（机械工程专业论文）整体硬质合金后波刃高效铣刀的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 铣削刀具是机械制造业应用很广的一种刀具，而整体硬质合金后波刃铣刀在国 内还没有研制。本文选择整体硬质合金后波刃粗加工铣刀作为研究对象，根据国外 硬质合金后波形刃铣刀产品的研究成果并结合公司现有产品的技术，提出符合本公 司产品发展的设计思路和方法，完成自主技术产品的开发，形成具有本企业特征的 整体硬质合金后波形刃铣刀产品系列。 通过研究铣削加工特性、三种整体切削铣刀加工特点，分析普通立铣刀、玉米 铣刀与波形刃铣刀的切削特性，说明其在粗加工领域的优越性。 对s a n d v i k 、f r a i s a 、三菱3 家公司的硬质合金后波形刃铣刀进行测绘，将3 家 公司的硬质合金后波形刃铣刀进行了切削对比实验。同时，对s a n d v i k 三种波形刃( k 、 b 、u ) 的分屑槽结构进行了系统分析。研究表明，s a n d v i k 的后波刃铣刀在切削性 能方面明显优于三菱和f r a i s a ，因此，采用s a n d v i k 近似于正弦曲线的刃形是比较稳 妥的方法。在此基础上，确定了所开发的整体硬质合金粗加工后波刃铣刀的波形刃 形状、螺旋角及其它主要几何参数。 整体硬质合金后波形刃铣刀结构较为复杂，磨削加工有一定的难度。通过反复 实验与分析，解决了铲磨后角误差的补偿计算、成型砂轮制备及波形磨削工艺等关 键技术问题。第一、用单位节距成型砂轮法磨削波形；第二、砂轮生产工艺采用钢 坯镀金刚石法。砂轮形状根据铲磨量、精磨余量、螺旋角进行补偿计算；第三、磨 削分两次进行，即粗磨和精磨，精磨余量确保波形刃形状、尺寸精度和表面质量。 将开发的整体硬质合金后波刃系列铣刀与国外同类铣刀及本公司可转位a p k t 铣刀对比实验。试验结果表明：这是一种高效切削刀具，金属去除率高达2 0 0c m m i n ， 远大于可转位任何形式的铣刀，适用于加工钢( h r c = 4 8 ) 、不锈钢、铸铁、高温合 金；切削过程平稳轻快、排屑流畅，达到了三菱、f r a i s a 同类产品水平。 关键词：整体硬质合金铣刀后波形刃粗加工 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i l l i n gt o o li sa k i n do fc u r e rw h i c hi sw i d e l yu s e di nm e t a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o w e v e r , t h es o l i dc a r b i d em i l lw i t hw a v e de d g e sh a sn o tb e e nd e v e l o p e dy e t d o m e s t i c a l l y i nt h i sp a p e rt h es o l i dc a r b i d em i l lw i t hw a v e de d g e si sc h o s e na st h e r e s e a r c ho b j e c t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha c h i e v e m e n ta b r o a do nt h i ss u b j e c ta n do u r c o m p a n y sc u r r e n tt e c h n o l o g i e s ，t h ed e s i g ni d e a la n dm e t h o dt h a tc o n f o r m st ot h ep r o d u c t d e v e l o p m e n to ft h ec o m p a n yi sp r o p o s e d a l s ot h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c tw i t ho u ro w n t e c h n o l o g yi sc o m p l e t e da n dt h es e r i e so fs o l i dc a r b i d em i l l sw i t hw a v e de d g e sw h i c hh a s o u rc o m p a n yc h a r a c t e r i s t i c si sc a r r i e do u t t h es u p e r i o r i t yo ft h es o l i dc a r b i d em i l lw i t hw a v e de d g e si nr o u g hm a c h i n i n gi s d e c l a r e db yt h er e s e a r c ho nm i l l i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e es o l i d c a r b i d em i l l i n gt o o l sa n dt h ea n a l y s i so ft h ec u t t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fu n i v e r s a le n dm i l l ， m a i z e - e n dc u t t e ra n de n dm i l lw i t hw a v e de d g e s t h ew a v ef o r mo ft h ee n dm i l l sw i t hw a v e d e d g e sf r o mt h r e ec o m p a n i e sa ss a n d v i k ， f r a i s aa n dm i t s u b i s h ii s s u r v e y e d c u t t i n gc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t sa m o n gt h e s e p r o d u c t sa r ep e r f o r m e d i nt h em e a n t i m e ，s y s t e m a t i ca n a l y s i si sc a r r i e do u to nt h ec h i p b r e a k i n gg r o o v es t r u c t u r eo ft h r e et y p i c a lw a v e f o r me d g e sa sk b uf r o ms a n d v i k t h e r e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ep r o d u c t sp e r f o r m a n c ef r o ms a n d v i ki so b v i o u s l yb e t t e rt h a n o t h e rt w o s oi ti sab e t t e rm e t h o dt ou s es a n d v i k sw a v ef o r mw h i c hi sa p p r o x i m a t et o s i n u s o i dw a v ef o r m b a s e do nt h ea b o v e ，t h eh e l i xa n g l e ，w a v e f o r ma n do t h e rm a i n g e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h es o l i dc a r b i d em i l lw i t hw a v e de d g e st ob ed e v e l o p e di s d e t e r m i n e d i ti sd i f f i c u l tt om a n u f a c t u r et h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ew a v e f o r mm i l lb y g r i n d i n g b y a n a l y z i n ga n dm a k i n gm u c hc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t s ，al o to fk e yt e c h n o l o g yp r o b l e m s s u c ha sc a l c u l a t i o no nt h ee r r o rc o m p e n s a t i o no fr e l i e fg r o u n da n g l e ，p r e p a r a t i o no fp r o f i l e g r i n d i n gw h e e la n dp r o c e s so fw a v e f o r mg r i n d i n gh a v eb e e ns o l v e d f i r s t l yt h ew a v ef o r m i sg r o u n db yag r i n d i n gw h e e lw i t hu n i tp i t h s e c o n d l yt h eg r i n d i n gw h e e li sp r e p a r e di n s t e e lb l a n ka n dc o a t e dw i t hd i a m o n d t h ep r o f i l eo ft h ew h e e lh a st ob ec o m p e n s a t e d 华中科技大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt o t h er e l i e fg r i n da m o u n t ，f i n i s ha l l o w a n c ea n dt h eh e l i xa n g l e t h i r d l y g r i n d i n gi sp r o c e e d e db yt w os t e p s ，r o u g hg r i n d i n ga n df i n i s hg r i n d i n g f i n i s hg r i n d i n g a l l o w a n c ee n s u r e st h ep r o f i l eo ft h ew a v e f o r m ，d i m e n s i o n a l p r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t y c u t t i n gc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t so nt h ed e v e l o p e ds o l i dc a r b i d em i l l sw i t hw a v e d e d g e s ，f o r e i g ns a m et y p em i l l sa n do u rc o m p a n y sa p k ts e r i e si n d e x a b l em i l li s p e r f o r m e d t h e r e s u l t sf r o mt h ec u t t i n ge x p e r i m e n t sc o u l db ep r o v e dt h a t t h es o l i d c a r b i d em i l lw i t hw a v e de d g e si sah i g he f f i c i e n c yc u t t i n gt 0 0 1 i t sm e t a lm m o v er a t e c o u l db e 弱h i g ha s2 0 0 c m 3 m i n w h i c hi sm u c hg r e a t e rt h a na n yo t h e rt y p eo f m i l l i n gt 0 0 1 i ti ss u i t a b l ef o r m a c h i n i n gs t e e l ( 4 8 h r c ) ，n o n - r u s ts t e e l ，c a s ti r o n a n d h i g h - t e m p e r a t u r ea l l o y t h ec u t t i n gp r o c e s si sm o r es t a b l ea n df a s t e r , a n dt h ec h i p sc o u l d b er e m o v a lo u t f l u e n t l y i ng e n e r a l ，i t sc u t t i n gp e r f o r m a n c eh a sa c h i e v e dt h es a m el e v e la s m i t i s u b i s h i sa n df r a i s a ss a m ep r o d u c t k e yw o r d s ：s o l i dc a r b i d em i l l i n gt o o l w a v e de d g e s r o u g hm a c h i n i n g i 独创性声明 f 妨j 0 1 7 6 0 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：江沫颜 日期：力蝴，啦岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。 本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：江湘颜 日期：2 阳辟加月乃日 指导教师签名：少良山 日期：叠。口6 年o 月鸪日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外切削刀具技术发展现状 2 0 世纪8 0 年代以后，在微电子、计算机技术、信息工程和材料工程等高新科技 的推动下，传统的制造技术迅速发展成为- t 9 新兴的技术即现代制造技术并对人类 社会进步和经济发展产生了巨大的推动作用。对比传统制造技术与现代制造技术的 差异，其中一个重要的特征是数控加工技术的发展和它对现代制造技术的重要作用， 可以说是数控n i 技术的发展开创了制造技术的新时代，进入了以高速、高效、高 0 精度为标志的金属切削新阶段【1 】。切削刀具作为数控n i 技术的基础工艺和装备，为 现代制造技术进入实用阶段起着十分重要的作用。 图1 1快换式刀柄系统和三维槽氆 随着中国经济的迅速发展，巨大的市场越来越吸引着西方国家。众多的外国公 司、厂家纷纷想把他们的产品打入中国市场，占领中国市场，整个工具行业也不例 外，一些原对中国实行封销的一些专门行业的高精度的特殊刀具、专用刀具，也经 不住市场经济的冲击和本身的经济利益的考虑，纷纷解禁，迅速地推向中国市场， 日本、欧洲、美国等先进国家的刀具制造商如k e n m e t a l 、s a n d v i k 、i s c a r 等 华中科技大学硕士学位论文 正在大举抢占中国市场。如图1 1 为s a n d v i k 可乐满公司c a p t o 快换式刀柄系统 和三维槽型典型结构。国外刀具发展的方向是朝着高精度、高效率、高切削速度前 进，不断改进刀具的材料和更新结构。 无论从国际上还是从国内来看，整个刀具行业发展是迅速的。刀具技术的发展 主要体现在刀具材料和涂层技术进步、刀具结构和几何参数的变革上1 2 】。如图1 - - 2 i s c a r 公司近几年推出的变色龙两直平面定位多用途刀具( a ) 和大切深、高强度立 装刀具( b ) 。 1 1 1 刀具材料的发展 图l 一2 多用途刀具( a ) 和立装刀具( b ) 新型刀具材料的选用可大大提高切削加工生产率。几十年来刀具材料从碳素工 具钢、高速钢到现在的硬质合金、陶瓷、超硬材料等，允许的切削速度每隔十年几 乎提高一倍，刀具耐用度每隔十年几乎提高两倍【3 】。 硬质合会的硬度和耐磨性、耐热性都高于高速钢，使用非常广泛。虽然硬质合 金在刀具材料中所占的比例低于高速钢，但它切下的切屑的比重却达6 0 以上，有 的国家9 0 以上的车刀、5 5 以上的铣刀都采用硬质合金制造，这种趋势还在增加。 随着材料科学和制造技术的发展，国内外开发了许多硬质合金新品种，如超细晶粒 华中科技大学硕士学位论文 硬质合金和涂层硬质合金。超细晶粒硬质合金强度高、耐磨性好、性能可靠稳定， 在一些涂层刀片不能发挥优越性的情况下显示其独特的效果；涂层硬质合金由于综 合了t i c 基硬质合金高的耐磨性和金属切除率，以及w c 基合金高的韧性和使用的可 靠性，在高速切削钢件和铸件时都取得了巨大成功。 陶瓷刀具材料最初主要用于车削和精铣铸铁，近年来，由于开发了氮化硅陶瓷 碳化硅晶须增强组合陶瓷和涂层氮化硅材料，改善了陶瓷的脆性和抗热振能力、也 提高了耐磨性和韧性、扩大了陶瓷刀具在铸铁、钢料、有色金属、非金属材料的加 工范围。国外已将陶瓷材料视为下世纪初提高生产率最有希望的刀具材料。陶瓷刀 具的一个主要进步就是发展了不含金属的复合材料，故其切削速度不受由于金相存 在而产生的热硬度变化的限制。例如，现在工业上可以使用高强度的氧化铝一碳化 钛陶瓷刀具【4 】【5 1 。 超硬刀具材料指的是金钢石( p c d ) 和立方碳化硼( c b n ) 。立方碳化硼刀具适用于 切削高硬度淬硬钢和冷硬材料，被加工材料硬度越高越能体现它的优越性，是实现 以车、铣代磨的最佳刀具之一。金钢石刀具多用于在高速下对有色金属、非金属材 料进行精细车削和镗孔，另外还广泛应用于汽车、航空工业的发动机的关键部件作 最终表面加工，切削速度快、刀具寿命高。 1 1 2 涂层技术的进步 刀具涂层目前常用的方法有物理气相沉积法( p v d ) 和化学气相沉积法( c v d ) 两种。前者的沉积温度低、可控制在5 0 0 c 以下。未超过高速钢本身的回火温度，可 避免刀具变形。后者的沉积温度为9 0 0 c l1 0 0 ，但工艺设备简单，涂层均匀。故 硬质合金多用c v d 法。可是用c v d 法涂层后的表面粗糙度要比基体稍差。在锋利的 刀口上不易沉积涂层，故涂前需对刀口进行钝化处理。针对c v d 的不足，于是出现 了一种c v d p v d 相结合的工艺，称为等离子辅助化学气相沉积工艺( p c v d 法) 。即利 用等离子体来促进化学反应，可使沉积温度降低到2 0 0 。c 一5 0 0 进行。离子束辅助 沉积技术( i b a d ) 是近几年来新发展起来的一种新型p v d 法。它兼有气相沉积与离子 注入的优点。据报道，美国g e o r d a 理工学院开发出可使某些氧化物、氮化物、碳化 华中科技大学硕士学位论文 物与硼化物的薄膜涂层工艺简化称之为c c v d 法的薄膜涂层新技术，它综合了c v d 法与热喷涂技术两者的优点，可使薄膜具有更高的质量【6 l 。而近年来提出的纳米涂层 技术，可使刀具具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能【刀。 t i n 、t i c 和a 1 2 0 3 是应用最多、使用最早的硬涂层材料，后又发展了兼有t i c 和t i n 两种材料优点的氮碳化钛( t i c n ) 为基的多元成分新涂层材料。例如( t i ，z r ) c n 、 ( t i ，a 1 ) c n 和( t i s i ) c n 等。除上述涂层材料外，现在使用的涂层还有h f 、z r 、t i 、 t a 的碳化物与氮化物，h f 、z r 、t i 、n 、t a 的硼化物，h f 、z r 、t i 、a 1 、b e 的氧化 物以及金刚石薄膜涂层等。 目前涂层已由过去的单涂层发展到双涂层、三层涂层、甚至更多层的涂层。例 如，t i c - - a 1 2 0 3 、t i c t i c n t i n 、t i c t i c n a 1 2 0 3 、t i c - - a 1 2 0 3 一t i n 、以及 由多层的a 1 ：0 3 一t i n 组成的涂层等。使用多层涂层的目的是综合利用各种涂层成分的 优点，使其获得更好的综合性能。 一些工业发达国家还着手根据加工材料的性质及加工特点来设计涂层成分、涂 层厚度及与之相配的基体材料，以求获得其最佳组成并取得最佳涂覆效果。 1 1 3 先进的刀具结构和几何形状 刀具结构和几何参数的改进，是研究开发高效、高精度、高耐用度刀具的重要 手段。随着刀具材料和性能的不断改进，刀具的结构和几何参数也发生了很大变化。 如近年来日本、美国、德国等开发的各式装配硬质合金刀片的涂层铣刀，远不 同于已往的装配式硬质合会铣刀，而是在刀片上采用了各种特殊殊形状的三维断屑 槽，刀刃也由原来的直线形变为多样化的各种螺旋形、波形刀等，且有采用大| i 角、 大容屑空间和高刚性刀体的趋势。这样改进的刀具大都刀刃锋利，切削力大幅度减 小，断屑和排屑性能优良，加工效率很高，切削范围广，从普通钢材到不锈钢均可 顺利加工吼如图1 一l 、图1 2 。美国、德国、日本、瑞典等国都已生产出了整体 硬质合金滚刀、插齿刀、铣刀和螺纹铣刀。在刀具结构方面，滚刀的发展趋势是朝 着多槽( 多达3 0 槽或更多) 、多头、错齿、小直径、刀体加长和刀片装配式结构等方 向发展【9 】o 4 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外铣削技术发展现状 在机械加工切削过程中，刀具起着决定性的作用。刀具设计的水平直接反映出 机械加工的水平。铣削加工是最重要的机械加工方法之一，由于通用性好，应用非 常广泛。可以说，没有一种刀具具有铣刀那么多的类型、形状和功用。 1 2 1 硬质合金铣刀的研究与应用现状 铣刀是一种多齿多刃回转刀具，铣削时同时参加工作的切削刃总长度较长，切 削速度较高，故加工生产率一般比较高。随着生产技术的不断发展和各种难加工材 料的相继出现和广泛运用，对铣削加工的生产效率、加工质量和刀具使用寿命等提 出了更高的要求。传统的生产方法越来越受到挑战。在精加工中，磨削正在日益被 铣削所代替【1 们。 过去加工模具的型腔主要采用电火花加工方式，以电火花加工不仅效率低下而 且花费成本高。但近年来，随着工具技术和加工技术的发展，除了窄缝、深槽以及 很细的纹理，非用电火花加工的以外，一般形状不太复杂的型腔及三维轮廓都已能 在高刚度的铣床和加工中心上用涂层硬质合金铣刀进行高速加工。与传统的电火花 加工相比，铣削加工不仅成本低而且效率也比电火花加工高得多【1 1 l 。硬切削技术已 成为汽车齿轮内孔精加工、淬硬模具加工实用的高效新工艺【“1 。 随着加工中心的应用越来越广泛，各式各样的零件上都能进行铣削加工，并且 通常是一次装夹中完成车铣加工。由于高速钢铣刀易弯，加工精度低，切屑容易熔 结，故加工表面粗糙度值也高，其切削性能已不能适应客观形势发展的需要。因此， 硬质合金制造的铣刀在国内已渐被广泛使用，各大工具厂商并已使用超微细硬质合 金来制作立铣刀，它较之一般硬质合金具有更高的耐磨性与韧性。其抗弯强度达到 4 o g p a 左右，高出一般硬质合金一倍【1 3 】。 各种硬质合金铣刀及其他超硬材料铣刀的研制、开发引起了国内外的普遍重视， 并取得了迅速发展。如图l 一3 为瑞典山特维克可乐满面铣刀、立铣刀、三面刃铣刀 系列【1 4 】。它们己广泛应用于各行业的高效、高精度铣削加工，其种类已基本覆盖了 现有的全部铣刀类型。 华中科技大学硕士学位论文 图1 - - 3s a n d v l k 面铣刀、立铣刀、三面刃铣刀 硬质合会铣刀发展的显著特点是切削效率的提高。以轿车发动机的5 大件j o t 为 例，在近1 0 年左右的时间里生产效率提高了约1 2 倍，如加工铝合金缸盖的p c d 面铣 刀。铣削速度已达4 0 2 1 m m i n ，进给速度5 6 7 0 m m m i n ，比我国9 0 年代初引进的生产 线又提高了一倍【1 5 】；又如精加工灰铸铁缸体的c b n 面铣刀，铣削速度已达2 0 0 0 m m i n ， 比传统的硬质合金面铣刀提高了l o 倍。高速切削还有利于提高产品质量、降低制造 成本、缩短交货周期p 6 1 。 此外，在高速切削技术的基础上，还开发了干切削( 准干切削、微量润滑切削) 、 等新工艺，不仅提高了加工效率，改变了传统不同切削加工的界限，而且开创了切 削加工“绿色制造”的新时代1 1 7 l 。 近十几年来我国铣刀开发和生产发展速度很快，有些生产厂通过引进国外刀具 制造技术，在国内生产国外公司的刀具产品，质量和性能均达到国外刀具的水平。 但一些高精度刀片、带断屑槽及曲线刃刀片以及陶瓷、超硬材料的铣削刀具，无论 产量还是质量与国外相比均存在较大差距。 1 2 2 分屑大进给立铣刀的研究概况 为了实现大进给切削，改善加工中的卷屑和排屑功能。我国2 0 世纪5 0 年代研 6 华中科技大学硕士学位论文 制成功的高速钢分屑铣刀玉米立铣刀。其特点是径向上每个刀齿沿螺旋线开有 很多分屑槽，这使得分屑情况良好；同时，这种铣刀的径向刀齿有3 0 。的螺旋角， 使其具有斜刃切削的优点【1 8 1 。 其后，又开发了一种与玉米立铣刀相类似的分屑立铣刀，这种铣刀是用切口砂 轮在螺旋切削刃上磨出一些相互交错排列的分屑槽【1 9 1 。利用这些分屑槽，把宽切屑 变成窄切屑，即可加大每齿进给量，使切削厚度变大。它与铲齿形玉米铣刀的主要 区别在于，它不需改变原有的切削过程和切削刃位置。由于这种刀具的基本形状与 玉米铣刀相同，所以又可称它为磨齿槽的玉米铣刀。它采用了较大的螺旋角，故具 备斜角切削的优点。还采用了不等齿距结构，可以减轻铣削所产生的振动。该铣刀 的各齿间角1 l r 的大小根据铣刀齿数而定。1 l r 角值列于表卜1 表l - i 铣刀不等齿距的齿间角( 度) 铣刀齿数v l 1 l r2 v3 v 4 1 l r51 l r61 l r7 3“o1 2 31 2 7 | f 49 08 59 09 5 56 87 27 66 87 8 74 95 54 95 54 95 54 8 不等齿距铣刀是现代铣刀设计的发展方向之一。因为它可以减少或消除铣削时 的周期性振动，并可避免共振现象发生，故对提高铣刀寿命有好处，特别是对于低 速大进给铣削，就更为重要了。 硬质合金虽然已应用于车刀、端铣刀和各种可转位刀具上，但用来制造螺旋立 铣刀还是最近的发展。由于分屑切削刀具有很多优越性，同时又由于焊接硬质合金 刀片较为方便，故出现了硬质合金玉米铣刀。 近年来研制成的硬质合金玉米齿螺旋套式立铣刀。这种铣刀的最大特点是：刀 片呈玉米状布置，刀齿交错排列，切削性能好。由于可分屑切削，因而可采用大进 给量切削。由于切削时切削厚度大，切屑变形及切削力都小，故切屑与刀具问的摩 擦可减小，刀具的耐用度可提高，同时又能充分利用铣床的有效功率。此外，这种 铣刀刀片的分布有间隔，容屑空间大，切屑不易堵塞，可使切削液充分发挥作用。 必须指出：这种铣刀的螺旋角不宜过大。因为其刀齿是按螺旋槽分布的，每个刀齿 7 华中科技大学硕士学位论文 的前刀面在刃磨前还是平面，要靠刃磨来磨出螺旋面，如螺旋角太大，就要磨掉较 多的硬质合金，在工艺上有困难。使用这种立铣刀时每分钟进给量与普通立铣刀相 比，提高了2 0 倍以上，铣削效率高，适合低速大进给铣削。通常，这种铣刀的每齿 进给量为0 1 0 3 m ，当机床刚性好、工件装夹牢固时，可采用较大的进给量， 在铣削封闭槽时，应选用较小的进给量，否则容易打刀【2 1 1 。硬质合金玉米齿螺旋立 铣刀应用范围也比较广泛，可选择不同类型的硬质合金刀片铣削不同材料的工件， 如：选用y t 5 刀片铣削钢材；选用y g 8 刀片铣削铸铁、有色金属及非金属材料。而y w 2 作为通用的硬质合金，已显示了良好的切削性能。特别适用于数控机床，很有发展 前途。 高速钢波形刃立铣刀是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新型分屑立铣刀【笠1 2 3 】，它采用 无尖角的波形切削刃代替原有分屑铣刀带尖角的折线切削刃，既有分屑作用，又避 免了玉米铣刀分屑槽尖角过早磨损的缺点。 1 9 8 2 年，贵阳工具厂首先开发了高速钢前波形刃立铣) 3 t 2 4 1 。但是，由于硬质合 金材料的硬度很高，脆性较大，因此比较难以加工，目前，国内整体硬质合金波形 刃铣刀还有待开发。 1 3 课题来源和研究意义 我公司整体硬质合金刀具产品和技术源自原湖南钻石工具有限公司于9 0 年代初 从德 虱g u h r i n g 公司引进的全套生产线以及相关的技术资料。当时g u h r i n g 公司提供的 铣刀品种和技术资料较少，只有三种类型。经过十年的发展以及先进设备和工艺如 a n c a 、w a l t e r 的更新，加之领导层对技术的重视，公司的技术水平才得以较大的 发展。目前我公司生产的整体硬质合金立铣刀主要应用于汽车、发动机、压缩机、 模具、航空航天等领域，加工材料从铸铁、铝合金到合金钢、不锈钢、淬硬钢、高 温合金等难加工材料，并都达到了一定的水平，但仍存在一些问题： 1 整体硬质合金后波形刃铣刀粗加工立铣刀尚未开发 硬质合金波形刃粗加工立铣刀，是一种新型的刀具，在国内尚未开发。由于波 形刃的特殊性以及对波形刃刀具技术的缺乏，因此在波形刃立铣刀的设计以及制造 华中科技大学硕士学位论文 技术上都有一定的难度。关键技术的解决填补国内空白，提升公司技术水平、工艺 制造水平。 2 整体硬质合金铣刀标准化、系列化程度不高 虽然进口的整体硬质合金铣刀在质量和性能上有相当的优势，但价格较高，通 常为国产刀具的3 1 0 倍，一般企业很难承受。由于进口刀具存在规格局限，且价格 昂贵，品种规格不全，标准化、系列化程度不高给使用带来麻烦，也给管理造成混 乱。这就要求研制其替代产品，并将其规格进行完善，实现其标准化和系列化，使 我国硬质合金的生产由资源大国变为产品大国。 与国外大公司相比，本公司的系统研究缺乏，技术支持不够，势必造成产品的 后续开发能力不足。因此，整体硬质合金铣刀系列化设计和系统研究的工作有着极 为重要的意义。 1 4 本文的主要研究内容 1 对国外同类型整体硬质合金刀具的刀具结构、切削效果、切削机理上进行系 统的研究； 2 根据对国外刀具产品的研究成果，结合本公司的生产和技术的特点，提出符 合中国市场销售和本公司技术现状的整体硬质合金后波刃铣刀的设计思路和制作方 法； 3 完成自主技术产品的开发：整体硬质合金后波刃铣刀的设计、关键工艺问题 的解决、制作与切削性能对比实验研究，形成具有本企业特征的系列整体硬质合金 铣刀产品。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 不同立铣刀的铣削特性分析 2 1 铣削加工的形式及特点 铣削是用旋转的多刃切削刀具进行的金属切削，刀具几乎在任何方向都可以对 工件进行加工。铣削加工根据刀具及其运动形式，通常分为三种类型面铣、周 铣和立铣瞄1 。面铣是最普通的铣削方法，工件与铣刀做直线进给运动，铣刀在垂直 于进给轴线方向的平面内绕轴线旋转。周铣的原理包括铣刀在和工件的进给轴线相 垂直的平砸内绕水平轴旋转。立铣常常是旋转铣刀完成类似于面铣的加工，但它具 有在垂直于工件的方向进给的能力。某些立铣刀还具有在工件上钻出通孔的能力。 这种立铣刀无论如何至少有一个刀刃在通过中心的切削刃，其轴向进给的能力是由 端部切削刃决定的。 图2 17 具前、后刀面磨损 随着硬质合金铣刀在各行业的广泛应用，与车削加工过程相比较，铣削加工也 呈现如下特点【2 6 l ： 1 、铣刀刀齿切入工件是断续地受到周期性的冲击，容易引起铣刀刀刃的崩坏， 刀具容易磨损。所以，在生产中，铣刀的崩刃和打刀现象比车刀严重。如图 2 1 为铣刀的前、后刀面的磨损。 2 、铣刀刀齿的间断切削，虽有利于切削温度的降低。但近年来试验表明，铣刀 的磨损和刀片破损的主要原因之一是热冲击现象引起的。这就要求刀具的材 1 0 华中科技大学硕士学位论文 料及涂层具有高的高温硬度和热稳定性。 3 、铣削过程中，刀齿的切削厚度是变化的，开始切入时切削厚度很小，刀刃在 工件表面上有一段滑擦距离，刃口圆弧对工件的挤压力很大，每齿进给量a f 愈小，刃口圆弧对切削层的挤压作用愈大。切削厚度较大时，刀齿对金属层 金属已加工表面的挤压作用较小。 4 、铣刀的容屑、排屑空l 日j 较小，如何加大容屑空间是设计铣刀所应考虑的重要 问题之一。 5 、铣刀同时有几个刀齿参加切削工作，切削厚度与切削宽度随时都在变化着， 因此，铣削力也是变化的，并且各刀齿在刃磨后或机夹装刀后，一般很难保 证都在同一圆周上或端平面上，更加剧了铣削力的变化，这也是铣削过程总 是处于冲击振动、不平稳加工状态的主要原因。 根据铣削加工特性，可以得出铣刀设计的基本原则： 1 、由于铣削时刀尖处切削条件恶劣，切入、切出冲击严重，易产生破损，因此 必须保证刀尖有足够的强度。 2 、为使铣削过程平稳，切削刃应逐渐切入、切出工件。 3 、由于铣削存在切入、切出过程，切屑截面为不等截面，切削厚度从d , n 大或 从大n d , ，因此要求切削刃既要有一定的强度，又要有一定的锋利性。 4 、考虑到机床所能提供的输出功率，刀具切削过程中产生的切削力要小。 2 2 普通立铣刀、玉米铣刀和后波刃铣刀的切削特性 2 2 13 种整体硬质合金普通立铣刀的结构特点和加工特性 目前，我公司最新研制了三种整体硬质合金铣刀。分别是直角立铣刀、圆角立 铣刀和球头立铣刀。 1 、直角立铣刀 直角立铣刀是端刃与周刃直接相交形成一个很尖的刀尖，可以满足在一些需要 清根的场合的加工要求。( 图2 2 ) 在铣削方式上，直角立铣刀侧重于以侧铣加工为主。该直角立铣刀的刃数有四 刃到多刃，采用了5 5 。大螺旋角以及1 5 。大的负f i 角的设计，保证了刀具刃口的强 1 1 华中科技大学硕士学位论文 度，加工出的工件表面粗糙度高。适合于淬硬钢的粗加工和精加工。 2 、圆角铣刀 图2 - 2 直角立铣刀 图2 - 3 圆角铣刀图2 - 4 端齿过中心 它是使用非常广的一种新型刀具，由于刀尖的圆弧r ( 图2 3 ) 的存在，使刀尖 的强度得到很大的提高。圆角立铣刀在模具加工行业应用非常广泛，通常这种刀具 采用端齿过中心( 图2 4 ) 以及带缩径的设计方法，可以轴向和径向进刀，因此可以 用来进行轮廓铣以及一些仿型铣削，替代一部分球头铣刀的使用。在模具加工中用 圆角立铣刀具有更多的优点： ( 1 ) 加工转角部分的圆角r 在加工转角部分的圆角r 时，圆角刀体现出了强大的优势，可以通过刀具的圆 角刃一次性完成转角部分的圆角r ，而用球头铣刀加工时为了加工转角处圆角必须 换用直径更小的球头立铣刀进行加工( 图2 5 ) ，因此使用圆角立铣刀减少了刀具的 华中科技大学硕士学位论文 使用数量，减少了更换刀具的时间提高了加工效率。 i一l l i -_- l 图2 - 5 圆角立铣刀与球头立铣刀切削对比 ( 2 ) 加工精度、加工面粗糙度 在用圆角立铣刀端面加工时因为圆角刃为主切削刃立铣刀的底刃是平的，因此 能起到一定的修光刃的作用，所以加工出来的表面光洁度可以达到很高。 3 、球头立铣刀 图2 6 球头立铣刀 图2 - 6 是用在仿形铣或加工空问复杂曲面的一种新型结构的刀具，通常用于精加 工。由于球头铣刀端刃过中心，因此球头铣刀既可轴向进刀也可以径向进刀，用它 可以很方便的加工内型腔面以及其他复杂曲面，所以在机械制造的各个领域如模具、 汽车、航空、航天的构件加工中有着极为广泛的应用。在加工模具型腔以及仿型加 工时为了避免干涉，球头立铣刀在设计时采用带有缩径的结构。 华中科技大学硕士学位论文 球头铣刀中心切削速度为0 ，在切削过程中挤压工件，球头中心是球头立铣刀最 容易磨损的部位，因此在切削时尽量采用倾斜一定角度来避免中心切削。但是由于 球头铣刀刃型的特殊性就会造成刀具的每齿进给量正以及切深切宽a e 和刀具直径都 会对被加工表面的粗糙度有很大的影响，如图2 7 。 图2 - 7 球头铣刀不同切削用量对被加工表面粗糙度的影响 以上三种整体硬质合金立铣刀，加工范围不同。但这三种铣刀都属于普通立铣 刀，整条刀刃都参与切削，切屑较宽，变形大，随着切削用量的增加，铣削力显著 增大，很快达到刀具的刚度极限，引起刀具的振动和机床的自激振动。另一方面， 对于韧性材料，切屑过长，不利于排屑。所以普通立铣刀不适合高效率的粗加工。 2 2 2 玉米立铣刀和后波刃立铣刀的切削特性 实践证明，影响粗加工效率的主要因素是： ( 1 ) 切削过程的平稳性； ( 2 ) 刀具的磨损； ( 3 ) 容屑空间是否足够，切屑是否能及时、顺畅地排出。 粗加工阶段的主要目标是是尽可能快地切除掉工件毛坯的加工余量，因此，粗 加工刀具设计主要是考虑加工效率，应选用大的进给量和尽可能大的切削深度。在 保证刀具有足够的强度和刚度的日口提下，具备充分的容屑空间或可靠的卷屑、断屑、 排屑的性能。 那么，如何j 能提高切削效率? 前人在这方面作了大量的研究【2 7 】例p 川，方 法之一是在普通立铣刀的主切削刃上加分屑槽，避免整条刃参与切削，使原来狭长 的薄切屑变为厚而短的窄切屑。这样，可使铣削过程中切屑形成，卷曲和排除情况 华中科技大学硕士学位论文 都得以改善。同时，由于与被加工件接触的切削刃长度较短，刀具不易产生振动， 能适应大切削用量的加工状况。 图2 - 8 玉米铣刀( 左) 和后波刃铣刀( 右) 目前，带分屑槽的铣刀有玉米铣刀和波形刃铣刀( 图2 8 ) 【3 1 】【3 2 】。玉米铣刀是 在后刀面上铲磨出分屑槽来，分屑情况良好，是一种比较典型的分屑大进给切削刀 具。但玉米铣刀分屑槽型式简单，同一条刃上的分屑槽不相接，因此其分屑槽与铣 刀周刃刃口相交处形成尖点，并且槽的侧后角较小，故该处磨损较快【3 3 1 。 波形刃铣刀又有三种类型【卅： 1 、后面为波形面，前面为普通螺旋面，后面需经铲齿( 磨) 加工。与铲齿铣刀 一样重磨前面。 2 、前面为波形面、后面为普通螺旋面。由于铣刀后角的存在使切削刃在径向也 形成波形，这种铣刀重磨后面。 3 、前、后面均为波形面，它是将前面波形铣刀的后面磨成一定的波形，以消除 其径向波形，使切削刃各点均处于圆柱面上。 根据哈尔滨工业大学薄化川教授的实验研究，后面为波形面的铣刀分屑效果最 好，切削力比玉米铣刀和普通铣刀小。前面为波形面、后面为普通螺旋面型铣刀由 于切削刃全部参加切削，切削刃长，切削厚度小，切削力大，且无分屑作用。但当 切削厚度较大时，适用于余量较大的精铣。而后波形刃铣刀是将后刀面铲制成波形 面，前刀面是普通螺旋面。该铣刀有较大的径向波深，较小的波间距，分屑槽型式 复杂，沿波形刃发生定规律的变化，同一条刃上的分屑槽彼此相接【川。 华中科技大学硕士学位论文 后波形刃铣刀与玉米铣刀均使带分屑槽的租加工铣刀，但两者也有较大的差别 3 5 1 ： 1 玉米铣刀的分屑槽与主刀刃相交处形成尖点，故该处磨损较快；而后波形刃 的分屑槽处刀刃是圆弧过渡的，因而不会出现局部首先磨损的现象。 2 玉米铣刀的刃倾角( 即螺旋角) 不变，特别是分屑槽侧刃上的各点在切入工 件时，几乎是同时参加工作；而波形刃铣刀的刀刃上各点的刃倾角随着波形 而发生有规律的变化，工作时刀刃上的各点逐点切入工件，这样可以大大减 轻铣削力变化的周期性，使铣削过程比较平稳，振动小。 3 后波形铣刀的前角较大，切削轻快，而刀齿强度并不会减弱。 ， 所以，这种铣刀在大进给粗加工时，更能充分体现出它的优越性。开发整体硬 质合金后波刃铣刀具有重要的意义。 2 3 本章小结 本章分析了铣削加工的特点、三种整体硬质合金立铣刀的切削特性，对比分析 了普通立铣刀、玉米铣刀与后波形刃的不同的切削特性和加工范围，从原理上说明 了后波刃铣刀的两大特点： 1 、切削轻快，振动小，排屑流畅。 2 、金属去除率高。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 研究方案 3 1 1 研究思路 3 整体硬质合金后波刃铣刀的设计 根据国外硬质合金后波形刃铣刀产品的研究成果，结合本公司现有的产品技术 确定本公司整体硬质合金后波形刃铣刀研究思路( 如图3 1 ) ： 第一步，刀具几何形状的确定；第二步，刀具切削性能的对比切削实验；第三 步，对制造工艺进行研究；最后，在上述研究的基础上开发新的整体硬质合金后波 形刃粗加工铣刀。 图3 - 1 整体硬质合金后波刃铣刀的研究思路 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 技术路线 图3 - 2 整体硬质合金后波刃铣刀开发技术路线 3 1 3 基体材质与表面涂层的选择 刀具在工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削时产生的金属塑性变形以 及在刀具、切屑、工件相互结束表面间产生的强烈摩擦，使刀具切削刃上产生很高 的温度和受到很大的应力。因此，刀具材料应有高的硬度( 硬度必须是工件硬度的 2 4 倍) 和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性、良好的热物理性能和耐热冲击 性能、良好的工艺性能等【鲫。 为了达到以上要求，我公司整体硬质合金后波形刃粗加工铣刀材料选用y k 3 0 f 。 华中科技大学硕士学位论文 y k 3 0 f 从德国g u h r i n g 公司进口，是强度、韧性和耐磨性都很好的超细硬质合金 ( 图3 3 ) ，也是我公司制造铣刀的通用牌号。 为确保刀具具有极高的韧性和硬度，