沉于刀体之内，因此，其约束条件为
式中R——铣刀半径
r——刀体半径
K——刀片宽度
当计算出前角γ<- 8°时，取γ=-8°；反之，则取计算角度。
3 刀具设计
1) 刀片、螺钉的选择
铣削型面的宽度最大达70mm，若采用轮切刀齿组数过多，则使加工表面质量变差，且会急剧增加单齿的切削量。考虑到毛坯切削余量较大，因此采用了大、小两种长方体刀片，长、宽、厚规格尺寸分别为19.05mm×12.7mm×7mm 和15.875mm×12.7mm×7mm，中心有螺钉孔，采用锥面夹紧的M5螺钉。
2) 刀片槽、容屑槽的设计
如图4所示，刀片靠后面及受力侧面两面定位，在受力侧面开空刀槽，以避免刀片扭转。对于中部封闭刀槽，应使槽宽大于刀片宽度，以保证刀片安装方便。
图4 刀片槽形式
考虑到容屑空间及刀体强度，优选如图5 所示容屑槽型，其槽深为9mm。小直径铣刀可设计成前通开放式容屑槽。
图5 容屑槽形式
3) 尺寸修正
由于刀片为直线切削刃，且存在轴向前角，所以在主切削刃各点上端面的径向前角会产生差异，即由外到里主切削刃上各点偏距依次增大，这就造成各点相对于铣刀轴线的回转直径依次增大，铣削后并非是理想的平面，而是中间内凹的曲面。因此，需要进行必要的修正，即将刀片沿主切削刃旋转一个角度，以弥补尺寸差异，提高加工平面精度。刀片旋转方向如图6 所示，旋转角度为
式中L——刀片长度
R——铣刀半径
γ轴——刀具轴向前角
图6 尺寸修正图
4) 绘图
由于立装刀片铣刀对刀片槽的加工精度要求较高，需要采用数控机床来加工，所以在设计时，我们采用CATIA 软件直接进行实体设计，具有三维旋转角度的刀具在实体造型中的设计步骤和顺序如下：
a. 建立刀体实体，插入一个body，并在body 上生成刀片。
让刀片的刀尖点沿X 轴移动，移动数值等于铣刀半径(见图7)。
图7 刀片移动形成有效直径
刀片以柱刃为轴线旋转出侧前角-8°(见图8)。 
图8 刀片第一次旋转出侧前角 图9 刀片第二次旋转背前角
b. 刀片以X 轴为轴线旋转出背前角-8°(见图9)。
c. 按计算角度以端刃为轴旋修正刀片的刃倾角(见图10)。 
图10 刀片第三次旋转修正角
这样，刀片在刀体上的理论正确位置就摆放出来了。这里面需要特别强调的是：刀片旋转一定要按照以上次序，否则会造成刀具角度误差。
d. 用上述包含所有正确角度的刀片和刀体作布尔运算，切出刀片槽的正确位置，最后在刀片槽上开出容屑槽和空刀槽等细节。
e. 输出途径有两条：一是输出传统的1:1的二维图(*.dwg文件)；二是把数模直接生成igs文件，用于后续的数控编程。
最后，通过三维效果图可直观确定铣刀结构的准确性(见图11)，并利用软件功能可自动生成装配总成和刀体的二维图及任意剖面图。
4 结语
这次是我厂首次设计立装刀片铣刀，它不仅为我厂机夹类刀具开发了一大块新品种，同时也为我厂的刀具专业在CAD/CAM 的结合上进行了有效的探索，并取得了良好的效果。
由于设计采用了三维实体设计，设计使用的数模可直接形成数据文件，用于数控编程，大大缩短了数控编程的时间，压缩了制造周期，保证了加工制造精度，赢得了用户满意。 (end)
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(12/21/2006) |
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