（机械设计及理论专业论文）欧式木窗数控铣榫机设计理论.pdf

摘要 一、 f 随着木工机械行业不断发展，特别是家具和门窗加工业对其加工设备需求档 、k 次的不断提高，数控铣榫机成为当今木工机械的研究开发的热点之一，很多木工机 械厂都在生产铣榫机。本文在总结多种数控机床的控制原理和机械结构的基础上， 设计了适用于欧式木窗的多功能数控铣榫机，使普及型欧式木窗数控加工能够在相 7 对经济的数控机床上进行加工，降低了欧式木窗的成本，促进其普及夕 ， 本文分析了数控铣榫机的铣削原理，对铣榫时的力和功率做了初步计算，分析 了铣榫用的盘状多刃铣刀、三刃柄铣刀及偏心柄铣刀等刀具对其结构和性能作了 较深入的研究。完成了数控机床的机械部分的设计，尤其对其关键部分如主轴、导 轨等作了细致的分析论证。对铣削加工的榫形作了数学描述，并根据榫形的数学模 型生成铣削时的刀具轨迹。在对微机系统总线和接口技术研究的基础上，确定了接 口卡设计方案，进行了数控铣榫机接口卡设计，绘制了接口卡的原理图。在数控插 补程序中，应用了最小偏差法进行插补计算。在以上研究的基础上，对数控软件进 行了总体设计。 关键词：铣榫数学描述插补接口铣刀数控软件 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o o d w o r k i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y , e s p e c i a l l yi nt h e i n c r e a s i n gd e m a n d t ot h em a c h i n eo f p r o d u c i n gf u m i t u r e ，w i n d o w sa n dd o o lc o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l l e dm i l l - t e n o nm a c h i n eb e c o m e st h en e wf o c u so fw o o d w o r k i n g i n d u s t r y i nt h i sp a p e r , b a s e do ns u m m a r i z i n gm a n yk i n d so fn u m e r i c a lc o n t r o l l e d m a c h i n e s t h em i l l t e n o nm a c h i n ef o rt h e e u r o p e a n f a s h i o nw o o dw i n d o w sw a s d e s i g n e d ，a n dt h i s k i n do fw i n d o w sp r o d u c e db yt h el o w c o s tm a c h i n ew i l lb eu s e d w i d e l ya tt h es a m et i m e ，t h ec o s to fw o o d w i n d o w sw i l lb er e d u c e d ，s ot h ee u r o p e a n f a s h i o nw o o dw i n d o w sc o u l db ew i d e l ya c c e p t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em i l l i n gt h e o r yo ft h em i l l - t e n o nm a c h i n e ，t h ec u t t i n g f o r c ea n dp o w e rw e r ec a l c u l a t e d t h es t r u c t u r ea n d c a p a b i l i t yo fm i l l i n gt o o l s ( i n c l u d i n g m u l t i - b l a d em i l l - c u r e r , t h r e e - b l a d eh a n d l em i l l - c u r e ra n de c c e n t r i cm i l l - c u r e r ) w e r e a n a l y z e d a l s o ，t h em e c h a n i s ms y s t e mo ft h em a c h i n ew a sd e s i g n e d ，e s p e c i a l l yt h e p r i n c i p l ea x i sa n dt r a c kw e r ea n a l y z e dd e e p l ya c c o r d i n g t of o r m i n gm a t h e m a t i cm o d e l ， t h et e n o n sw e r ed e p i c t e di nm a t h e m a t i c s ，a n dt h ec u r i n gt r a c k sw e r ef o r m e d w i t ht h e r e s e a r c ho f c o m p u t e rs y s t e mb u sa n di n t e r f a c et e c h n o l o g y , t h ei n t e r f a c ec a r dp r o j e c tw a s f o r m e d ，i n t e r f a c ec a r dd e s i g n e d ，p r i n c i p l ed r a w i n g sd r a w n t h el e a s td i f f e r e n c et h e o r y w a sa p p l i e di nt h ei n t e r p o l a t i o np r o g r a m a tl a s t , t h en u m e r i c a lc o n t r o ls o f t w a r ew a s c o m p i l e dg e n e r a l l yb yu s i n g t h ea b o v er e s e a r c h i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：m i l l - t e n o n m a t h e m a t i c a ld e p i c t i n t e r p o l a t i o n i n t e r f a c e m i l l c u t t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls o f t w a r e 欧式木窗数控铣榫机设计理论 i 前言 欧式木窗是一种新型的利用集成材生产的中空式木窗，欧式普及型木窗的开发工作 是瑞典科学院的研究人员于上世纪7 0 年代开始的，先后在澳大利亚、美国、英国、北欧、 德国、加拿大等国推广。现在，这种设备的数控生产线在德国和意大利已经成为定型产 品。欧式普及型木窗由于它的先进性，在北欧、德国、美国和加拿大已经普及，并开始 在我国的高级宾馆使用，将可能迅速推向中国市场。 i 1欧式普及型木窗的实用性和可行性 利用数控设备可以加工出适应普通消费者使用的年产1 5 0 0 0 m 2 普及型欧式木窗生产 线，只要我们研制出欧式普及型木窗加工的成套设备并实现工业化生产的工艺方法，就 可以提高东北地区工薪阶层的生活质量，彻底解决铝合金散热比木材高2 0 0 0 倍和塑钢窗 散热量比木材高3 0 倍的问题。使我国东北地区可以在短期内普及欧式单层木窗的问题， 改变塑钢和铝合金门窗散热快、变形大及易损坏的现状。依靠数控技术和普及型产品形 式解决东北地区欧式木窗生产的关键问题。 欧式木窗开榫机既可以作为单机使用开多种榫，也可以作为欧式木窗生产线的一部 分，对于生产线总投资9 0 万元，其中设备投资6 0 万元，年产值可以达到4 5 0 万元，年 利润超过9 0 万元。工厂员工少于3 0 人，人均可创产值1 5 万元和纯利润3 万元，当年就 可以收回投资。产品的利润率超过5 0 ，t 业化生产成品率高于9 5 ，丁：业化生产精度 可以达到：o 2 0 m m ，整线功率小于5 2k w 。消耗原料3 0 0m 3 年。木窗市场销售价 可以达到5 0 0 元，m 2 以上，一年的效益可以达到1 1 2 万元。类似塑钢窗的单层欧式普及 型木窗是东北地区工薪阶层生活水平提高的迫切要求，随着生活水平的提高，人们对绿 色消费和古朴典雅的生活空间的需求越来越高，普及型实木窗是东北地区工薪阶层最好 的高消费产品。在东北高寒地区普及欧式普及型木窗有着巨大的社会和经济效益。 欧式普及型木窗的主要用途是在新型经济适用型居民住宅、各家各户旧窗改造和旧 房翻新改造上，后两种约占现阶段产品总量的8 0 9 0 ，其次是房地产开发大量地使 用。欧式普及型木窗作为高档实木欧式木窗和塑钢窗的替代品，以生产各家各户旧窗改 造为产品定向的目标来减少资金周转时间、用普通集成材作为欧式普及型木窗材料降低 原料成本、用国产普通五金件代替进1 2 1 件减少辅助原料费用、用国产普及型欧式木窗生 产线降低设备投资。由于欧式普及型木窗使用较好的材料，而且价格低，市场需求鼙会 相当大，因此，欧式普及型木窗有较好的投资前景。 欧式本窗是一种新型的利用集成材生产的欧式木窗，它是利用塑钢窗的形式。制成 的一种接近于高档木材生产的新型集成材木窗，这种新型欧式木窗，被北欧的科学家发明 后，引起了世界高寒地区各国的重视。经过了几十年的研究，新兴的集成材欧式小窗其 2东北林业大学硕士学位论文 利用价值和商业价值得到国际社会普遍公认。我们将利用数控加工设备，加工出适应普通 消费者使用的普及型欧式木窗，年产达到1 5 0 0 0 m 2 ；并提供欧式普及型木窗加工的成套 设备及工业化生产的工艺方法。依靠全套国产数控自动化生产设备，替代现在的全套进 口设备。提高东北地区工薪阶层的生活质量，解决铝合金和塑钢窗散热量大和寿命短的 问题。使我国东北地区，可以在短期内靠数控技术，解决普及型欧式术窗生产的问题。 改变塑钢和铝合金窗变形大易损坏的问题，为这类木窗争取更多的市场份额。 新型数控普及型欧式木窗加工设备，是利用普通集成材，加工成与塑钢窗毛坯形状 相似的毛坯，用数控设备加工出普及型欧式木窗。这种加工设备发展趋势是替代进口 成套设备。欧式木窗是近几年国际上出现的最新产品。由于人们生活水平的提高，回归 自然和对环境质量的要求越来越高，实木窗是符合这种要求的最好的消费产品。 欧式普及型木窗以集成材为主要加工原料，这种原料是我国未来林产品中实木原料 的替代品，欧式普及型木窗就是利用这种原料，采用新工艺制成的实用、美观和保温性 好的新式木窗。这种欧式普及型木窗其表感像天然木材一样，可以充分满足消费者的需 求，产品具有广阔的市场。 1 2 国内外欧式木窗设备的现状及技术发展趋势 1 9 9 6 年我国利用进口设备着手生产高档欧式木窗，1 9 9 7 年建成生产性试验车间。每 天生产1 2 m 3 ( 每n 1 3 集成材出5 0t o - 2 木窗) 欧式高档木窗。到1 9 9 8 年，欧式爪窗的制造 技术已具备进入大工业生产阶段，1 9 9 9 年哈尔滨亚泰实业集团公司投资1 2 0 0 万元，在 哈尔滨南部王岗建设年产2 0 0 0 m 3 的森鹰欧式木密的加工厂。由于产品适应市场的需求， 市场销路极好。投产2 年后，产值和利润成倍增长，2 0 0 1 年该公司计划购买了又一套进 口设备，进一步开发欧式高档型木窗。与此同时，在国内相继建设了几条欧式高档术窗 生产线。 这样全套引进设备，投资几千万元的木窗厂国内已有几家，而且效益相当好，但高 档木窗价格是塑钢窗的1 0 倍以上，无法普及。牡丹江木工机械股份有限公司有生产普通 木窗加工设备的经验，东北林业大学的木工机械和数控自动化工业化生产技术，可以解 决我国欧式木窗加工机械数控化、降低产品成本和投资的问题，在东北地区率先普及欧 式木窗。北欧和德国的欧式木窗工业化生产技术已经比较成熟，他们的工业化生产已经 完全自动化和数控化。他们的经验我们可以借鉴。我国集成材生产和木窗生产r 厂的数 量名列世界前矛，但规模较小。从全国欧式普及型木窗的需求来看。市场一旦启动，就 将实现大规模产业化生产。 1 3 普及型欧式木窗产业的市场前景分析 欧式普及型木窗的应用与生产和销售有密切关系，欧式普及型木窗应用技术优劣直 接关系到该产品的效益。欧式木窗在田外早已取得了不少成就，我们研究开发新的将及 欧式木窗数控铣榫机设计理论 3 型产品应用技术是根据我国的国情特点进行的新技术开发。到目前为止，国内的欧式普 及型木窗主要用途是在新建居民住宅、各家各户旧宿的改造和旧房全楼改造上，后两种 约占现阶段产品总量的8 0 9 0 ，其次是新楼使用。 目前，欧式普及型木窗能获得较大利润的产品是生产各家各户旧窗的改造，以销定 产和按结构生产成品。欧式普及型木窗作为高档欧式木窗和塑钢窗的替代品，要求成本 低、设备适应性强、利润相对高。而用于欧式普及型木窗的原料消耗量、设备投资、资 金周转时间、流动资金投入都比较少。欧式普及型木窗产生的经济效益高，是由于这些 因素的结合产生的：以数控设备为主的生产线，适应单件小批量生产，以生产各家各户 旧窗改造为产品定向的目标，以减少资金周转时间，用普通集成材作为欧式普及型木窗 料和窗框材料降低原料成本；用国产普通五金件代替进口件，以减少辅助原料费用：用 欧式普及型木窗生产线，以降低设备投资。由于欧式普及型木窗和窗框的材料好，价格 低，在市场上有很强的竞争力。因此，投资欧式普及型木窗有很好的前景。欧式普及型 木窗可以进行大规模工业化生产，这有可能成为欧式普及型木窗工业化生产的一个主流 方向。但这只能在各家各户旧窗改造和旧房全楼改造采用欧式普及型木窗形成一定规模 以后，才可能出现这样的生产模式。另外，欧式普及型木窗是在做本来应该由木材制造， 却被塑料、金属的产品所代替，这种状态是可以改变过来的。欧式普及型木窗不同丁一 般的传统型木窗，由于它的密封性好、承重能力强、不上霜、保温性能好，优点显著。 因此，高档实木产品和低档简单的塑钢窗产品，都可以用欧式普及型木窗来代替。由此 看来，欧式普及型木窗具有广阔的推广前景。 一般民用建筑每1 0 平方米有2 平方米窗户，按此推算仅哈尔滨市就有3 0 0 万平方 米的窗户。由于高档欧式木窗的价格太高，市场根本没有开发出来。如果欧式普及型木 窗的市场销售价格是4 0 0 元，平方米，其潜在市场的销售额高达1 2 亿元，如果我们每年 开发l ，就是近1 2 0 0 万元的潜在市场。仅哈尔滨市需要这样规模的r 厂2 6 6 家。如果 开发工作顺利，形成批量生产规模的工厂以后，市场开发率达到1 0 以后，仅哈尔滨市 这样生产规模的生产厂家可以达到2 5 0 0 家。当然，当市场开发达到1 0 以后，可以产 生几家类似大连实德生产塑钢窗这样规模的木窗生产企业。使用国产数控普及型欧式木 窗加工成套设备，投资回报率比进口设备提高8 0 ，当年均可以收回投资。对年产2 0 万平方米以上的企业来讲，其效益可以超过1 0 0 0 万元以上。如果现在上马国产数控普及 型欧式木窗成套设备生产线，市场销售价可以达到5 0 0 元平方米以上，一年的效益就是 1 1 2 万元。如果投资中型的国产数控普及型欧式木窗加t 成套设备厂，在售价是4 0 0 元 平方米时的利润就可以达到5 6 0 万元。 随着人们生活水平的提高，绿色消费和古朴典雅的需求越来越高，普及型实术窗是 东北地区广大工薪阶层，能够接受的超值的高档产品。所以说，在东北高寒地区普及欧 式普及型木窗有巨大的经济效益和社会效益。 东北林业大学硕士学位论文 1 4 国内数控技术发展过程、现状及发展趋势 我国从1 9 5 8 年由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成 功第一台电子管数控机床。1 9 6 5 年，北京第机床厂开始生产三坐标数控铣床。在6 0 年代末和7 0 年代初期，针对非圆齿轮特殊零件研制的晶体管数控铣床取得一定的成果。 1 9 7 2 年，清华大学研制成功集成电路数控系统，1 9 7 3 1 9 7 9 年，全国生产数控机床约4 1 0 0 多台。2 0 多年来，我国的数控机床在研制和推广方面取得了一定成绩，但数控机床产量 仍然很低，其功能和可靠性与先进国家相比差照也较大n “。 从8 0 年代初开始，随着我国改革开放政策的实施，先后从日本、美国、德国( 前德 国) 等国家引进先进的数控技术的基础上，北京机床研究所从日本f a n u c 公司引进 f a n u c 5 、7 、3 、6 数控系统，上海机床研究所引进美国g e 公司的m t c 1 数控系统等。 在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出b s 0 3 经济型数 控系统和b s 0 4 全功能数控系统，航空航天部7 0 6 所研制出m n c 8 6 4 数控系统等，进而 推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有新的飞 跃。仅1 9 8 5 年的统计资料表明，我国数控机床的品种已达8 0 多种，生产数控机床约有 2 0 0 0 多台，已投入使用的数控机床有：数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗铣床、 立式和卧式加工中心等，已使我国数控机床生产开始跨入一个新的发展阶段口】。 近l o 年来是我国数控机床大发展的时期，在这期间，国家安排了“数控机床引进 技术消化吸收( 数控机床一条龙) ”、“柔性制造系统技术设备开发研究”、“计算机集成制 造系统( c i m s 工程) 的研究”等重点科技攻关项目，并取得了重大进展。目前我国已有几 十个厂家在从事不同层次的数控机床的生产与开发，形成了具有小批量生产基地。数控 机床的品种已超过5 0 0 种。 其中金属切削机床品种的数控化率达2 0 。在数控机床全面发展的同时，数控技术 在其它机械行业中得以迅速发展，数控绘图机、数控坐标测量机、数控激光与火焰切割 机等数控设备得到广泛的应用。 我国是一个机床大国，目前机械加工设备的拥有量居世界前列单漫备技术含昔却 相当低。如何将现有机械加工设备( 木工设备) 在投资少的情况下，改造成具有较高的 性能价格比的数控机床，目前在我国有着广泛的应用前景。在我国数控机床也日益向着 高速度、高性能、高精度方向发展，传统的设计方法已无法满足数控机床发展的要求， 从我国目前经济发展状况来看，从数控系统的发展来看，它主要向着增强功能、方便使 用、提高可靠性和性能价格比较高的经济型数控机床方向发展。 简易型数控机床又称为经济型数控机床，这种机床的特点是简单、实用、价廉、可 靠、操作维修方便。简易型数控机床的设计思想是面向生产第一线的操作工人，使操作 适合操作工人的特点，经过短期培训就能迅速地掌握，并让工人在加工中发挥他们原有 的操作经验。 简易型数控机床，其零件程序一般不使用纸带输入，而用键盘或磁带输入，它去掉 了一些传统的、复杂的自动功能，而保留了自动加工的基本功能。这种装置由丁：体积小。 欧式本窗数控铣样机设计理论5 往往与机床构成一体，所以具有价廉、可靠等优点，且在技术上具有一定的先进性，为 我国现有旧机床的改造提供了有利条件，适应目前技术革新与技术改造中量火面r “的需 要。目前国内发展了许多品种的简易型数控机床，其中简易数控车床、铣床为最多，与 过去的数控机床相比，其特点是售价极低。这一方面应归功于计算机技术的高速进步， 数控系统广泛采用个人计算机( p c ) ，更具开发能力，更能实现高精度加工，提高分辨率， 改善伺服跟踪系统，控制功能更可靠，而价格随p c 机的下降而大幅度下降。另一方面， 追求数控机床“全功能”的心态被实际生产需要所替代，数控机床只保留实用的功能， 删除多余功能，从机构上大幅度减少零件数量。廉价数控机床的设计要点是紧密结合工 艺，从生产实际需要出发，提高质量，降低成本。廉价数控机床的出现和发展，展示了 机床发展的基本趋势。 数控机床维修业中的机床翻新公司的出现，对于机电一体化的数控机床，传统的维 修机制已经无法适应：加上现代科学使数控系统不断进步和极快的更新换代，给旧机床 的维修和配件更换带来了太多的困难。为适应这种变化，我们的一批科研单位及厂家不 仅要进行旧机床的维修，还要能根据用户要求对旧机床进行改造，赋予旧机床“二次生 命”。 1 5 国内木工机械行业数控技术应用现状及存在问题 6 0 年代末期，日本、德国、意大利等国家的一些木工机械制造厂家，应用机电一体 化技术，相继推出了种类繁多、技术先进的数控木工机床，由于这些产品集自动控制、 计算机技术、精密测量及机床制造等技术于一体，使其具有适应多品种、小批量、高效 率，产品更新换代周期短，劳动生产率高，产品质量高且稳定等许多优点。特别是生产 加工批量小、形状复杂的木制品工件时，数控镂铣机的优点更为明显。因而，它的出现 迅速地推动了木材加工的现代化，使得国际上木材加工机械的发展同步r 机械行业。进 入8 0 年代，数控技术在木材加工机械上的应用更为普及，为木材工业提供了新的加r 手段，有效地带动了家具、建材、室内装饰等领域的快速发展。而数控镂铣机是术1 机 械中最复杂、科技含量最高的数控木工机床，它已成为衡量一个国家木工机械设备发展 水平的标准。我国目前在木工机械中应用数控技术的研究及制造上与先进国家差距较 大，高科技含量、高附加值的产品较少。国内的木丁企业，家具制造业及驻华的外国食 业都是应用国外昂贵的数控设备。在技术改造上，现在许多企业一改以往传统的强调在 原来机床上进行改造的做法，而是购置大量新的各类数控设备，选择功能更全、精度更 高，甚至还考虑日后能加工更为复杂的加工对象的设备。这种超前的做法，其结果不仅 加大了投资额，而且还导致许多功能长期闲置的浪费。据国外的统计资料表明，普通机 床的最高开动率不超过1 5 ，而数控机床的开动率却可高达8 5 。而从调查我国引进的 数控机床的使用情况来看，开动率一般不超过5 0 ，且也有开动率在3 0 以下的，可见 在数控机床的管理和使用方面还存在许多问题。由于我国林区、城填的中小型企业及私 人企业较多，受加工环境及经济条件的制约，仅有很少的企业能支付得起昂贵的进口数 6 东北林业大学硕士学位论文 控镂铣机费用。而随着木材工业的发展，木材加t 利用越来越趋向于高效益和高产值方 面，许多高档的家具都需要进行木材的雕刻及木材的曲线裁板等加工。在这些加工中， 经济型数控镂铣机是必不可少且最适合其性能特点的设备。因此，我们应该加快对适合 我国国情的经济型数控镂铣机的研制和开发。 欧式术茴数控铣榫机没计理论 7 2 铣榫原理与铣刀 利用刀具，按预定的程序，切开工件上木材之间的联系，从而获得要求的尺寸、形 状和粗糙度的制品，这种工艺过程，称为木材切削。在实际生产中，尽管各种木材的切 削方式不同，但从切削运动和刀具几何形状的基本组成来看，却有着相同之处，都可以 看作是一把楔形切刀和一个直线运动所构成的直角自由切削的切削过程。这个最简单的、 最基本的切削方式，在一定程度上，可以反映各种复杂切削方式、切削机理的共同规律。 木材切削的过程，实质上是木材在刀具的作用下切削区发生变形的过程。因此，对 于切削区木材变形的研究，是木材切削研究的基本问题。 2 1 铣削 铣削在木材加工中是一种应用比较很广的一种木材切削方法。但是它的切削厚度在 切削过程中随刀齿切入工件的位置不同而不断变化，致使切削力也是不断变化的，所以 切削机床在设计时要充分考虑振动的影响。在木材加工中，铣削用在各种以铣削方式工 作的单机、组合机床或生产线上，我们应用于铣榫的方式一般为直齿圆柱铣削和斜齿圆 柱铣削，直齿圆柱铣削是最基本、最简单，也是应用最广的一类铣削类型。铣削可以用 于加工平面、成形表面、榫、某些榫眼及仿形雕刻等。铣削在人造板及制浆造纸工业中 还用来削制各种工艺木片。欧式木窗的结构特点决定其应用铣削的加工方法，在各种铣 削类型中，我们将以这种直齿圆柱铣削类型为主，分析铣削时的运动学，铣削力和功率 以及影响铣削质量的主要因素。其它各类铣削将在直齿圆柱铣削的基础上进行分析。 2 i i 铣削的分类” 铣削一般分为三种基本类型，划分的依据是刀刃相对铣刀旋转轴线的位置以及刀刃 1 ：作时所形成的表面，。 1 圆柱铣削刀刃平行于铣刀旋转轴线或与其成一定角度，刀刃在工作时形成圆柱 表面，我们主要用它铣直榫。 2 锥形( 角度) 铣削刀刃与铣刀旋转轴线成一定角度，刀刃工作时形成锥形表面， 可用于铣燕尾榫。 3 端面铣削刀刃与铣刀旋转轴线垂直，刀刃工作时形成平面，利用多个面的组合 形成多面刃铣刀，可用于定尺寸刀具的成型铣削。 在铣削榫眼时，铣削接触角等于1 8 0 4 ，种铣削类型属于完全铣削：而在铣削直榫 时，刀具与被加工工件的接触角小于1 8 0 。，种铣削类型属于不完全铣削，以上二种基 本铣削类型是根据接触角的不同而进行的分类。 根据进给运动相对主运动的方向还可以把铣削分为顺铣和逆铣两类。 。了5 r 1 函蚕酝丽爵磊了五j 再石i 万芴i 丽再i 酉i _ 面西把铣削分为开式铣削( - - i i i p 3另外，根据铣削时铣刀上有几面刀刃参加切削，司以把铣月u 分为升瓦饥刖。 刃参加铣削) 、半开式铣削( 两面刀刃参加切削) 和闭式铣削( 三面刀刃参加切削) 。 2 i 2 运动学原理 一、直齿圆柱铣削 ( 一) 运动轨迹 在铣榫的过程中，刀具绕主轴0 ，以等速作回转运动，称为主运动，速度以v ( m s ) 袭示：工件相对铣刀的运动称为进给运动，速度以u 表示( m m i n ) 。而整个切削运动可 以看作主运动与进给运动的合成运动，其速度为上述两个速度的矢量和，即：v 7 2 v + u ( m s ) 。如果我们假定进给运动为等速直线运动时，切削运动的轨迹从理论上我们认为 为摆线。铣榫时多为逆铣，所以我们分析逆铣时的运动轨迹。图2 一l 为逆铣时切削轨迹 的简图1 。 2 i 卜 ( 、，一 图2 1 逆铣时切削轨迹的简图 圈2 一l 所示的直角坐标系中，切削轨迹任意点的方程为： y ：一ds i n 口+ 生 ( 2 一1 ) 2 占。 z ：罢( 1 - - c o s 9 ) ( 2 2 ) z 式中：d 铣刀直径( m m ) 留铣刀齿的转角( 度) u ；每齿进给量( m m ) e 相邻两个刀齿所夹的中心角( 度) 。 顺铣时，关于y 的方程式为“一”，计算时可以用主运动速度了来代替切削运动速度， 因为v 较u 大得多( 通常v u 约为4 0 ) 。为简化起见，以圆弧来代替摆线作为切削运动的 轨迹。 ( 二) 铣榫要素 欧式木窗数控铣榫机设汁删论 9 1 铣榫的主切削速度v ( m s ) 我们在铣榫时，铣刀转述为n = 9 0 0 01 m i n ，优 刀崮径d = l o m m ， y = 坐6 x 1 0 4 = 坐6 等x 辈“7 1 ( 眺)1 0 4 7 2 铣榫时的进给速度u ( m m i n )铣削时是由丝杠带动的2 1 作台的进给速度u 是 指每分钟的进给量，平均速度为o 1 m s ，我们用三个齿的榫眼铣刀，即n = 3 时： 每转送绘量 = 了1 0 0 0 u = 翌掣= 0 1 1 ( 训 每齿进给量= 西1 0 0 0 u = 器等_ 0 0 3 7 ( 删 3 铣榫深度h ( 1 1 1 1 ) 己加工表面和待加工表面的乖直距离称为铣削深度铣削多 排榫眼时为多次进刀( 进刀x 次) ，当榫总深度为i 时，每次平均铣榫深度h = 1 x ，合理 确定铣榫深度有利于提高加工质量。 4 铣榫宽度b ( 1 l m ) 垂直于铣榫刀前进方向度量的已加一j ：表面的尺寸在开式直 榫铣削时，铣削宽度和削片宽度相等，而这个尺寸一般由定尺寸刀具的尺寸决定。 5 铣榫接触弧长l ( m m ) 和铣榫时的接触角舻t - ( 。) 饥榫时铣刀与榫型毛坯在主截 面的接触孤称为接触弧。接触孤所对的中心角为接触角。铣赢榫时，铣刀直径d = l s o m m ， 铣削深度平均为4 0 m m 。 = 0 s ( 1 一百2 h ) = 一。s ( 1 一篙) = 6 2 。 ，：万d j 坠：3 1 4 1 5 0 旦：8 1 ( r a m ) b 饥榫时切屑厚度a ( i l m ) 逆铣时，刀齿刚接触小利时a = 0 ，而，j 齿离开小材 的瞬间，切屑厚度为a 。顺铣时情况正好相反。铣削时随着刀齿切入i 刑：的位萱不同， 切削厚度是变化的，当铣刀齿的瞬时转角为0 时，瞬时切屑厚度： a = u z s i nu ( m m )( 2 一：j ) 切屑的平均厚度为： 铲u ：s i n o = u s i n 笔- - f l = 虬j 去c 训 a ， 切屑的最大厚度为： “。虬- s i n o o2 2 虬j 去= 2 a o , ( ) ( 2 _ 5 ) 7 铣榫切屑横断面积a ( a m ：) 囚为切屑厚度是变化的，宽度为b ，所以切屑横断 面积也是变化的。 查! ! 壁些查兰堡主兰竺笙苎 4 ：口b ：u s i n o b ( m m 2 ) ( 2 6 ) 8 运动遇角0 和动力遇角1 l r 切削速度与进给速度之间的夹角( 锐角) 称为运动 遇角。切削速度与木材纤维( 指切削平面以下的纤维方向，该方向与基本切削时的纤维 方向相反) 之间的夹角称为动力遇角 二、螺旋齿圆柱铣榫分析 螺旋齿圆柱铣榫时，同时参加切削的齿数增多，切剃时更显得平稳，振动和噪音减 弱，切削质量提高。当任一切削时间内切下的切屑横断面积不变时，就达到了“均衡” 切削，这时切削最平稳，如削力的变化幅度最小。但是要想达到“均衡”切削，只有当 铣削宽等丁铣刀的轴向齿距或它的整数倍时才可以。 螺旋齿圆梓铣榫时切削横断面积如图2 - 2 ，0 t 、01 分别为刀齿切入和离开丁件时 的转角，单位度；d 为切削圆直径( m m ) ；u 是刀齿螺旋角，单位度。 j 一 图2 - 2 螺旋齿瞬柱铣棒时切削横断面积 切屑宽度b ( 一个刀齿) 为： b ：望亟二业：旦旦 ( 2 7 ) 2 s i n 口o 2 s i n c o 切削宽度b 也是变化的，刀齿刚切入工件时，b 很小，以后逐渐增大，切山时b 义 逐渐减小。 切屑横断面积d a 为： 砌：旦丝s l n i d o 2 s i n 脚 一个刀齿所切下的切屑横断面积a 为： ( 2 一r ) 欧式木窗数控铣榫机设计理论 肚电r2 d s i n u 五z s i n g d g = 2 d s l n u 彩z ( c 。s q _ c o s 幺) ( 2 - 9 ) m 个刀齿切下的屑片横断面积a ，为： 由= 2 d s i n u z 革( c 。s 鼠_ c o s 0 2 ) ( 2 - 1 0 ) 2 1 3 铣榫时的力和功率 在各种榫的铣削中，用多刃铣刀铣直榫时，所需的力和功率最大，所以我们以此为 例分析其力和功率的计算，横向逆铣时，铣刀直径设为d = 1 2 0 m m ，切削角设为6 = 6 0 。， 转速n = 9 0 0 0 r m i n ；铣削深度h = 2 0 m m ，铣削宽度b = 5 0 m m ；进给速度u = 6 m m i n ；六刃铣刀 z = 6 ：螺旋角u = o 。 主切削速度： y：型：可314x120 x9000：5655(m 6 x 1 0 46 1 0 4 运动遇角设为0 ，则： s i n 口= 括= 摇- o 。 0 = a r c s i n 0 4 = 2 3 5 8 。 c o s0 = 0 9 2 每齿进给量： u一!生：o)z 1 0 0 0 u 1 1 ( m m n z9 0 0 0 x 6 切屑厚度： a = u z s i no = o 1 1 x 0 4 = 0 0 4 4 ( r a m ) 下面我们来确定计算功率时用的系数( 假设铣榫用的材料是松木) ： 松木( 横向) f ，_ o0 7 9 8 i = 0 6 9 ( n m m ) 当a 4 0u 时，加工表面会出现明显的撕裂和起毛。一般允许刃口的初始钝 半径为p 0 _ 4 5 1 1 ：最大钝半径p 。不得大于4 0 “。 2 2 铣刀 随着世界木工行业的飞速发展，新型木工材料的不断出现，木工刀具已成为木： 行 业发展的关键。超硬材料的出现与应用使木工刀具产生了一次革命。至五十年代人造单 晶金刚石立方氧化硼、七十年代人造聚晶金刚石聚晶立方氧化硼、八十年代金刚膜 立方氧化硼膜、九十年代新金刚石材料c 如的相继问世，使刀具材料具备了高硬度、 高耐磨性等特殊性能，尤其是在加工新型木工材料、增加刀具的使用寿命、提高加1 ：速 度、保证产品质量、减少废次品方面效果相当好“。 木工机械的发展趋势是高速度、高精度。高稳定性、自动化、程序化、简单化、减 少停机时间、增加工作效率、不断迎合新型加工材料。而木工刀具的好坏可以亘接左右 木工机械的发展进程。国内一些厂家，如深圳润样精密机械有限公司对超硬材料在木工 欧式术窗数控铣榫机设计理论 1 3 刀具上的研究和应用上也有了新的发展，填补了许多空白，结束了国外昂贵产品独占中 国市场的历史，促进了中国木工机械以及家具行业的发展，起到了先行者的作用。 进入w t o 后的中国所面临的一个很重要课题就是加强基础理论学习和人才培养，加 快设备更新换代及与国际惯例接轨的步伐。中国是木工刀具最大的消费市场，也将是最 大的生产基地。中国市场的前景将使超硬材料木工刀具更加蓬勃发展，逐步走向世界。 铣刀是切削效率很高的多刃刀具。它的结构是：在圆柱体、圆锥体、特形回转体或 端面上做出或装上一些刀齿，相当于一些基本切刀的组合。铣刀是木材切削加工中种类 最多、应用很广的一类刀具，它广泛用在以铣削方式工作的各类机床上，平铣或威形铣 削直线或曲线工件，铣削各种榫头、开槽、打眼、加工企口或裁口、仿形雕刻等。我们 将介绍常用铣刀的分类，重点研究用于欧式木窗及其他榫型加工的多面刃铣刀和柄铣刀。 2 2 i 铣刀的分类 根据铣刀的加工用途不同，可以把铣刀分为平面铣刀，成形铣刀，槽铣刀，开榫铣 刀等等。分别用来加工平面，成型表面，沟槽和各种榫型。 铣刀根据其结构不同，可以分为三大类：整体铣刀、装配铣刀和组合铣刀。切削部 分和刀体为整体的铣刀称为整体铣刀，刀齿部分可能焊有它种硬质材料：用机械夹固 的方法，将用的刀片或刀齿，装夹在刀体上而构成的铣刀，我们称为装配铣刀；组合铣 刀是由两个或两个以上的刀具用一定方法连接构成的复合刀具。组成组合铣刀的单个刀 具，可以是整体的，也可以是装配式的。 图2 - 3 整体铣刀与装配铣刀 铣刀一般装夹在主轴上以实现其旋转主运动，套装铁刀和柄铁刀时根据其装夹方法 不同而划分的，套装铣刀上做有套装孔，用以直接或通过一个装刀卡头套装在机床主轴 上。柄铣刀的特点是刀具的一端具有刀刃，而另一端则为尾柄。尾柄根据其在机床主轴 上的装夹方式不同可以是圆柱形的或圆锥形的，也可以是带螺纹的或其它形状的。 根据铣刀齿背型式的特点，可以将铣刀分为尖齿铣刀、非铲齿铣刀和铲齿铣刀三类。 尖齿铣刀的齿背为直线，齿背后角在工具磨床上磨出，根据不同情况刃磨后刀面或前刀 面；铲齿铣刀通常在铲齿车床上将其齿背加工成阿基米德螺旋线或圆心与铣刀中心偏移 的圆弧曲线，以获得一定的后角，刃磨前刀面；非铲齿铣刀的特点为齿背为圆弧曲线， 后角靠适当装刀而获得，刃磨前刀面，圆弧齿柄铣刀就是通过偏心装卡尔获得后角的。 在木工机床中，通常把加工平面为主的各类铣床称为刨床，它们所用的刀具称为刨 刀，实际上从工作原理来看。这类所谓刨刀也是铣刀。 东北林业大学硕士学位论义 2 2 2 开榫铣刀 一、装配式开榫铣刀 木制品中的榫头的种类很多，常见的样头形式及其加工方法详见本论文的第六部分。榫 头大致可以划分为：直角榫、燕尾榫、多排榫眼、椭圆榫和欧窗榫形。装配式开榫铣刀 一般分为以下两种： ( 一) 刀片直装的直角榫铣刀 这种铣刀的特点是刀刃平行于铣刀的旋转轴线，因此，刃口可以磨成直线。为了使 加工出来的榫肩光洁，在铣刀接触榫肩的那个端面上，装有2 或3 片沉割刀。沉割刀一 般做成四棱形，直接用螺钉夹固在铣刀端面，刃口突出主刃0 5 o8 m m ，以便先于主刃 割断木纤维。沉割刀是不重磨的，四个刃口可以转位使用。开榫刀也是不重磨的，两边 都磨有刃口，一边用钝后，调转1 8 0 。再用另一边。 ( 二) 刀片斜装的直角框榫铣刀 为了改善切削条件和提高开榫质量，这种铣刀的主刃相对铣刀旋转轴线倾斜一个 角度( 1 0 。1 5 。) 。铣刀的刀体常见的有两种：一种为圆柱形，一种为翼形。 二、柄铣刀 ( 一) 概述 在铣榫过程中，柄铣刀主要用来加工榫眼，工作过程包括铣刀的钻进和纵向进给。 因此，铣刀侧面和端面都有刀刃；而加工工件侧面或周边时，因无钻进过程，故不需端 刃。柄铣刀侧面的刀刃称为主刃或侧刃，端面的刀刃称为端刃。根据齿背型式，柄铣刀 分为铲齿的，尖齿的和非铲齿的三大类；根据切削部分的形状，柄铣刀又可分为圆柱形 的、梯形( 燕尾形) 的和成形的：按照刃口配置，柄铣刀又有直齿和螺旋齿两类。此外， 柄铣刀可以做成整体的，也可以做成装配的。和套装铣刀相比，柄铣刀商径小且加t 的 多是i l 槽类尺寸精度要求较高的表面，因此，这些特点所带来的一些问题，如：重磨后 切削直径的变化对加上精度和铣刀使用寿命的影响：运动后角对上作后角的影响；以及 刀杆的弯曲变形等。 图2 - 4 柄铣刀 当用直径o ：l o m m ，每转进给量等于3 m m 的铣刀铣削时，考虑到加工表面木材的弹性 恢复，柄铣刀的后角不应小于8 。1 0 。，如果后角超过1 0 。虽然从减小后刀面与木 材的摩擦看好象有利，但是考虑到刀杆的变形，这样对铣刀强度和刚度都不利，而且会 缩短刀具的寿命。由于槽孔都要求一定的尺寸公筹，冈此加t 这类丁件的柄铣刀直释 磨损量d 不能太大，通常ad = o 2 o 3 m m 。考虑剑刀杆变形可能使刀齿后面与榷壁的 摩擦增大，所以往往加工槽7 l 的柄铣刀后面紧靠着刀刃的部分，做成o = 8 。i o 。的窄 欧式木窗数控铣榫机设计理论1 5 棱，窄棱以外的齿背后角可加大到4 5 。，以减少齿背的摩擦面积。 柄铣刀的切削角6 一般为6 5 。7 5 。：前角y = 2 54 左右。端刃从外缘向中心内凹 1 。2 。，后角a = 2 0 。2 5 。端刃前角取决于刀齿螺旋角u 。 燕尾形柄铣刀的角度参数如下：a = i 0 。1 5 。；y = 2 0 。3 0 。 6 = 6 0 。7 0 。； 端刃内凹l 。2 。 ( 二) 齿数及刀齿的配置 i 齿数 在手工进给时，以单齿铣刀为宜；在机械进给时，为了提高加工表面的光洁度和提 高生产率，可以采用双齿或三齿铣刀。柄铣刀很少有超过三个齿的。这是因为齿数太多 容屑沟变小，对容屑和排屑不利。同时，齿数多了也会削弱刀具的强度和剐度。通常， d 1 5 m m ：三齿。在选择齿数值时要考虑的问 题主要有：进给力的大小和刀杆的变形：加工表面的运动不平度以及容屑和排屑情况等。 2 刀刃的配置 柄铣刀的主刃通常有三种配置方式：平行于铣刀轴线的直刃、螺旋刀和刃口有缺口 的直刀刃。铣刀的主刀为螺旋形配置时，相当于斜刃切削，切削力分布均匀，切削平稳， 而且端刃具有一定前角，改善了切削条件。因此，螺旋齿铣刀弯曲变形小，摩擦力小， 加工精度高。缺点是制造和刃磨都较麻烦；燕尾形柄铣刀主要用来在箱板上加工燕尾榫， 因此它没有端刃，而在端面的边缘做有锯齿形凸棱。锯齿形凸棱应磨有一定剪切角用提 高加工质量：主刃平行铣刀轴线时，因主刃和容屑沟都是直的，所以制造和刃磨都容易， 缺点是端刃前角为零，切削条件不利。主刃为直线时，刀齿上的切削力分布也不如螺旋 齿有利，因此加工孔、眼深度受到限制，一般只能在一定的范围内工作，如果铣削过深， 铣刀容易变形，排屑也困难；主刃上开有交错缺口的柄铣刀，由于具有分屑作用，所以 有利于排屑，同时对切削力分布有利，因此，可以用来加工较深的孔槽。 ( 三) 尺寸参数 1 直径 燕尾形铣刀的直径通常为1 2 1 7 m m 。在具有补偿刀具磨损的调节设备的开榫机上， 这种铣刀重磨后的直径变化不会影响工件的加工尺寸，因此，铣刀允许重磨到极限尺寸。 柄铣刀径级般为：直径1 5 m m 以下每 m m 为一径级：1 5 m m 以上每2m m 为一径级。这 种规定在实践中证明是可行的，因为超过1 5 m m 的槽，相对误差i m m 对木制零什的接合 强度影响不大。 2 长度 铣刀工作部分的长度l 主要取决于槽深和刀体的刚度，考虑到刀体刚度时取l = ( 3 8 ) d ；考虑到加工深度h 时取l = h - l - ( 1 0 1 5 ) m m 。 尾柄的长度l 取决于铣刀直径，一般：l = 4 0 5 0 m m ；刀芯厚度a = ( 0 2 5 o 4 ) d ( 四) 齿背与齿槽 单齿铣刀的齿背可以是圆心偏移的圆弧曲线，也可以是直线。双齿和二齿铣刀，为 了刃磨和制造方便，一般都做成直线的。 齿槽的形状一般都为圆弧，圆弧根据前角确定并保持足够的刀芯直径。为了保证铣 1 6 东北林业大学硕士学位论文 刀的强度和刚性，使齿槽深度向尾部逐渐减小，而刀芯厚度向尾部逐渐加大。 ( 五) 偏心装夹的单刃圆弧齿背立铣刀 这种铣刀的特点是：齿背为圆弧曲线，铣刀以一定装刀角偏心装夹在装刀卡赢上咀 获得适当的后角。这种铣刀不需铲齿，制造容易，主要用在上轴铣床上铣槽，也可用米 加工工件的周边。 圈2 - 4 偏心装夹的柄铣刀 由于铣刀是偏心装夹的，所以切削圆直径d r 大于铣刀直径d ，这不但加大了容屑空 间，而且由于偏心量及刀刃安装角可以改变，所以同一直径的铣刀可以铣不同宽度的槽。 另外，在铣刀重磨后直径变小的情况下，可以改变偏心量以保持切削圆直径不变，这就 延长了铣刀的寿命。据报道，这种铣刀较铲齿铣刀重磨次数可提高原6 - - 8 倍。 特别应当指出的是：刀刃安