（机械制造及其自动化专业论文）高速整体硬质合金立铣刀结构设计及其性能研究.pdf

摘要 摘要 高速加工技术正成为切削加工的主流，而高速刀具是实现高速加工的关键技 术之一。螺旋立铣刀因其切削性能好，加工表面质量高，在高速加工特别是复杂 曲面、自由曲面的高速加工中应用非常广泛，更是高速加工航空铝合金整体结构 件不可或缺的工具。但由于螺旋立铣刀结构形状极其复杂，给设计和制造带来困 难。 首先，本文在对整体式圆柱立铣刀按头型进行分类的基础上，从几何角度的 定义出发，对其几何参数进行数学描述，建立了立铣刀的刃形线和截面线的数学 方程式。通过三维c a d 软件u g 强大的表达式功能以及扫描、布尔运算、特征合 成等技巧，在u g 环境下实现了整体式圆柱立铣刀通用模型的结构设计。 第二，切削力是切削加工过程中主要的物理现象之一。切削力的变化不仅影 响切削热的产生、分布而且影响刀具磨损、使用寿命；切削力还是刀具设计不可 缺少的依据。通常预测切削力要根据经验公式，但在高速铣削特别是铝合金材料 研究中，没有完善的理论可供借鉴。所以，研究硬质合金立铣刀高速铣削铝合金 的铣削力，试验是最可靠的方法。本文采用正交试验方法研究高速铣削过程中多 因素对铣削力的影响，推导了四因素、四水平回归正交试验法的数学模型，该模 型的建立为相关领域的试验研究工作提供一定支持。 第三，通过试验研究铣刀的应用情况不仅十分困难而且费力费财；在一定程 度上可以采用计算机仿真的方法辅助研究。本文在有限元软件a b a q u s 环境下 对铣刀受力以及动态性能进行模拟，获得铣刀的应力状况以及铣刀加工中的阶次 和固有频率。该结果可以为铣刀在实际加工中合理选择切削用量以及为立铣刀结 构设计中刀柄长、切削刃、刀背、螺旋角等参数尺寸的确定提供帮助。 第四，高速加工中，切削力、切削热和机床振动等被广泛研究，而切屑研究 相对较少。本文针对立铣刀高速铣削的特点，对切屑的成形进行了研究。根据理 论分析在u g 环境下对切屑进行了绘制，其形状与实际切屑基本吻合，证明了研 究方法的可靠性。通过切屑的研究反馈设计过程，对立铣刀的结构设计提供支持。 全文以立铣刀的设计为主线，各个环节包括试验和仿真研究都为设计过程服 务，使整个过程如同一个完整的闭环系统。最后通过试验对本论文研究结论进行 了验证，从而说明本论文研究的思路、方法是可行的，研究结果也是可靠的。 关键词：高速加工：螺旋立铣刀；正交试验经验公式；有限元分析；螺旋状切屑 国防型号工程( 0 5 - 1 8 l 坼1 6 3 ) 和山东省优秀青年科学家科研奖励基金( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 6 ) 项目资助 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ( h s m ) h a sb e c o m et h em a i nt r e n di nt h em a c h i n i n g f i e l d , h i g h - s p e e dm i l l i n gc u t t e ri so n eo ft h ec r u c i a lt e c h n o l o g i e st oa c h i e v e h i g h - s p e e dm a c h i n i n g a sar e s u l to fi t sm a n ya d v a n t a g ea sg o o dc u r i n gp r o p e r t y , e x c e l l e n tm a c h i n i n g ，8 u r f a c eq u a l i t ya n d8 0o n , h e l i c a le n dm i l l i n gc u t t e ri s a p p l i e di nh i g h - s p e e dm a c h i n i n gw i d e l y , e s p e c i a l l yi nc o m p l i c a t e ds u r f a c e ，a n d l a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dp a r ti i la i r c r a f t i ti sv e r yd i f f i c u l tt od e s i g na n dm a n u f a c t u r e h e l i c a le n dm i l l i n gc u t t e rb e c a u s ei t si n t r i c m eg e o m e t r yc o n f i g u r a t i o n f i r s t l y , t h ee n dm i l l i n gc u t t e r sa r ec l a s s i f i e db yt h e i rh e a df i g u r e o nt h eb a s i s o f t h e i rs o r t ，t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sa r ed e p i c t e d ，t h ec u r v ee x p r e s s i o n so f e d g e s a n ds e c t i o n sa r ef o u n d e d b yt h ep o w e r f u le x p r e s s i o nf u n c t i o na n ds o m es k i l l sa s s w e e p ，b o o l e a no fu gt h ep r o p e rg e o m e t r ym o d e lo fe n dm i l l i n gc u t t e ri s a c h i e v e d t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lc a nb ec r e a t e di n t o p l a n a re n g i n e e r i n g d r a w i n ga n dg u i d e di n t of i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u st oa c t u a l i z ea n a l y s i s ， b a s eo nt h ep r o p e r t yo fc u r e ri nh s ma sf o r c ea n dv i b r a t i o n ，r e f e rt oc l a s s i c s l i t e r a t u r ea n dh a n d b o o ko f o v e r s e a s ，c o n t a c t i n gm a t e r i a lp r o p e r t y , e s t a b l i s hp r o p e r c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa d a p tt oh s m s e c o n d l y , c u t t i n gf o r c ei so n eo ft h ei m p o r t a n tp h y s i c a li nm a c h i n i n g 1 1 坨 c h a n g i n go fc u t t i n gf o r c ea f f e c t sa p p e a r i n ga n dd i s t r i b u t i n go fc u t t i n gh e a ta n d w e a ro fc u t t i n gt o o l s ，a n di ti st h ei n d i s p e n s a b i l i t yc o n d i t i o no ft h ed e s i g no f c u t t i n gt o o l s i ti su s u a l l yt h a tt h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l ai st h eb a s i st of o r e c a s t c u t t i n gf o r c e ，b u ti nt h eh i g h - s p e e dm a c h i n i n ge s p e c i a l l yi na l u m i n i u ma l l o y m a c h i n i n g ，t h e r ea r en op e r f e c tt h e o r y s ot os t u d yc u t t i n gf o r c eo fm a c h i n i n g a l u m i n i u ma l l o yb yc a r b i d ee n dm i l l i n gc u t t e r , e x p e r i m e n ti st h em o s td e p e n d a b l e m e t h o d t h er e g r e s s i o n - o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o di sa p p l i e dt os t u d yt h e e f f e c to fc u t t i n gf o r c eb ym a n yf a c t o 璐t h em a t h e m a t i c sm o d e lw a sd e d u c e do f f o u rf a c t o r sa n df o u rs t a n d a r d s t h em o d e l sw e r en o to n l yu s e di nt h i st h e s i s ，b u t a l s oc a nb eu s e di ns i m i l a re x p e r i m e n t a ls t u d yf o ri n t e r r e l a t e df i e l d s t h i r d l y , m i l l i n gc u t t e r sw e r em a c h i n e di nt h em a c h i n i n gt o o l s ，s ot h e p r o p e r t yo fc u t t e r sh a sr e l a t i o n 谢t 1 1m a c h i n et o o l sa n df i x t u r e t os t u d yi t s p r o p e r t yb ye x p e r i m e n ti sw a s t e f u la n du n p r a c t i c a l i nt h ee n v i r o n m e n to f a b a q u s ， a b s n c i t h el o a do fc u t t e ra n di t sd y n a m i cp r o p e r t yw e r es i m u l a t e d 1 1 r e s u l t so fl o a d i n g c o n d i t i o na n d 缸e df r e q u e n c ya r ca c h i e v e d t h e s ec o n c l u s i o n sc a ng i v et h eh e l p o f c h o o s i n gc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dc o n f i g u r a t i o nd e s i g no f c u t t e ra sh a n d l e ，e d g e ， h e l i c a la n g l e ，w i d t ho f b l a d e f o u r t h l y , i nh i g h - s p e e dm a c h i n i n g ，c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gh e a ta n dv i b r a t i o n o fm a c h i n i n gt o o l sa r es t u d i e du s u a l l y , b u tt h ec h i pi ss t u d i e dl i t t l e a i ma tt h e c h a 聪i c t e ro fh i g h - s p e e dm a c h i n i n g 。t h ef i g u r a t i o no fc h i pw a ss t u d i e d b yt h e t h e o r y , t h ef i g u r eo fc h i pw a s & a w e di nu qt h e o r yr e s u l t sw e l ea g r e ew i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 1 r t 璩s t u d yo fc h i pc a n b ef e e db a c kt ot h ed e s i g no fc u t t e r s 耶舱m e t h o di sd e p e n d a b l e t h ed e s i g no fc u t t e r sw a st h ek e yp o i n ti nt h i s p a p e r , a n yt a c h e a s e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na es e r v i c e i tc a nb el o o k e da sac l o s e dl o o p n 圮 c o n c l u s i o n so fp a p e rw e r ev a l i d a t e db yc o m p a r e da n a l y s i se x a m p l ed i s t o r t i o n w i t ht h er e a lp a r td i s t o r t i o n 1 r i 圮r e s u l t sf r o mt h e t e s t e x a m p l e s h a v e d e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t ya n dv e r a c i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d s k e yw o r d s ：h s m ，h e l i c a le n dm i l l i n gc u t t e r , r e g r e s s i o n 嘣h o g o n a le x p e r i m e n t , f o r m u l a , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，h e l i c a lc h i p t h e r e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a le n g i n e e r i n go fc h i n a ( 0 5 _ 1 8 1 5 _ 0 7 一1 6 3 ) a n d s h a n d o n gp r o v i n c ee x c e l l e n ty o u t h f u ls c i e n t i s tf u n d ( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 6 ) 1 i i 本文符号列日 本文符号列目 【n 】 切向铣削力 【n 】进给铣削力 【n 】轴向铣削力 【m m 】 铣削深度 m m l 铣削宽度 【m m 】刀具直径 m m l加工部分直径( 铣刀中的刀头外径) i m m 】刀柄直径 【m m 】芯部直径 【m i l l 】过渡部分直径 【m i l l 】 加工部分长度，切削长度 【m m 刀体总长度切屑长度 【m m l刀头部分长度和过渡部分之和 【枷眦】刀尖圆弧半径 【m m 刃口圆弧半径 【m m 刀头刀柄过渡部分圆弧半径 【删n 】容屑槽底圆弧半径 陋i i i l 】 切屑厚度 m m l 后刀面刃带宽 【m m 侧刃第一后刀面宽度 【m m 】 侧刃第二后刀面宽度 【m m 】端刃第一后刀面宽度 【埘岫】端刃第二后刀面宽度 【m m 】 螺距 m m l 螺旋半径 【n 姗】切屑与前刀面的接触长度 【m m 切屑卷曲半径 r r a i n 转速 m m i n l 【1 切削速度切屑流出角 【m m m i n 】进给量 m m m i n l 每齿进给量 疋b吒d肪以以珥如珞毛，屯蚝kp p如如糟跆厂启 山东大学硕士学位论文 r【埘衄】【n】铣刀半径切削力 【0 】【r 触切削合力与剪切面夹角切屑角速度 0 】剪切角 门 螺旋角摩擦角 【1 侧刃前角 f o 】 侧刃第一后角 【o 】侧刃第二后角 【o 】径向前角 n 径向后角 【o 】 轴向前角 o 】轴向后角 【o 】 法向前角 【o 】 法向后角 【o 】工作前角 【o 】端刃倾斜角 【o 】端刃前角 【o 】 端刃第一后角 【0 】端刃第二后角 0 】螺旋轴与螺旋面切平面夹角 铣刀齿数 临界阻尼比 切削比 进给剖面 主剖面 缈妒脂嘶九以力口压f毋 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名= 唧3 球 日期四午步只砌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：3 i ，导师签名：黄之杰日期：。) 争踊纱目 第一章绪论 第一章绪论 【内容提要】本章阐述了高速加工的特点和立铣刀在高速加工特别是航空整体结构件加工中 的作用，国内外高速刀具研究的背景在总结分析高速切削加工，高速刀具设计国内外研究 现状的基础上，讨论了开展本课题研究的目的、意义及主要方法，提出了进行本论文研究的 可行性条件，最后给出了本论文研究的工作内容和论文撰写的结构形式 1 1 引言 高速加工技术( h s m ) 是先进制造技术的一项全新的共性基础技术，是切 削加工技术的发展方向，具有广阔的应用前景【o l 】。随着高速机床、高速刀具在航 空、航天、汽车、模具等行业的广泛应用，高速切削加工技术已成为衡量一个国 家先进制造技术水平的重要标志之一。高速加工技术中的“高速”是一个相对概 念，对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速加工时应用的切削速度并 不相同目前沿用的高速切削加工定义主要有以下几种： 1 ) 1 9 7 8 年，c i r p 切削委员会提出了以线速度5 0 0 7 0 0 0 m m i n 的切削速度 加工为高速切削加工。 2 ) 对铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡要求( 平衡品质和残余不平 衡量) 时的切削速度来定义高速切削加工。根据i s 0 1 9 4 0 标准，主轴转速高于 8 0 0 0 r m i n 为高速切削加工【0 2 】 3 ) 德国d a r m s t a d t 技术大学的产品工程和机床研究所( i n s t i t u t eo f p r o d u c t i o n e n g i n e e r i n ga n dm a c h i n et o o l s ，p t w ) 提出以高于5 l o 倍普通切削速度的切削 加工定义为高速切削加工。 4 ) 从主轴设计的观点，以沿用多年的d n 值( 主轴轴承孔直径d 与主轴最 大转速的乘积) 来定义高速切削加工。d n 值达5 2 0 0 0 x 1 0 s m m r r a i n 时为高 速切削加工。 5 ) 从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工。这种定义取决于刀具 振动的主模式频率，它在a n s i a s m e 标准中用来进行切削性能测试时选择转速 范围。 综合来说，高速加工比较全面的表述是：采用高主轴转速，高进给率，小切 山东大学硕士学位论文 深的加l i t 0 3 。从生产实际考虑，高速加工中的高速不应仅是一个技术指标，还应 是一个经济指标，是一个可由此获得较大经济效益的高速度的切削加工。对于不 同的加工材料，当切削速度达到或超过以下数值时，才可称为高速加工，即钢为 3 8 0 m m i n ，铸件7 0 0 r e r a i n ，铜材1 0 0 0 m m i n ，铝1 l o o m r a i n ，工程塑料 1 1 5 0 r e r a i n 0 4 。 受限于机床主轴最高转速和功率，目前生产中高速粗精加工铝合金的切削速 度为1 0 0 0 4 0 0 0 m m i n ，最高速度为5 0 0 0 7 5 0 0 m m i n 。1 9 7 9 年，美国空军和通 用电气公司( g e ) 合作研究高速切削各因素之间的关系以及如何将高速切削用 于生产。研究表明，切削铝合金的最佳切削速度是1 5 0 0 4 5 0 0 m m i n 。 “高速加工”的概于1 9 3 1 年，由德国物理学家s a l o m o n 率先提出。s a l o m o n 的观点是：当切削速度超过某一数值时，切削速度再增大，切削温度反而降低。 高速加工的基本理论在2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初方得以初步奠定，1 9 3 1 年 1 9 7 1 年为高速切削加工理论研究和探索阶段；1 9 7 2 年1 9 7 8 年为高速切削加工 应用基础研究探索阶段，特别是7 0 年代末，p t w 开始了革命性的研究；1 9 7 9 年1 9 8 9 年为高速切削加工应用研究阶段，特别是p t w 在1 9 8 1 年设计了世界 上第一台专门用于高速加工的机床；1 9 9 0 年至今为高速切削加工技术发展和应 用阶段。今天我们正在应用的理论绝大部分都起源于p t w 的研究，其主要研究 成果如表1 1 所示 0 5 - 0 6 表i - i p t w 所的主要高速加工研究成果 时间成果名称 1 9 8 3 焦首次制造了带主动磁轴承的高速电主轴，投入工业生产 1 9 8 5 年首次生产出系列高速加工中心 1 9 9 0 焦生产出具有三种功率的印刷电路板钻床 1 9 9 2 笠生产出用于加工增强塑料的五轴高速加工中心 1 9 9 6 笠首次研制出采用直线电机驱动的3 ) 铣削中心 2 0 0 0 年研制出采用直线电机驱动的最优化的铣削中心 1 2 高速切削加工特点分析 1 2 1 高速切削加工的优越性 高速切削加工的优越性表现如下 0 7 1 ： 2 第一章绪论 1 ) 随切削速度提高，单位时间内材料切除率( 切削速度、进给量和切削深 度的乘积，x 唧) 增加，切削加工时间减少，从而大幅度提高加工效率，降 低加工成本。 2 ) 在高速切削加工范围内，随切削速度提高，切削力减少，根据切削速度 提高的幅度，切削力平均可减少3 0 以上，有利于对刚性较差和薄壁的零件进行 切削加工。 3 ) 高速加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提 高愈大，带走的热量愈多，大致在9 0 以上。传给工件的热量大幅度减少，有利 于减少加工零件的内应力和熟变性，提高加工精度，特别适合薄壁件加- r e o s 。 4 ) 从动力学的角度看，切削力是切削过程中产生振动的主要激励源，高速 加工中转速提高，使切削系统的工作频率远离于机床的低阶固有频率，而工件的 加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面 粗糙度。采用高速切削技术，表面加工质量可达冗口= o 2 t u n 和r z = 3 t u n 。 5 ) 高速切削可加工硬度h r c a 5 6 5 的淬硬钢铁件，如高速切削加工淬硬后 的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。 1 2 2 高速切削加工的关键技术 1 ) 机床结构 高速机床的结构必须满足四项要求即运动部件轻、剐性好、固有频率高和减 震性好。 2 ) 高速主轴系统 主轴系统有如下性能要求：结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪 声，具有良好的启、停性能；足够的刚性和高的回转精度；良好的热稳定性； 大功率；先进的润滑和冷却系统；可靠的主轴监测系统；为提高动平衡 选用高精度轴承。 3 ) 高速切削刀具技术 在由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素。 刀具材料、刀具可靠性、刀具结构等比较突出的要求是：既要有高的硬度和高温 硬度，又要有足够的断裂韧性。 4 ) 其它技术 快速进给系统 0 9 1 ；具备程序预读、转角自动减速、优化插补、可适用于通用 山东大学硕士学位论文 计算平台等功能的高速c n c 控制系统；高速切削加工的安全防护与实时监控系 统。概括这些这些关键因素可以如图1 1 所示【1 0 1 ， 图1 - 1 影响高速加工的因素 1 2 3 高速加工在航空工业中的应用 由于h s m 能在保证产品零件精度和质量前提下实现高生产率、低成本制造， 因而在航空航天、汽车、模具制造工业部门得到了较广泛的应用。综合考虑机床、 主轴、刀具和零件材料等诸多因素的制约，在航空制造业加工铝合金飞机结构件 时，目前较普遍使用的主轴转速可达1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n ，进给速度达1 5 2 0 m m i n ，切削速度达2 0 0 0 5 0 0 0 m m i n ，材料去除率达2 0 0 0 3 0 0 0 c m 3 m i n 。 2 0 世纪9 0 年代后，h s m 在航空制造业开始了较为广泛和有效的应用。具 体来说，因为现代飞机结构件形状复杂，多形成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔 等，且多数厚度可变，壁薄( 最薄处 i m m ) ，刚性差。采用常规加工不仅极为困 难，且易产生翘曲变形，需要后续手工打磨或校正等补充工序，只有采用高速加 工才有可能实现该类零件的加工。现代飞机高性能指标导致飞机零部件设计多采 用整体结构件与简单制造法以减轻重量，提高抗疲劳强度，简化辅助工装，缩短 生产周甥，降低成本和便于应用自动化。h s m 是加工整体结构件最为理想的简 单制造技术，因此，采用整体构件设计和高速加工已成为近几年飞机加工技术的 一种发展趋势。 整体构件材料切除一般高达7 0 9 5 ( 机载设备整体构件材料切除率甚至 高达9 0 9 9 ) 。美国f l _ 2 2 飞机中机身大型钛锻件整体截面框构件，最大的 钛锻件毛坯重2 9 7 6 k g ，加工后零件仅重1 4 9 k g ，坯料9 5 成为切屑。在“空中客 4 第一章绪论 车 a 3 6 0 6 0 0 的生产中，机翼壁板采用3 1 m 长、3 5 t 重铝坯材料，从毛坯铣削 成机翼壁板约5 0 1 1 ，坯料7 5 成为切屑，加工效率达5 0 k g t h 。整体构件制造机加 工工作量极大，一般具有9 0 的切削时间( c u tt i m e ) ，而这正是h s m 最好发挥 应用优势的领域 h s m 要求高主轴转速同时采用高进给速度与高加减速才能实现。飞机机翼、 机身蒙皮、梁和长桁整体构件一般尺寸较长，如最长壁板已达3 0 多m ，宽3 m 。 而厚度仅1 2 5 m m ，带筋条壁板厚度也仅5 0 m m 。而这种长薄复杂壁板零件加工 也正是h s m 最能发挥作用的应用领域【l i l 。 总之，高速加工在航空领域的应用，使零件加工质量提高、周期缩短、重量 减轻，同时也缩短了新机种开发周期，是单件小批量航空零件加工生产的必由之 路。 1 3 高速切削加工的工具技术分析 山特维克( 中国) 有限公司曾写过一篇文章，他们认为h s m 通常指的是在 合理的速度和较高的表面进给速度下进行的立铣加工【1 2 1 。而应用于航空铝合金隔 框类零件的立铣刀正是本文的主要研究内容。 1 3 1 高速铣刀的分类和特点 铣刀的种类很多，有面铣刀、立铣刀、球头铣刀、长刃铣刀等，广泛应用于 平面、沟槽、凸台、曲面等的加工。 立铣刀主要用于铣削沟槽、台阶等。面铣刀主要用于加工平面，生产效率高， 加工表面质量也较好，广泛用于铸铁的粗、精加工。球头铣刀主要用于数控机床 和仿形铣床上进行凹腔、内外轮廓、弧形、沟槽的铣削。 高速加工过程中，典型工序有粗加工、半精加工、精加工以及超精加工。对 于本文主要研究内容航空铝合金薄壁件来说，始终应该进行拐角和半径的剩余铣 削加工，以便为后面的工序和刀具创立恒定切屑去除率的可能性。整体硬质合金 刀具具有加强的切削刃或负倾角，特别是整体硬质合金立铣刀，采用较厚的核心 以保证刀具最大的粘接韧性，是加工铝合金的最重要工具，约加工8 0 9 0 的 铝合金材料。 1 3 2 立铣加工的特点 立铣刀加工的主运动是刀具高速旋转，工件被固定在夹具及工作台上。其加 山东大学硕士学位论文 工特点是：断续切削，刀具不断受到冲击，易崩刃；切削时刀刃迅速达到高温， 空转时刀刃又迅速冷却，使刀具中热应力急剧变化，形成所谓“热冲击”，刀具易 产生热龟裂，造成裂纹损伤。立铣刀应既能耐机械磨损、热磨损，也能承受力与 热变化造成的冲击载荷，有足够韧性，具有抗磨损与抗破损性能，在广泛的速度 范围特别是高速加工范围内适应。 1 3 3 高速立铣刀的结构特点 刀具结构是决定切削刀具使用性能的重要因素，只有拥有先进的刀具结构才 能发挥刀具材料和涂层的优势，因此国内外刀具制造商都十分重视刀具结构的研 究和开发。总的来说，新型刀具结构的发展方向主要是通过结构设计减少铣削中 的振动。结构决定刀体和刀片的空间位置安排，既要保证刀具的刚性和容屑空间， 又要使尺寸紧凑，还要通过各种方法进行消振f 1 3 】。比如说，采用较浅的螺旋槽和 较短的槽长利于增加刚性；大前角以降低切削力、切削热及切削振动；沿螺旋槽 磨出偏心后角，可通过与已加工表面的相互作用起到减振作用，以抑制振颤【1 4 1 高速立铣刀具结构主要有整体和镶齿两类。由于高速切削加工时离心力和振 动的影响，刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的。刀具系统必须有 良好的平衡状态和安全性。在航空制造业中，通常较多使用整体刀具。航空工业 采用的材料比较特殊，机身以高强度铝合金为主，由于其工件材料和加工要求的 特殊性，通常刀具难以适应加工的需要 镶齿刀具主要采用机夹结构，因离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破 坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧机构必须有高的强度与断裂韧性和刚 性，保证安全可靠。 整体式刀具刀体重量尽量轻以减少离心力。刀体上的槽( 包括：刀座槽、容 屑槽、键槽) 会引起应力集中，降低刀体的强度。因此，刀体结构应尽量避免贯 通式刀槽，减少尖角，防止应力集中，尽量减少机夹零件的数量。高速旋转的刀 具系统，存在的残余不平衡量会产生与转速成平方关系的离心力，这种动态负载 会激起刀具和机床的振动，从而导致加工表面质量、刀具寿命和主轴轴承寿命下 降，甚至影响到加工过程的正常进行。为减小或限制这种由残余不平衡量产生的 动态负载的影响，应对主轴及刀具系统进行必要的动平衡测试 嘲。刀体结构应对 称于回转轴，使重心通过刀具轴线。刀具通常直径大于中1 6 m r n m 】。 6 第一章绪论 1 4 铝合金航空整体结构件高速切削加工技术 1 4 1 现状分析 高速加工在整体结构件加工中效果突出，大大提高了加工效率和产品质量。 整体结构件具有加工量大、结构复杂、壁薄、金属去除比率高、表面质量及尺寸 精度要求高等特点，从而使得整体结构件加工周期长、产品质量难于控制，尤其 薄壁加工时零件尺寸更是难以保证。在高速加工中，由于小的切削力会减轻薄壁 的机械变形，另外切削时产生的热量由切屑带走而来不及传递到工件中，避免引 起零件的热应力变形，可以稳定地完成薄壁加工目前在国外高速加工已可以准 确而稳定地完成0 2 5 r a m 厚度的零件加工。 目前在我国某大型公司数控加工厂配有多台高速数控设备，主轴转速最高可 达2 4 0 0 0 r r a i n 。以前在低速数控铣床上用直径为0 3 2 m m 的刀具进行铝合金零件 粗加工时，采用的参数为：n = 3 0 0 0r r a i n ，f z = o 2 5 m m ，a p = 1 5 2 0 m m ，a e - - - 1 6 m m ； 目前在高速设备上采用的参数为n - - - 2 0 0 0 0 r l n f m ，声司2 m m ，a p = 5 8 m m ， a e = 1 6 m m ；前者( 低速加工) 切削速度为3 0 i r a r a i n ：而后者( 高速加工) 切削 速度为2 0 0 0 m m i n 。实际应用情况表明：采用高速切削后，金属切除率大幅提高， 约是低速切削的3 5 倍，切削力大幅度下降，仅是低速切削的2 0 3 0 ，切削 振动减少，零件表面质量及尺寸精度提高，在常规低速切削中备受困惑的一系列 问题( 如加工变形等) 得到了解决，加工效率和零件质量得到了提高i m 。 在航空整体结构件的高速加工中主要存在以下问题：零件变形使刀具按照预 定的轨迹切削时的实际切削量和切削位置发生偏移，导致零件表面过切或超差、 变形等问题。尤其在薄壁零件的精加工中，切削力引起的接触弹性变形造成很大 的加工误差。 1 4 2 机床和刀具技术 高速加工设备为了适应高速加工的要求，必须做到在高速状态下三维甚至五 维运动的准确定位、快速响应、负荷变化时的平稳切削等。这对数控机床提出了 全新的要求，具体表现如下：功能强大的数控系统：高速电主轴；高速伺服进给； 优化的机床结构b s 对于机床结构来说，为适应高速加工减轻运动部件质量的需求，许多高速加 工机床采用框中框”和对称结构设计。意大利r a m b a u d ir a ms p e e dhp l u s 新型 7 山东大学硕士学位论文 高速铣床及j o b s 公司用于航空和模具制造业的产品l i n x 大型高速铣床都采用 了高架桥式移动结构布局设计。高架桥式移动结构设计机床的优点在于：坐标运 动部件质量轻，不但适合于高速移动，而且刚性很好；对称结构设计有利于减轻 温度热变性影响，提高了精度；所有导轨表面均高于刀具切削点，有利于导轨表 面保持清洁，延长了导轨使用寿命；采用适当的复合电主轴，可实现五坐标联动 和多面体加工于一台机床上；这种机床结构的不足之处是工件安装、定位、夹紧 操作不太方便。但这种大型高速铣床已成为加工飞机整体结构件的关键设备。如 波音公司在w i c h i t a 军机制造分部就配有法国f o r e s tl i n e 公司4 3 m 3 m x 2 m 高架 三龙门五坐标m i n u m a c 3 0 t h 数控铣床，主轴功率2 4 k w 高速加工中心构成加工单元越来越多地应用在航空制造业中。据美国制造 工程报道【1 9 - 2 0 1 ：波音w i c h i t a 民机制造分部添置了4 个高速加工单元，包括1 3 台m a l d o n 五坐标高速卧式加工中心( 其中l o 台为m a 虹u om c l 5 1 6 - 5 x ，3 台为 m a k i o n m c l 8 1 6 - 5 x ) ，用于飞机铝、钛合金构件加工。w i c h i t a 民机制造分部采用 3 个高速加工单元来实现快速有效地制造飞机窗户连接隔框。 航空航天工业铝合金零件的高速加工需要发展新的主轴技术主轴转速目前 已达4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 r m i n ，整体制造法可极大减小轴向推力( 大约3 0 6 0 ) 并减小工件变形，而主轴速度是否能够提高主要是受轴承零件的限制。 高速铣肖对铣刀的要求是平衡、材料先进、圆度差最小、安全、易排屑和多 用途，而且它们的几何形状大多也很复杂。 航空薄壁件圆角加工的质量控制一直是不易解决的难题，在圆角的走刀过程 中，常常发生欠切、过切、振动等现象，一般要通过打磨来消除过切、欠切痕迹 或振纹，不仅影响了工件的加工精度和加工效率，还很大程度上降低了刀具的寿 命。 1 5 铝合金高速加工整体硬质合金刀具国内外研究现状 1 5 1 铝合金高速加工刀具材料概述 刀具材料对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具 切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用，因此刀具材料应具备如下 一些基本性能：硬度和耐磨性；强度和韧性；耐热性；工艺性能和经济性。 高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还 8 第一章绪论 特别要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能以及高的 可靠性。为了适应高速切削加工技术的需要，保证优质、高效、低耗地完成高速 切削加工任务，对高速切削刀具材料提出了更高的要求。 1 ) 可靠性 高速切削加工一般在数控机床或加工中心上进行，刀具应具有很高的可靠 性，要求刀具的寿命高，质量一致性好，切削刃的重复精度高。如果刀具可靠性 差，将会增加换刀时间，降低生产率，这将使高速切削加工失去意义。解决刀具 的可靠性问题，成为高速切削加工成功应用的关键技术之一。 2 ) 高的耐热性和抗热冲击性能 高速切削加工时切削温度很高，因此，要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、 耐热性好、抗热冲击性能强。 3 ) 良好的高温力学性能 要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如高温强度、高温硬度、高温韧性 等。 4 ) 刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要 高速切削加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。同时，由于 可持续发展的要求，还要求高速切削时不污染环境，切屑处理效果好。 刀具材料对高速切削加工技术的发展具有决定性意义。目前已发展的刀具材 料主要有是金刚石( p c d ) 、立方氮化硼( c b n ) 、陶瓷刀具、碳( 氮) 化钛t i c ( n ) 基硬质合金( 金属陶瓷) 、涂层刀具和超细晶粒硬质合金等。特别是硬质 合金刀具的品种增加、性能的提高，许多适应高速切削刀具的结构不断出现。 1 5 2 硬质合金刀具在铝合金高速加工中的优势 硬质合金是由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成的， 它的硬度为i - i r a 8 9 9 4 ，远远高于高速钢；在5 4 0 0 ( 2 时为8 2 8 7 h r a ，与高速 钢常温时硬度相当，并且它还具有化学稳定性好、耐热性好等优点。据报道，有 的国家5 5 以上的铣刀都采用硬质合金制造。我国常用的硬质合金为碳化钨 ( 、c ) 基硬质合金。近些年又出现了碳化钛( t i c ) 基硬质合金、超细晶粒硬质 合金、表面涂层硬质合金等新品种【2 1 1 。 高速钢和硬质合金立铣刀相比较，高速钢立铣刀的推荐铣削速度只有硬质合 山东大学硕士学位论文 金立铣刀相应值的1 4 i 3 。有文献报导，硬质合金立铣刀的金属切除率可比高 速钢立铣刀的高5 1 0 倍硬质合金立铣刀主要由整体式和可转位两种构成，我 国的硬质合金立铣刀还在起步阶段，2 0 0 2 年的产值和产量仅达4 0 0 万美元汜0 万 件，整体硬质合金立铣刀的生产更为稀缺。精密的整体硬质合金立铣刀国外用6 轴联动c n c 工具磨床制造，采用多片砂轮在一次装夹中磨成全部刃部几何形状。 上述机床主要靠进口，价格昂贵，限制了国产整体硬质合金立铣刀的发展。c n c 立式镗铣床主轴有足够的功率、机床刚性好、定位精度高，可以实现硬质合金整 体立铣刀的 j i l i 2 2 1 。 涂层硬质合金刀具具有以下优点：1 ) 表层的涂层材料具有极高的硬度和耐 磨性，若与无涂层的硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从 而提高了加工效率，或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具寿命。2 ) 涂层 材料与被加工材料之间的摩擦系数小，若与无涂层的硬质合金相比，涂层硬质合 金的切削力有一定降低，已加工表面质量较好。3 ) 由于综合性能好，涂层硬质 合金具有较好的通用性和较宽的适用范围【2 3 】。 通过分析可知，在现阶段和将来的很长一段时间内，对于铝合金加工来说， 硬质合金都是首选刀具材料。 1 5 3 国内外高速刀具研究现状 通常用于高速铣削铝合金的铣刀基本为国外品牌，常见的有f r a i s a 、h a n i t a 、 伊斯卡、s a n d v i k 、s g s 、j a b r o 、戈尔等众多品牌。 日本三菱金属最近推出了1 0 个系列3 2 4 个规格的m s t a r 小直径硬质合金 立铣刀系列产品。其中有球头立铣刀，圆弧头立铣刀，直角立铣刀等，多用于r r 产业相关的小模具，零件等的加工。在该系列产品上采用新的p v d 涂层，靠其 优良的耐磨损性能和抗氧化性能提高了刀具的使用寿命，此外，还适合切削温度 高、高速、高效铣削，从而大幅度地提高了生产效率。 日本京陶株式会社最近推出了一种机夹式高精度陶瓷球头立铣刀，其主要特 点：刀具精度高，其刀尖圆角半径r 的精度在- 2 - 0 0 1 r a m 以下；由于采用了独特 的导套，所以可获得很高的装夹精度；刀具使用寿命长；由于使用了抗磨损性能 优良的p i l o l 5 陶瓷刀具材料，可获得很长的刀具使用寿命。使用该刀具