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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高速面铣刀设计及其系统的开发 摘要 高速切削技术具有高速、高效、高精度的优点，广泛应用于航空、航 天、汽车、模具等机械制造领域。高速切削刀具是高速切削技术的重要基础 之一。高速切削技术的发展与应用对高速刀具提出了不同于传统刀具的特殊 要求。目前，国内高速刀具市场的份额主要由国外著名刀具厂商占据，制约 了我国高速切削加工技术的发展。因此，有必要在吸取国外先进技术经验的 基础上，采用先进的刀具开发手段，提高高速刀具产品的设计、制造效率与 质量，研制开发具有自主知识产权的高速刀具产品，满足市场的需求。 本文以已有的高速铣削机理及高速刀具技术研究成果为基础，进行高速 面铣刀及其系统的研究，主要研究内容为： 通过高速面铣刀结构的研究，提出了高速面铣刀产品开发设计的基本原 则及实施解决方案：根据动平衡原理，建立了高速面铣刀不平衡模型。提出 了基于动平衡的高速面铣刀误差与设计转速的计算方法。 采用p r o e 行为建模技术，进行了高速面铣刀不平衡量的调整策略的研 究与刀具动平衡等级的评价，为刀具动平衡调整结构的设计提供了依据。根 据高速面铣刀残留不平衡量的预报，提出了刀具设计、制造、测试过程中刀 具不平衡量的控制方法与提高刀具动平衡精度等级的措施。 开发设计了组合式、整体式两类高速可转位面铣刀产品。针对高速面铣 刀的切削特点及加工需求，建立了高速可转位面铣刀有限元模型。采用 a n s y s 进行了不同转速下高速面铣刀刀体、刀片、刀具附件等刀具构件、装 配的应力、应变、位移有限元分析。实现了刀具产品的安全性的定量评价， 保证了高速刀具的安全性的特殊要求。 最后，采用p r o t o o l k i t ，在v c 环境下研制了高速面铣刀参数化设 计系统。方便、快捷地完成了高速面铣刀产品的参数化设计，缩短了刀具开 发周期：采用该系统开发出两类、十余个规格的数控高速面铣刀产品。 高速面铣刀及其参数化设计系统的研制，为进一步开展高速刀具产品化 的研究奠定了坚实的基础。 关键词高速铣削；面铣刀；刀具设计；安全性 堕查鎏塞三查兰三兰堡圭兰堡墼兰 。，。 d e s i g n o fh i g hs p e e de n dm i l l i n gc u t t e ra n dt h e s y s t e md e v e l o p m e n t a b s t r a c t h i g hs p e e dc u r i n gh a sa d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，h i 曲e f f i c i e n c ya n dh i g h p r e c i s i o n ，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n ym e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g ，s u c ha s a v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，a u t o m o b i l ea n dd i e t h ep o p u l a r i z a t i o no fh i g hs p e e d c u r i n gm u s tb eb a s e do l lh i g hs p e e dc u t t i n gc u t t e r s p e c i a lp e r f o r m a n c ei s r e q u i r e df o rh i g hs p e e dc u r i n gc u t t e r ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mg e n e r a ls p e e d c u t t i n g t o d a y , t h e c u t t e rm a r k e ti sm o n o p o l i z e db yf o r e i g nf a m o u sc u t t e r m a n u f a c t u r e r s ，w h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fh s mo fu s w es h o u l di m b i b e t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yf r o mf o r e i g nm a n u f a c t u r e r , a n dd e s i g no u ro w nc u t t e r p r o d u c tt om e e tt h em a r k e tn e e d i no r d e rt oe n h a n c et h ee f e c i e n c ya n dq u a l i t yo f c u t t e r s ，r e d u c et h ec o s t ，s h o r t e nt h ep e r i o d s ，w em u s ta d o p ta d v a n c e de f f i c i e n t m e a n s t h et h e s i sd o e sar e s e a r c ho nt h eh i g h s p e e de n dm i l l i n gc u t t e ra n d p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m , w h i c hb a s e do nt h em e c h a n i s mo fh i g hs p e e dc u t t i n g ， h i g hs p e e dc u t t e rt e c h n o l o g y t h em a i ns t u d i e si n c l u d e ： w i t ht h es t u d yo fs t r u c t u r eo fh i g hs p e e dm i l l i n gc u r e r ，t h eg e n e r a ld e s i g n p r i n c i p i aa n ds o l u t i o nf o rh i g hs p e e dc u r e rh a sb e e np u tf o r w a r d b a s e do nt h e d y n a m i cb a l a n c i n gt h e o r y , t h em o d e lo fi m b a l a n c ef o rh i g h s p e e dc u r e rh a sb e e n f o u n d e d t h ec a l c u l a t em e t h o do ft o l e r a n c ea n dd e s i g nr e vh a sb e e np u tf o r w a r d w i t lt h eu s eo fb e h a v i o r a lm o d e l e ro fp m b t h ea d j u s t m e n ts t r a t e g yo f i m b a l a n c ef o rh i g hs p e e de n dm i l l i n gc u t t e rh a sb e e na c c o m p l i s h e d ，a n dt h e g r a d eo fb a l a n c i n gh a sb e e ne s t i m a t e d ，w h i c hp r o v i d et h e o r yf o rt h ed e s i g no f b a l a n c i n ga d j u s t m e n tm e c h a n i s m a c c o r d i n g t ot h ef o r e c a s to fr e m n a n t i m b a l a n c eo fh i g hs p e e de n dm i l l i n gc u t t e r , t h em e t h o df o rt h ec o n t r o lo f i m b a l a n t ea n ds o l u t i o nf o re n h a n c eo fi m b a l a n c eg r a d eh a v eb e e np u tf o r w a r d ， d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，a n dt e s to fc u r e r t w ot y p e so fi n d e x i n gm i l l i n gc u r e rh a s b e e nd e s i g n e db yt h ea u t h o r 堕查堡塞三查兰三兰堡圭兰堡堡圣 a i m i n g a tt h et r a i to ft h ed i f f e r e n tm a c h i n i n gc o n d i t i o nf o r t h eh i g hs p e e d i n d e x i n gm i l l i n gc u t t e rd e s i g n e d ，t h ea u t h o rc a r r i e do u tap r o j e c to ff e m t h e s t r e s s ，s t r a i n ，a n dd i s p l a c e m e n to fc o m p o n e n to ft h ec u t t e r sh a v eb e e ns i m u l a t e d u n d e rd i f f e r e n tr o t a t es p e e d si na n s y s t h es a f e t yo ft h ed e s i g n e dh i g hs p e e d c u t t i n gc u t t e rh a sb e e ne s t i m a t e d ，w h i c ha s s u r e st h es p e c i a ls a f e t yr e q u i r e m e n t f o rt h eh i g h s p e e dc 似e l l a s t 弘ap a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mf o rh i g hs p e e de n dm i l l i n gt o o l sh a sb e e n d e v e l o p e dw i t ht h eu s eo fp r o t o o l k i t t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e so fw e l l m a n i p u l a t e d ，q u i c k l yc a p a b i l i t yo f p a r a m e t r i cd e s i g no f h i g hs p e e dm i l l i n gc u r e r ， s h o r t e n st h ep e r i o do fd e v e l o p m e n t w i t ht h eu s eo ft h ep a r a m e t r i cs y s t e m ， s e v e r a lt y p e so fh i g hs p e e de n dm i l l i n gc u t t e rh a v eb e e nd e s i g n e d t h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e ra n dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m p r o v i d ef i r mb a s ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fh i g hs p e e dc u t t e rp r o d u c t k e y w o r d s h i g hs p e e dm i l l i n g ；m i l l i n gc u t t e r ；c u t t e rd e s i g n ；s a f e t y - m - 篁查堡塞三奎兰三耋塑圭兰堡兰三 。 第1 章绪论 1 1 本论文选题的目的和意义 高速切削技术具有高效率、高精度和高表面质量等无可比拟的优越性，广 泛地应用于汽车、航空航天、模具等制造领域，取得了显著的技术经济效益 【l 】。高速切削技术是2 0 世纪机械制造领域的一场影响深远的技术革命，推动 了一系列高新技术产业的发展，成为当代先进制造技术的重要组成部分。 高速切削刀具及其相关技术直接决定了高速切削的效益、质量和安全，是 推广和应用高速切削技术的基础。因此，有必要提高刀具的综合性能，进一步 促进高速切削技术的应用与发展。高速切削速度大幅度地提高，对刀具的材 料、刀具几何参数、刀体结构以及切削加工工艺都提出了不同于传统速度切削 时的要求【2 j 。应重视和加强与高速切削相适应的动平衡、安全性等刀具技术的 研究和开发，建立高速切削刀具安全技术标准。 据统计，国内近几年进口的高速机床的价值高达数亿美元。刀具市场较大 份额由国外著名刀具厂商占据，如瑞典的山德维克( s a n d v i k ) 、美国的肯纳 o ( e n n a n m e n t a l ) 和德国的瓦尔特( w a l t e r ) 。因此，有必要在吸取国外先进技术经 验的基础上，采用先进的刀具开发手段，提高刀具产品设计、制造效率与质 量，自主研发刀具产品，满足市场的需求。 铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括 面铣刀、立铣刀和模具铣刀。目前，国内在高速刀具产品的研究上取得了一定 的成果。但是，由于缺少高速切削机理等基础理论的研究，与国外工业发达国 家相比，仍存在着较大的差距【l 】。本文在已有的高速切削技术及刀具技术研究 成果的基础上，通过对高速面铣刀及其参数化设计系统的研究，为进一步开展 商速刀具产品化的研究奠定了坚实的基础，因此具有重要的现实意义。 1 2 高速切削技术的研究 1 2 1 国外高速切削技术的研究 高速切削加工概念提出以来，经过了长达半个多世纪的探索、研究与发 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 展、应用。其主要内容集中在高速切削加工可行性理论探索和切削机理的研 究、高速切削机床、刀具的研究与开发等方面。目前，高速切削加工技术处于 发展与应用阶段。一直以来，美、日、德等工业发达国家相继投入大量的人 力、物力、财力研究开发高速切削技术及相关技术，走在了世界前列l i 】。 2 0 世纪2 0 年代德国s a l o m o n 博士进行了超高速模拟切削实验，并于1 9 3 1 年4 月向德国专利局申请了高速切削理论的专利【1 7 1 。萨洛蒙提出了不可切削区 域的概念，是其在高速切削理论上的重大贡献。 由于战争等原因，一直到2 0 世纪5 0 年代后期，才有人继续萨洛蒙的研究 工作。美国的洛克希德( l o c k h e e da i r c r a f t ) 飞机公司的工程师沃汉( r o b e r t l v a u g h a n ) ，在美国空军支持的研究计划与萨洛蒙的研究成果的基础上继续进 行研究，成为高速切削理论从假设到现实的早期研究代表人物。他们的实验设 备是枪和大炮，实验方法完全不能应用于实际的工业生产。但是，他们的研究 得出了高速切削、刀具磨损、切削力等方面很多有价值的高速切削的理论成果 【2 。 1 9 7 7 年美国在一台带有高频电主轴的加工中心上进行超高速切削试验，主 轴转速在1 8 0 0 1 8 ，0 0 0 r r a i n 范围内无级变速，进给速度7 6 m r a i n ，试验结果表 明：与传统的铣削相比，其材料的去除率增加了2 3 倍，主切削力减少了 7 0 ，而切削加工的表面质量明显提高。1 9 7 9 年美国国防高科技技术研究总署 ( d a r p a ) 规划了超高速切削基础技术研究。 德国国家研究技术部高度地重视高速切削技术。1 9 8 4 年d a r m s t a d t 工业大 学的生产工程与机床研究所联合4 l 家单位得到了1 1 6 0 万马克的拨款，全面系 统研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的高速加工技术，并分别对 各种工件材料的高速切削性能进行了深入的研究和试验，从事高速铣刀安全性 技术的研究。经过近十年的工作，取得了一系列阶段性成果，推动了世界范围 内高速切削技术的发展1 7 j 。 日本于2 0 世纪6 0 年代开始了超高速切削机理的研究，吸收了各国的研究 成果并将其应用到新产品的开发上，现在已经跃居世晃领先地位。日本尖端技 术研究会把超高速切削列为五大现代制造技术之一i 2 j 。 瑞士、英国、前苏联等国家在高速切削方面也作了大量研究工作。如今， 美、德、日、法、瑞士、意大利生产的不同规格的各种商业化超高速机床已经 进入市场。同时，加快了对新一代高速加工中心、数控机床、工具系统的研究 和产业化开发进程。 随着高速切削机床广泛应用，与高速切削技术相配套的高速加工策路得到 晗尔滨理工大学工学硕士学位论文 到了足够的重视。如英国d e l c a m 公司开发的p o w e r m i l l 是一款优秀、独 立、基于知识的专业三维加工软件【4 】。其面向高速加工的特点对于高速切削加 工的应用起到了重要的促进作用。 1 2 2 国内高速切削技术的研究 1 9 9 4 年中国机床工具工业协会考察了美、日等国家的高速切削的发展和应 用情况，较系统地向国内机床界介绍了国外高速切削技术和高速机床的发展情 况。2 0 世纪9 0 年代，北京理工大学较为系统地研究了软钢、灰铸铁、高强度 装甲钢的高速铣削和淬硬钢、钨合金和硅铁的高速车削机理( 刀具磨破损及刀 具可靠性、切削力和表面粗糙度) 及刀具的安全结构问题。 2 0 世纪8 0 年代初期，山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研 究，比较系统地研究了舢2 0 3 基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀 具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，建立了有关切削力、切削 温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等【1 1 。9 0 年代后，该 单位又相继研究模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具与p c b n 刀具和陶瓷 刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速 切削数据库技术等。 清华方大高技术陶瓷有限公司开发的氮化硅基陶瓷刀具以1 , 0 2 0 r e r a i n 的 速度铣削灰铸铁，可获得4 6 5 2 r a i n 的刀具耐用度【3 1 。上海交通大学研究超高速 铣削硬铝( l y l 2 ) 时切削力和切削温度的动态规律，表明只有超过某一临界速度 ( 7 0 6 m r a i n ) ，铣削力和铣削温度才开始明显下降。南京航空航天大学一直致力 于难加工材料的切削研究，尤其是在切削加工钛合金领域取得了很多阶段性成 果。西北工业大学研究高速铣削钛合金时的刀具适配和参数优化问题。 我国在高速切削技术领域进行了一定程度的研究，但与国外相比，特别在 技术基础方面尚有很大的差距【l 】。尤其是对高速切削加工过程的机理，切削现 象与规律，各种被加工材料的高速切削加工性，以及各种高速切削工艺的参数 优化系统的研究；开发各种适合超高速加工用刀具及涂层材料，刀具材料：刀 具几何角度的优化选择；刀体安全结构、回转刀具的动平衡及其安全性技术等 方面亟需提高u j 。 1 3 高速刀具技术的研究 我国数控刀具的研制开始于上个世纪8 0 年代初。8 0 年代中期至9 0 年代末 堕尘堡曼三奎兰三耋竺圭兰堡篁三 数控刀具、工具系统和可转位合金刀片主要生产厂有成量数控刀具厂、哈尔滨 工量数控有限公司、上海机床附件一厂等。近年来工具市场呈现繁荣和扩大的 局面，但是国内市场的占有率并不高，进口产品的数量和金额增长迅猛p j 。 当前，可转位刀具得到了持续的发展，模具工业独特的特点推动了可转位 刀具结构创新。为汽车工业流水线开发的专用成套刀具，突破了死板的模式， 成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素，图1 1 a 是 w i d m 公司开发的用于曲轴加工新工艺的高速铣刀。 a ) w i d i a 公司曲轴加工高速铣刀 a ) h i g hs p e e dm i1li n gc u t t e rf o rc r a n k m a d eb yw i d i ac o r p o r a t i o n b ) s a n d v i k 公司高速面铣刀 b ) h i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e rm a d eb y s a n d v i kc o r p o r a t i o n 图1 - 1 高速铣刀 f i g 1 - lh i g hs p e e dm i l l i n gc u r e rf o rm i l l i n g 为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要，开发了结构新颖的 铝合金高速面铣刀等刀具，图1 1 b 是s a n d v i k 公司开发的高速面铣刀，最高转 速可达2 4 ，0 0 0 r m i n ，切削速度为6 ，0 0 0 r r d m i n 。与此同时，五轴联动数控工具 磨床功能的完善及应用的普及，出现了各种可转位刀片的新结构，如用于车削 的高效刮光刀片、形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的 高速铣刀刀片等等。 多年来我国国有企业科研投入少，加之基础研究和元器件水平薄弱，许多 关键零部件还依赖进口等因素的影响，使得我国在先进制造技术上与国外相比 还有很大差距。需要加大科研力度，发挥高速切削加工技术的优越性，促进我 国制造业的发展【1 。 1 3 1 高速刀具的材料的研究 高速切削时，产生的切削热对刀具的磨损比普通速度的切削时要高得多， 对刀具材料提出了一系列新的要求 1 , 1 0 , 1 8 , 1 9 , 3 3 。4 o 4 1 1 。我们所希望理想的刀具材 料应具有高硬度、高韧性。目前，高速刀具采用的材料主要有：金刚石、立方 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 氮化硼、陶瓷、涂层、t i c ( n ) 基硬质合金、超细晶粒硬质合金和粉末高速钢等 2 “。在实际中需要权衡利弊选用更合适的刀具材料，粗加工时优先考虑刀具 材料的韧性；精加工时优先考虑刀具材料的硬度。 尽管出现了不少新的刀具材料，但是理想的刀具材料很难找到。目前，采 用的是在具有较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上，加上高热硬性和耐磨性 的镀层的刀具技术。镀层技术的发展，使细颗粒硬质合金在保持其较商韧性的 同时，提高了其抗高温和抗冲击载荷的能力，为高速切削应用更经济的刀具提 供了技术保证。瓦尔特公司发明的老虎刀片t i g e r t e c 技术采用了特殊的镀层 技术。通过改善刀具前刀面表面氧化铝镀层和基础镀层之间的连接结构加强了 镀层的强度，使氧化铝膜层的厚度得到了增强，刀片的抗高温性能大大提高。 老虎刀片从主要适合加工铸铁加工，扩展为不仅适合铸铁加工，也同样适合钢 件的加工。1 9 9 9 年瓦尔特在欧洲机床展览会上推出了q u a r t e c 系列产品， w q m 3 5 为其中的一种刀片材质，该材质使用了一个具有1 0 0 层的镀层技术， 镀层总厚度约6 8 9 m ，单层厚度约为2 0 5 0 n m 。 在高速铣削下，虽然刀片镀层的数值不大，但由于要承受交变频率非常高 的切削力和切削热的冲击，极易将微小的缺口扩张形成裂纹，从而降低膜层与 膜层、膜层与基体之间的结合力。因此，在粗加工时选择带有镀层的细颗粒硬 质合金，精加工时选择金刚石或立方氮化硼。 1 3 2 高速刀具与机床接口技术的研究 刀具与主轴的连接影响着高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，它是限 制机床所能达到的切削速度的薄弱环节之一【2 】。研究和设计正确使用刀具与机 床主轴的连接装置是实现高速加工的必要条件。刀具与主轴连接中的主要问题 是连接刚度、精度、动平衡性能、结构的复杂性、互换性和制造成本等。 传统的主轴使用7 ：2 4 的锥孔刀具接口，高速运转下，由于离心力的作用 会发生膨胀，主轴的大端孔径膨胀导致刀具轴向和径向定位精度下降，影响主 轴的动平衡。美国的w s u - 1 、w s u 一2 刀柄消除了连接时连接面之间的间隙， 改善了7 ：2 4 标准连接的静态性能。日本的b i o p l u s 刀柄实现了锥一面同时接 触定位；德国的h s k 刀柄和美国的k m 刀柄改用了小锥度，并采用空心短锥 柄结构，实现了锥体和端面同时接触定位；德国的h s k - e 、h s k - f 采用了摩 擦力传递扭矩，瑞典s a n d v i k 公司的c a p t o 刀柄采用了三棱圆传递扭矩，取 消了键连接；在刀柄上安装自动平衡装置，满足了高速加工对刀具提出的在线 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 动平衡的要求：日本株式会社目研工作所的“梦幻刀柄”在刀柄上安装了减振 装置，提高了刀具的寿命3 倍以上。德国的h s k 刀柄和美国的k m 刀柄和日 本的b i g p l u s 刀柄是当前高速刀具与主轴连接的主要结构形式【2 1 。 1 3 3 高速刀具动平衡技术的研究 在高速主轴系统中，旋转体的不平衡会产生离心力，主轴系统产生一个附 加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，从而对刀具的安全性和加工质量带 来不利的影响【1 。刀具的动平衡需要考虑加工零件的质量要求，同时也要考虑 成本。 s a n d v i k 公司认为用i s 0 1 9 4 0 1 设定的g 等级标准来衡量刀具系统的平衡 是不合理的，该标准并不是为机床的刀具系统制定的，其主要应用于刚性转 子，特别是电厂的涡轮机。而铣床和加工中心的刀具系统与涡轮机的转子没有 多少共同之处，因此固定的g 等级对于刀具的平衡没有意义。为了得到满意的 平衡结果，需要反复的实验调整，直到达到满意的结果f 2 j 。 刀具系统的动平衡调整方法包括：在制造阶段对刀具和刀柄分别进行动平 衡；采用可调平衡刀柄，美国肯纳金属公司采用了这种方式；在主轴上对刀具 系统进行各种转速的平衡调整，如美国肯纳金属公司的主轴系统自动平衡刀柄 系统，是比较理想的刀具平衡方法。刀具平衡的标准目前大多采用i s 0 1 9 4 0 g 等级标准。为满足高速刀具的平衡精度等级的要求，在机夹铣刀的结构上需要 设置调节动平衡的位置，用于刀具的动平衡试验。目前，某些精加工高速铣刀 ( 或镗刀) 不平衡质量已达到g 2 5 级0 = 0 2 3 8 7 3 x 1 0 5 ”。) ，平衡性能优于 g 4 0 级，美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机可将刀具平衡到g 1 0 级。铣 刀在机床主轴上的重复安装精度将影响铣刀旋转时的不平衡量的大小。 1 3 4 高逮刀具安全性的研究 铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀在高速旋转时各部分都要承受 很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力 过大足以导致刀体破碎。这种破损一旦发生，刀体爆飞的碎块或甩出的零件会 对操作者造成重大伤害，使机床设备、加工工件严重损坏，带来很大的直接经 济损失，甚至造成停工停产，影响产品的交货，并引起刀具制造商与用户之间 的法律纠纷。因此，铣刀结构的安全性是发展高速切削所必须解决的一个技术 问题，防止这种由离心力引起的工具损坏，是进一步发展和应用高速切削的必 堕堡鎏耋三查耋三兰矍圭兰堡篁蚤 要前提，具有重要的现实意义u j 。 目前，安全性技术己被世界上著名的工具制造厂家所采用，除德国的 w a l t e r 、m a p a l 等公司推出的高速铣刀外，日本东芝t u n g a l o y 公司的d i a 9 0 0 0 加工铝合金用铣刀、住友电工公司的专用s u m i d i a 金刚石铣刀等在结构上都 作了改进，以适应高速加工的需要，其推荐的切削速度为3 ，0 0 0 5 ，0 0 0 r r d m i n 。 美国v a l e n i t e 公司推出直径3 1 2 i i l 的高速铣刀，其铝合金刀体经表面处理后硬 度达6 0 m 己c ，提高了刀体的耐磨性。 1 3 5 刀具开发技术手段 高速切削对高速刀具提出了特殊的要求，刀具的设计需要融入安全性、动 平衡等技术。当前国内刀具的开发，大多是依靠设计经验、查询设计技术手册 手工计算，使用通用工程软件a u t o c a d , p r o e n g i n e e r 、u g 等进行刀具的 结构设计p “。刀具结构设计完成后，生产出刀具样品，经过反复的试制与试 验，进行产品定型，进而形成商业产品。设计开发过程相对于早期的手工绘图 有所进步。但是，存在设计过程繁琐、效率低、成本高、质量无保障等弊端。 近几年国内些企业和院校相继开发了适应具体需要的刀具c a d 系统 3 5 , 3 8 , 1 5 ，但目前还没有适合于高速铣削的铣刀c a d 系统。本文高速面铣刀的 开发，基于高速切削机理及相关理论，利用p r o e 进行刀具的实体建模；采用 f e m 软件进行高速刀具的结构有限元分析，在设计阶段进行刀具结构强度的 评价；开发了数控高速面铣刀参数化设计系统，通过系统的应用，自动完成刀 具结构参数的计算，方便快捷地完成铣刀的实体建模、工程图输出，效率高、 成本低、质量有保障，适于系列化刀具产品开发的特殊要求。 1 4 课置的主要研究内容 本课题来源于黑龙江省重大科技攻关项目“高速铣削机理及其刀具的开发 研究”g a 0 2 a 4 0 1 3 。本文以已有的高速切削技术及高速刀具技术的研究成果为 基础，针对高速面铣刀切肖口过程的特点，进行了以下几个方面的研究： 1 以高速铣削机理与高速刀具技术为基础，通过高速刀具材料、几何参 数、刀具结构的研究，进行高速面铣刀产品的研制： 2 基于刀具安全性研究，根据动平衡原理，建立高速面铣刀不平衡模 型，并进行刀具平衡精度等级的评价； 3 采用行为建模优化技术，进行了刀具不平衡的调整策略的研究，实现 堕查鎏塞三查兰三兰堡圭兰堡丝苎 刀具动平衡的控制。 4 建立高速面铣刀产品有限元模型及其边界条件，采用高速面铣刀有限 元分析，实现高速刀具结构安全性的评价。 5 采用p r o e 的二次开发工具p r o t o o l k i t ，在v c 环境下研制高速面 铣刀参数化设计系统，并采用该系统进行数控高速可转位面铣刀产品 的开发。 堕垒鎏耋三查兰三耋至三兰堡堕圣 第2 章高速面铣刀的设计 高速铣削是高速切削加工主要的切削形式。为了满足不同的加工条件、加 工效率、加工质量的要求，需要深入地研究高速刀具的结构，设计出具有合理 几何角度、几何参数的高速刀具。本章在高速切削机理及相关理论的指导下， 进行了高速可转位面铣刀的结构设计，为高速铣削刀具产品化的研究提供了研 究对象。 2 1 高速面铣刀材料的研究 2 1 1 高速刀具的使用寿龠 高速切削刀具的损坏形式主要是磨损和破损。刀具损坏的主要原因是在切 削力、切削热作用下的磨料磨损、粘结磨损、化学磨损、脆性破损和塑性变形 等 i a 9 2 0 1 。高速切削时，刀具的主要损坏形态有后刀面磨损、前刀面月牙洼磨 损、边界磨损等磨损形态，以及微崩刃、片状剥落、碎断、塑性变形等破损形 态，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 高速切削刀具的主要损坏状态 f i 9 2 一lt h es h a t t e rs t a t eo fh i g hs p e e dc u t t i n gc u t t e r 刀具使用寿命包括磨损寿命和破损寿命。刀具磨损到一定程度就不能继续 使用，否则将降低工件的尺寸精度和加工表面质量，同时也要增加刀具的消耗 和加工成本 9 1 。泰勒公式从数学上表达了切削速度与刀具使用寿命之间的关 系。高速切削刀具的磨损寿命和普通的切削刀具的磨损寿命一样，按刀具磨损 到磨钝标准计算。 实际高速切削中，刀具磨损寿命、破损寿命是存在不同分散性的随机变 量，需要利用概率论和数理统计来研究其变化规律 i j 。刀具磨损寿命服从指数 9 一 静l铲幽菲警誉誉麟蓼峨r嘲黯攥豁 堕查鎏塞三查耋三兰窑圭耋堡丝耋。一 分布。影响高速切削刀具磨损寿命的因数较多f 8 】，工件与刀具的材料匹配是一 个重要的因素，针对不同的切削材料需要合理地选择刀具材料。在不同的切削 条件下，进行切削实验，就可以得到刀具破损与切削用量、刀具几何参数等切 削条件之间的关系。高速切削刀具损坏机理及刀具使用寿命的研究，为选择合 适的刀具材料提供了依据。 2 1 2 高速面铣刀材料的选择 高速切削对刀具材料提出了更高的要求，包括高硬度、高强度和耐磨性； 韧性高，抗冲击能力强：高的热硬性和化学稳定性；抗热冲击能力强等”。不 同刀具材料有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和切削速度范围a 每种刀具材料都具有最佳加工对象，刀具材料与加工对象之间存在合理匹配问 题【l 】。 常用的高速切削刀具的材料主要有：涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立 方氮化硼、金刚石等。其中，涂层硬质合金刀具在发挥本身优势的基础上，可 以应用于高速切削、硬切削。涂层硬质合金刀具材料具有以下特点： 1 良好的通用性； 2 韧性好，抗冲击能力强： 3 高的硬度和耐热、耐磨性： 4 较高的使用寿命，良好的性能价格比 实践证明，涂层硬质合金刀片在高速切削铸铁时能获得良好的效果，比未 涂层刀片的寿命提高了好几倍，大大简化了刀具管理和降低了刀具成本，体现 了很好的性能价格比。 根据高速切削机理的研究，在高速切削中，刀具的损坏具有随机性。为保 证刀具的使用寿命，需要正确选择刀片的几何参数，如刀片厚度等。从硬质合 金刀片损坏实验数据如表2 1 所示： 表2 - 1 硬质合金刀片允许的最大进给量f p m m r t a b l e2 - 1t h em a xf e e df o rh a r da l l o yc u t t e r 、翠片厚度c 昂r l l t l 4681 0 脚、 4 1 3 2 64 26 1 4 n 71 12 23 65 1 7 1 3o 91 83 o4 2 1 3 0 2 o 81 52 53 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 根据表2 - 1 ，获得刀片强度允许的进给量试验关系： ：( 0 0 3 7 _ 5 c 百2 + 矿0 2 _ 7 5 _ c - 一0 4 ) k 芷p ( 2 1 ) 却 ( a 。o ”一o 4 ) 一”一” 式中c 刀片厚度( m m ) ； f 一切削进给量( 蛐“r ) ； k m p 工件修正系数，如切削铸铁，取1 6o k 廿主偏角修正系数： 式2 1 表明，采用涂层硬质合金刀片时，为避免刀具破损，保证高速切削 的顺利进行，应正确选择刀片的厚度。 本文所开发的高速面铣刀主要应用于铝合金、铸铁材料的高速加工。针对 两种材料切削过程的特点，从降低切削负载、提高刀具寿命、加工质量等角度 出发，高速面铣刀选用涂层硬质合金刀片。 2 2 高速面铣刀的几何角度的研究 2 2 。l 高速切削过程中的切削力 切削力是高速切削过程中重要的物理量，决定了切削过程中所消耗的功率 和加工工艺系统的稳定性。切削力还直接影响切削热的产生，是刀具磨损、破 损、刀具使用寿命的重要影响因素。深入研究切削力的变化规律，有助于正确 选用刀具材料、刀具几何参数以及有关切削要素。 高速切削力学理论分析表明，切削过程中。剪切面上发生变形所需要的力 由刀具的前刀面通过切屑传递到剪切面上，由剪切力只和切屑惯性力l 两部 分组成【8 1 。 j = s j $ u l 矿 l = 倒cc o s y 。c o s ( 妒- y 。) 式中s 。工件材料的剪切强度； 4 切削层截面积； p 工件材料的密度； ，。刀具前角； p 剪切角 高速切削时，考虑切削速度的影响，按功率平衡原理有 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 堕查堡里三查兰三兰堡圭兰堡篓兰 p ；兰一生+ _ x o ( 2 - 4 ) 42p 一。+ 了 式中口摩擦角 切削速度的提高导致了剪切角矿的增大，由式( 2 2 ) 得，剪切角妒的增大使 剪切力e 降低；而由式( 2 3 ) 知，剪切角妒的增大与切削速度复合导致会使切屑 惯性力r 增加。故切削速度提高使剪切力t 降低，而使惯性力r 增加。但 是，由于切屑的质量很小，惯性力的增加幅度比剪切力减小的幅度小得多，故 在高速切削范围内，切削速度的提高最终导致切削力的降低。 由式( 2 4 ) ，提高刀具的前角将导致剪切角的增大，降低切削力。因此，高 速切削刀具需要选择合适的刀具几何角度，减小切削过程中的切削力，从而减 少切削热的产生，降低刀具磨损的程度。 2 2 2 高速面铣刀的几何角度的选择 可转位面铣刀主要的几何角度有前角y o 、后角、主偏角o 、刃倾角t 等，如图2 - 2 所示。应该根据不同的工件材料、切削条件、切削负载、机床性 能、刀片参数、n - r 质量以及对断屑、排屑的要求等因素合理的选择刀具的几 何角度。 圈2 - 2 可转位铣刀几何角度示意图 f i g 2 - 2t h ea n g l eo f i n d e x i n gm i l l i n gc t r n e r 高速切削时进给速度很高，后刀面和已加工工件表面之间的第3 变形区就 成为不可忽视的一个发热源。为了减少刀具与工件之间的摩擦，增大后角有利 于提高刀具的使用寿命，但会降低刀刃刚度。由于前角对切削过程的影响更 大，般需要选取较大的托，故可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证刀 刃刚度。 主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。主偏角越小，其径向切削力越 小，抗振性能也越好，但切削深度也随之减小；副偏角可以减小副切削刃、副 后面与工件已加工表面的摩擦，影响工件的表面粗糙度。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 刃倾角影响切屑流出的方向和各切削分力的大小。如高速铣削塑性材料铝 合金时，切屑形态为带状切屑，为了改善排屑条件，一般希望选用大的刃倾 角，z ，较小时会增大切屑的附加变形，影响加工表面质量。 高速切削时，刀具的合理几何角度依据加工材料的不同而不同，各刀具的 几何角度的重要程度也有所差异。在加工铝合金时，起重要作用的是前角y 0 ： 在加工工具钢、铸铁时，起重要作用的是后角a 。 通过使用不同的刀具前角0 。、8 。、1 8 。，进行4 5 钢材料的切削试验，切削 试验结果如图2 3 所示： a ) 径向铣削力 a ) m i l l i n gf o r c eo f r a d i a ld i r e c t i o n b ) 切向铣削力 b ) m i l l i n gf o r c eo f t a n g e n c yd i r e c t i o n c ) 轴向铣削力 c ) m i l l i n gf o r c eo f a x i a ld i r e c t i o n 图2 - 3 不同前角刀片三向力图 f i g 2 - 3t h em i l l i n gf o r c eo f t h r e ed i r e c t i o no f d i f f e r e mf r o n ta n g l e 可以看出：当刀具的前角比较大时，三向铣削力很小。因此，增大刀具的 前角有利于降低切削力。但是，当刀片的前角较大时，刀片的强度较低，容易 出现微小的崩刃现象。 zrl日 t皋”譬舟-霉毽犁 堕查堡矍三奎兰三兰竺圭兰堡兰圣 高速切削尤其是断续切削强度、硬度高的材料时，切削刃的法向前角尽量 取小或取负值；法向后角可相应增大一些。因此，要根据不同的切削条件、正 确选择的刀具前角。结合工件材料、切削条件，高速切削时采用的刀具前角后 角分别为：切削铝合金材料时，前角1 2 。1 5 。，后角1 3 。；切削铸铁材料时，前角 0 。，后角1 2 。选择合理的刀具几何角度，为高速面铣刀参数化设计系统的研 制提供了参考。 2 3 高速面铣刀结构的研究 2 3 1 高速可转位面铣刀的结构形式 各行业的高效、高精度铣削加工中，可转位铣刀结构形式分类多种多样， 其种类己基本覆盖了现有的全部铣刀类型，如可转位面铣刀、可转位立铣刀、 可转位三面刃铣刀以及专用可转位铣刀等。 可转位面铣刀主要用于铣削平面和肩台。根据面铣刀的主偏角分类，可以 分为4 5 6 、6 0 6 、7 5 。、9 0 。等；根据安装方式分类，可以分为锥柄可转位面铣刀 和套式可转位面铣刀；根据加工性质分类，可以分为粗加工、半精加工、精加 工用的可转位面铣刀、重型可转位面铣刀、阶梯式可转位面铣刀等等。此外， 还可以按照加工材料、刀片的性质的不同进行分类。如表2 2 所示为常用的可 转位面铣刀的分类与用途。 表2 2 可转位面铣刀的分类及用途 t a b l e 2 - 2t h ev a r i e t i e sa n du s eo f i n d e x i n ge n dm i l l i n gc u t t e r 刀具名称用途 适于铣削大的平面，用于不同深度的粗加 可 普通形式面铣刀 工、半精加工。 转 可转位精密面铣刀适用于表面质量要求高的场合用于精铣。 适于钢、铸钢、铸铁的粗加工，能承受较大 位 可转位立装面铣刀 的切削力，适于重切削。 面 可转位圆刀片面铣适于加工平面或根部有圆角肩台、筋条以及 铣 刀难加工材料，小规格的还可用于加工曲面。 刀