（机械制造及其自动化专业论文）加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 螺旋曲面面在工程上有着广泛的应用背景，如阿基米德螺旋面、渐开线螺旋面常用 作蜗杆廓面和斜齿轮，螺杆压缩机型芯转子的廓面、钻头与铣刀的容屑槽也为螺旋面。 目前，对于螺旋面的粗加工大多采用指状铣刀，采用此种铣刀加工生产效率低，刀具消 耗量大，成本高。随着螺旋曲面作为工作机理的机构越来越多，以指状铣刀作为其加工 刀具越来越不适应实际的加工要求。采用可转位成形盘铣刀粗铣加工螺旋曲面不但大大 提高了加工生产效率，而且加工精度也能满足实际工程要求，是当前螺旋曲面加工及刀 具行业发展的一个研究方向。 本文在深入研究成形法加工螺旋曲面的铣削理论的基础上，建立工件和刀具之间的 接触条件，基于工件端截形为离散点数据的般情况，应用累加弦长三次参数样条法， 计算了工件端截形各离散点处的倾斜角，采用弧微分法建立了铣刀廓形的数学模型。根 据给出的圆弧型工件端截形和渐开线型工件端截形数据，使用m a t l a b 软件对整个廓形 求解过程进行了程序化。针对不同的铣刀廓形，采用可转位硬质合金刀片分段线性拟合 铣刀的理论廓形，使之适应可转位硬质合金刀具的设计要求，对拟合精度进行了分析， 得到了满足粗加工误差要求的刀片基点坐标。在此基础之上，根据刀体、刀片及刀片槽 之间的空间位置及切削角度关系，以及刀片、刀片槽及容屑槽的圆周排布：确定了刀片槽 在刀体坐标系上的空间位置。最后根据结构设计数据，借助u g 软件实现了刀体的三维 建模，通过铣刀的装配模型，检验了铣刀各零件的设计合理性和干涉情况。 关键词：螺旋曲面加工；累加弦长三次参数样条；刀片拟合；可转位铣刀；计算机 辅助设计 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 r e s e a r c ho ni n d e x a b l ef o r md i s ct o o l sf o rh e l i c o i d a lw o r k p i e c e s a b s t r a c t h e l i c a ls u r f a c e sh a sab r o a da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n di n e n g i n e e r i n g ，s u c ha st h e a r c h i m e d e sh e l i c a 】s u r f a c ea n di n v o l u t ep r o f i l eh e l i c a 】s u r f a c e sa r ec o m m o n l yu s e df o rw o r m g e a r s ，b e v e lw h e e la n ds c r e wc o m p r e s s o rr o t o rc o r ep r o f i l ef a c e ：d r i l la n dm i l l i n gc u u e r ：sc h i p f l u t e a tp r e s e n t ：p e o p l ep r o c e s sh e l i c a ls u r f a c e sr o u g h l yu s i n gf i n g e rm i l l i n gc u t t e r i ti sl o w p r o d u c t i v i t y ；h i g ht o o lc o n s u m p t i o na n dc o s t l y w i t ht h ei n c r e a s i n go fh e l i c a ls u r f a c e sa sa w o r k i n gm e c h a n i s mo ft h eb o d ys u r f a c e ：f i n g e rm i l l i n gc u t l e rf o rm a c h i n i n gt o o lo fh e l i c a l s u r f a c e si sn o ts u i tt ot h ea c t u a 】p r o c e s s i n go fr e q u e s t s p r o c e s s i n gh e l i c a lw i t hi n d e x a b l ef o 肿 d i s cc u n n e ri sn o to n l yg r e a t l ye n h a n c e dt h eh e l i c a ls u r f a c e sp r o c e s s i n ge f f i c i e n c yb u ta l s o s a t i s f yp r o c e s s i n gp r e c i s i o n ：i sar e s e a r c hd i r e c t i o no fh e l i c a ls u r f a c e sm a c h i n i n ga n dt h e d e v e l o p m e n to ft o o li n d u s t r y o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h et h e o r yo ff o r m i n gm e t h o do ft h em i l l i n gh e l i c a ls u r f a c e 二t h i s p a p e rp r e s e n t sc o n t a c tc o n d i t i o ne q u a t i o na n dc a l c u l a t e st h es l o p ea n g l eo fd i s c r e t ep o i n t so n e n dc u s p i d a t eo fw o r k p i e c e sb a s e do nt h ea c c u m u l a t e dc h o r dl e n g t hc u b i cp a r a m e t r i cs p l i n e m e t h o da n do f f e r sm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec u t l e rp r o f i l e a c c o r d i n gt ot h ed a t ao fe n d c u s p i d a t eo fc i r c u l a ra r cw o r k p i e c ea n di n v o l u t ew o r k p i e c e ：t h ep a p e rp r o g r a m m e st h ew h o l e s o l v i n gp r o c e s so ft h ec u l l e rp r o f i l eb ym a t l a bs o f t w a r e f o rd i f f e r e n tc u t t e ro fd i f f e r e n t w o r k p i e c e s ，t h ea r t i c l eu s e sc a r b i d ei n s e r t st of i tt h ep r o f i l eo ft h ec u t t e rb yl i n e a rf i n n i n g a l g o r i t h ma n da n a l y s e st h ep o s i t i o na n dc u t t i n ga c c u r a c yb ym a t l a bs o f t w a r ea n do b t a i n st h e o r d i n a t ev a l u eo ft h eb a s i cp o i n tw h i c hs a t i s f i e se r r o rr e q u i r e m e n to fr o u g h i n g o nt h eb a s i so f f i n n i n gt h ep r o f i l eo fc u t t e r ，t h ep a p e rp r e s e n t st h es p a c el o c a t i o no ft h ei n s e r tp o c k e ta c c o r d i n g t or e l a t i o no fs p a t i a lp o s i t i o na n dc u t t i n ga n g l e sa m o n gc u t t e rb o d y ；i n s e r t ，i n s e r tg r o o v ea n d c i r c u l a rd i s t r i b u t i o na m o n gi n s e r t ；i n s e r tg r o o v ea n d c h i pp o c k e t f i n a l l y ：a c c o r d i n gt o s t r u c t u r a ld e s i g nd a t a ：u s i n gu gs o f t w a r ef o u n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ft h ec u t t e r t h r o u g hp a r t so ft h ea s s e m b l ym o d e l ，t h ea r t i c l ec h e c ku pr e a s o n a b l ec o n f i g u r a t i o na n d i n t e r f e r e n c ea m o n gt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h em i l l i n gc u l l e r k e yw o r d s ：m i l l i n gh e l i c a ls u r f a c e ；t h ea c c u m u l a t e dc h o r dl e n g t hc u b i c p a r a m e t r i cs p l i n e ；i n s e r tf i t t i n g ；i n d e x a b l ed i s cc u t t e r ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了铡意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：出里三螺丝左耋胡耳盎室丝垂钮2 ，囚趱习镅蜜_ 作者签名：奎壅车j l 日期：! 牟年堕月丝日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：趣曼童黑善绺錾厶 阻幺包猡盟肄碑痘l 一 作者签名：燮癣霍日期：翌l 年j 王月三日 导师签名：彭二李年_ 卜日期：三竺季一年堕月j 丝日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题研究的背景与意义 螺旋曲面以其传动精度高、承载性能好、结构独特在工程领域有着广泛的应用背景。 齿轮、蜗杆、螺杆、螺钉、螺母、丝杠、复杂刀具等众多机械零件均以螺旋曲面作为工 作机理的基础。随着工业技术的发展，螺旋曲面的应用越来越广泛，其结构越来越复 杂，精度要求也越来越高。因此，如何用传统或非传统的方法、设计出合理的刀具加工 出满足使用要求的螺旋曲面成为了一个重要的研究课题。 目前成形铣削加工螺旋曲面的铣刀主要有圆盘铣刀和指状铣刀，在机械加工技术向 高效、高精、自动化发展的今天，以数控技术为代表的现代高精度、高效率机床的使用， 对刀具的精度、切削性能、工作可靠性等提出了更高的要求i2 l ，传统的铣削加工刀具越 来越难适应技术革新，而可转位刀具技术就是能与性能优越的现代机床相匹配的刀具技 术。可转位刀具与整体式刀具、焊接式刀具、机夹重磨式刀具相比较，具有明显的优点 1 3 】：刀具寿命长。刀片与刀体通过机械夹固方式联接，避免了焊接所引起的缺陷；刀 刃用钝后不需重磨，避免了由于刃磨高温所引起的缺陷；刀具的几何参数完全由刀片和 刀杆上的刀槽来保证，切削性能稳定，因而大大提高了刀具寿命；生产效率高。可转 位刀具提供了现成可用、几何参数一致、空间位置不变的刀刃，无需重磨，省去了拆刀、 装刀、对刀等辅助时间。能采用先进的切削用量，因此能提高生产率；加工成本低。 可转位刀具的刀片、刀体以机械夹固方式相联接，可以实现多品种搭配，通用性好，能 做到一体多用( 一个刀体可以装不同牌号的硬质合金刀片) ，一片多用( 同一块刀片可以安 装在不同用途的多种结构的刀体上) ，大大简化了刀具的管理；刀体可多次重复使用， 大大减少了刀杆的消耗与库存量；刀具可以标准化集中生产，降低了刀具制造成本；用 过的刀片可以作为硬质合金原材料回收；其优越的性能使它能够与机床性能相匹配，充 分发挥现代先进机床的优势；有利于推广新技术、新工艺。可转位刀具突破了刀具切 削部分材料性能内外一致的限制，有利于推广使用涂层等新型刀具材料与工艺。 近1 0 年来，随着硬质合金刀片数控周边磨床、刃磨加工中心等机床的发展，硬质 合金可转位刀片的几何精度大大提高，刀刃的转位精度可控制在2 5 u m 内。由于数控加 工技术的发展也使刀体上刀片槽加工的位置精度和形状精度达到了很高的水平，从而使 可转位多齿刀具刀刃问的相互搭接精度得以改善。就可转位成形铣刀而言，以前常用于 粗加工，而现在世界各工业发达国家己相继开发出各种用于半精加工和精加工用的可转 位成形铣刀1 4 1 。目前在工业发达的国家，车削加工中所采用的硬质合金刀具几乎全部被 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 可转位所刀具替代f 5 j 。铣削方面，可转位铣刀片的产量己占硬质合金铣刀片的8 0 ，以 产值计算，美国、西德、瑞典等国家可转位刀具的产值已达到接个硬质合金刀具产值的 9 0 。日本、苏联、法国发展也租迅速，现已达到5 0 6 0 ，产量也在不断上升。大到 几十公斤重的重型刀具，d , n 几r 克重的轻型刀具【6 】；从车刀、刨刀、镗刀等单刃刀具， 到铣刀、麻花钻、拉刀、齿轮滚刀等多刃刀具；从通用机床使用的普通刀具，到自动线、 数控机床和加工中心上使用的数控刀具，已经形成了完整、不同系列、规格齐全的可转 位刀具体系。 国内大多金属加工行业仍在使用比较滞后的刀具，抗振性和耐磨性差，切削效率低， 加工质量不稳定，一旦崩刃或非恢复性磨损，整体刀具无法再利用，浪费严重。由于人 们对刀具的发展认识不足，缺乏刀具理论与实践，轻视刀具和排斥刀具的现象比较普遍， 上述种种问题是造成加工成本高的主要因素之一1 7 1 。目前，国内企业大多数从国外刀具 厂商购进可转位成形铣刀，进口刀具价格昂贵，国内相关的研究较少且水平较低，企业 生产受制于国外刀具厂商。随着重型工业的发展，可转位成形铣刀必将得到广泛应用， 因此可转位成形铣刀设计具有广阔的市场前景。因此我们要切实转变观念，加强刀具研 究，把握现代先进刀具发展方向，做好可转位刀具的试验推广这一紧迫的工作，否则必 将削弱企业的工艺竞争能力，不可避免地拉大与先进机械制造业的差距，弱化质量、交 货期与成本竞争能力，为此推广使用现代先进刀具，势在必行。本文对螺旋槽成形加工 机理进行了系统研究，针对不同的工件端面截形形状，应用累加弦长计算工件截形上数 据点的倾斜角，并采用求解接触线条件来设计出与之相应的铣刀廓形，并从精度要求上 验证了其可行性。对于不同的铣刀廓形，采用硬质合金刀片设计出满足粗加工要求的可 转位成形盘铣刀。通过本文的设计研究，以期为加工螺旋槽用可转位成形盘铣刀设计研 究提供一些设计方法上的参考。 1 2文献综述 】2 】螺旋曲面概述 螺旋曲面是一条母线绕一定轴作螺旋运动所形成的曲面。母线、螺旋运动、母线与 定轴间不同的位置关系，便形成了不同的螺旋曲面哺j 。根据螺旋运动方式不同，可分为 圆柱螺旋面、圆锥螺旋面和球螺旋面等；随着工业应用需求的发展，圆锥螺旋面和球螺 旋曲面的应用也多了起来，如圆锥立铣刀、球面铣刀。根据螺旋角变化与否可分为等倾 角螺旋曲面和变倾角螺旋曲面；其中等倾角螺旋曲面应用越来越广泛，铣削加工中的等 螺旋角锥形铣刀、模具加工中的模具铣刀、旋转锉等一j 。根据螺旋运动的参数变化与否 大连理工大学硕士学位论文 可分为等导程螺旋面、变导程螺旋面，等导程圆柱螺旋面的共同特点是同一螺旋面上的 各条螺旋线具有相同的导程。船舶上应用的变导程螺旋桨、螺旋齿轮中涉及的线接触变 导程斜齿轮、径向剃齿刀以及在灌装机、航空传输机及饲料机上的变导程丝杠都是变导 程螺旋面【】0 1 。倾角变化且导程也变化的螺旋曲面也有相当广泛的的应用背景，如火箭发 动机喷管外面上的斜航线i j 以及在石油、化工、橡胶、轻工等行业中的原料加工、供送 等工序中的异形螺杆i l2 j 和广泛用于制冷、热泵、工艺流程各种气压压缩机上的螺杆压缩 机1 1 3 】。根据母线的外形，螺旋面分直纹螺旋面、曲纹螺旋面。直纹螺旋面又叫线性螺旋 面，其特点是形成该螺旋面的母线可以是一条直线；而曲纹螺旋曲面是非线性螺旋曲面， 其母线是曲线而不可能是一条直线。对于直纹螺旋面，根据母线与螺旋面的位置关系， 直纹螺旋面又可分为阿基米德螺旋面、渐开线螺旋面和法向直廓螺旋面。常见的曲纹螺 旋面有c 廓螺旋面、k 齿廓螺旋面等。c 廓螺旋面是指在轴截面或法截面内其齿廓为圆 弧；k 齿廓螺旋面的齿廓齿面是圆锥面的包络面。阿基米德螺旋面、渐开线螺旋面和法 向直廓螺旋面构成了蜗杆形状的三大类型1 1 4 j ：阿基米德蜗杆( z a 蜗杆) 、渐开线蜗杆 ( z n 蜗杆) 、法向直廓蜗杆( z i 蜗杆) 。另外阿基米德螺旋曲面还用于凸轮机构传动 中，阿基米德凸轮可以把匀速圆周运动转化为匀速直线运动。渐开线螺旋曲面还常见于 斜齿轮齿面和花键型面。 等倾角等导程圆柱螺旋曲面在机械传动及机构中应用十分广泛，现在在工程上应用 的绝大多数零件上的螺旋曲面就是等倾角等导程圆柱螺旋曲面，如各种类型及尺寸的螺 纹、螺母、螺杆泵甚至金属切削刀具的螺旋容屑槽等。因此，如何用当前的数控机床和 可转位刀具技术，经济且精确的加工等倾角等导程圆柱螺旋曲面是各种企业和研究机构 所要面临的一卜课题。 1 2 2 螺旋曲面加工研究现状 作为一种典型的复杂曲面，螺旋曲面形成原理比较复杂，加工的难度大，制造精度 不易保证，设计制造的标准化程度很低。随着应用范围的不断扩大，对其加工技术的研 究也越来越深。对此人们提出的加工方法和加工用刀具有很多ij 4 - j s 。具体方案如表1 1 。 表1 1 圆柱螺旋曲面的加工方法 t a b 1 1t h ep r o c e s s i n gm e t h o d so f c y l i n d r i c a lh e l i c a ls u r f a c e s 加工过程刀具加工方法工件截形加工精度设备生产类五! 圆盘铣刀成形任意粗、半精加工 普通铣床 单件、久颦生产 铣肖u指状铣刀成形任意粗、半精加丁普通钒床单仲、成批生产 旋风铣展成渐开线为主粗、半精加丁专用机床大批人蕈生产 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 单齿切刀成形渐开线为主粗、半精加工普通车床单件、大批生产 车削多齿切刀 展成渐开线为主 粗、精加工普通车床大批、大量生产 成形车刀 成形任意 粗、半精加工普通车床单件、成批生产 盘状砂轮成形任意 精加工 磨床 单件、成批生产 磨削 指状砂轮成形任意精加工磨床单件、成批生产 滚压滚压轮成形渐开线为主精加工成批、大量生产 国内外众多研究单位、高等院校运用微分几何、啮合原理及包络理论，分析了圆柱 螺旋面及其加工方法，得出了许多重要的结论和成果。早在1 9 7 9 年，西安交通大学林 其骏i j 介绍了计算工具截形的新公式并分析计算了工具截形的曲率问题。1 9 8 2 年，吴 序拳】教授在深入研究齿轮啮合原理的基础上，分析了螺旋曲面的加工原理，给出了利 用盘形刀具加工螺旋面的计算方法以及过渡表面干涉的消除方法。1 9 8 5 年，西安交通大 学乐兑谦教授1 18 j 引入了加工螺旋面成形铣刀廓形的设计方法：作图法和计算法，对两种 方法的应用范围作了比较并认为作图法求解成形铣刀廓形比较简单，但精度不高，尤其 当工件螺旋较大及其端面截形较为复杂时，作图法更难以获得满意的结果，在精度和工 件端截形复杂情况下，必须应用精确的计算法来确定其廓形。其计算法的接触方程是通 过刀具与工件相切接触条件建立起来的，为以后的铣刀理廓形理论计算提供了基本理论 依据。李儒苟学者1 19 j 应用运动学理论，根据工件的形状及工件与刀具的相对运动来解决 加工螺旋面的刀具刃形计算问题，并通过根据工件断面截形参数，用极坐标建立了刀具 的数学模型，并对公式中的参数进行了讨论。哈尔滨工业大学唐余勇、王树国等教授1 2 0 】 应用数学工具分析了机械工程中的几何仿真、建模与求解，并给出了工程中若干逆包络 问题的求解方法，包括利用盘状铣刀、指状铣刀成形加工螺旋面的方法，研究径向铲磨 刀数学模型中的通用方法、磨削高精度螺旋面的几何模型分析与建立。1 9 9 1 年，天津大 学王树人教授1 2 l j 等对蜗轮蜗杆进行了深入研究，详细论述了援助蜗杆螺旋面的形成原理 以及用圆盘铣刀和砂轮加工的原理和方法，同时给出了两类界限等，全面的论述了圆弧 蜗杆传动啮合原理及计算方法。 1 9 9 4 年，深圳大学冯德坤教授、北京科技大学马香峰教授1 2 2 j 详细阐述了包络平面 和空间曲面曲线族的包络理论，分析并例举了包络原理在机械制造中的应用及盘状成形 刀具型面求解的方法。大连理工大学姚南殉教授论述了复杂曲面精确加工造形的共性理 论和新方法f 2 引。】9 9 7 年，郑昌龄睇4 j 建立了螺旋加工所需截形计算的通用方法，介绍了 计算原理和方法并给出了算例。2 0 0 0 年，湖南大学周志雄、袁建军教授i ”】在应用微分 大连理工大学硕士学位论文 几何分析了刀具和螺旋面的基本啮合条件的基础上，建立了刀具及微钻头的数学模型， 并开发出了c a d 系统和仿真系统。2 0 0 1 年，d sw u 2 6 】等人建立了成形铣刀加工端截面 为椭圆形的螺杆的加工数学模型，并通过实例数据验证了模型的可行性。f a y d o rl l i t v i n l 2 7 】等对螺旋面齿轮刀具进行了精确的设计计算并建立了相应的数学模型。b r i a np m 猢【2 8 】等人对螺旋面加工的刀具设计和制造应用了几何建模方法和c a d 方法进行了 研究，建立了利用圆柱立铣刀加工曲面的数学模型，并对得到的模型进行了计算机分析。 对于圆柱螺旋曲面的成形加工，最常用的方法是采用成形盘状刀具或指状刀具，即 已知工件的螺旋面及螺旋参数，设计出铣刀或砂轮的轴向截形，并采用此刀具来加工螺 旋槽。也就是说一种工件参数，需要设计一个专用刀具来加工该工件。如若采用成形车 削的加工方法，同样也要面对一种工件参数，也需设计一个专用成型车刀来加工零件的 问题。采用旋风铣加工曲面零部件更是需要专用机床、专用刀具。所以加工螺旋曲面元 件就需要认真考虑加工成本和刀具的选择问题。本文正是基于此问题分析讨论了用新型 可转位刀具来实现对圆柱螺旋曲面的粗加工。 1 2 3 国内外可转位刀具的发展现状 四十年代末期，美国开展了可控切削加工技术的研究：于1 9 5 3 年美国开发出可转位刀 具结构的雏形，把焊接刀片变革为可转位刀片1 2 引，拉开了近代世乔刀具发展史的第一次 革命。从刀具结构看，可转位结构的刀具已成为刀具结构发展的主流，并广泛应用于各 种转位车刀、镗刀、铣刀及钻头等。 ( 1 ) 国外可转位刀具发展现状 在机械加工技术向高效、高精、自动化发展的今天，以数控技术为代表的现代高精 度、高效率机床的使用，对刀具的精度、切削性能、工作可靠性等提出了更高的要求。 可转位刀具技术就是能与性能优越的现代机床相匹配的刀具技术。国外可转位刀具的发 展具有阶段性，具体如下所示1 3 0 1 ： 结构成形期( 1 9 5 3 年以前) 1 9 5 3 年美国开发出可转位刀片结构的初型，把焊接刀 片变革为可转位刀片，拉开了近代世界刀具发展史的第一次革命。 工艺完善期( 1 9 5 3 6 0 年代末) 这个时期完善了可转位刀具的生产工艺，并初步 开始推广应用。 普及应用期( 6 0 年代末- - 8 0 年代中期) 从生产工艺的完善到普及应用，西方工业 化国家一般用了5 ，1 0 年的时间，七十年代为全面普及阶段，到八十年代中期，可转位 刀具产值已占硬质合金刀具总产值的8 0 左右；涂层可转位刀片已占可转位刀片产值的 3 0 5 0 。 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 成熟期( 8 0 年代中期一今天) 近二十年来，工业发达国家已基本上完成了硬质合 金刀具向可转位化过渡，可转位刀具已进入了成熟期。由于涂层工艺的出现和发展，使 可转位刀具品种，除部分成形专用刀具及小尺寸的孔加工工具、部分立铣刀外，已基本 覆盖了所有高速钢刀具的品种，与高速钢刀具处于平衡的发展阶段。 数控机床、加工中心、柔性生产单元及系统的发展，进一步促进了机夹可转位刀具 及其配套新技术的开发与应用。近二十年来，除刀具c a d c a m 外，有重大技术突破、 发展快和影响大的相关技术有：涂层技术( c v d 、p v d ) ，模块式工具系统、工具监控 技术及系统，工具自动识别系统和工具管理系统。相关新技术的开发与应用，更加推动 和促进了可转位刀具的发展。 ( 2 ) 国内可转位刀具发展现状 早在“六五”“七五”期间：国家机电部己将可转位刀具的开发与生产列人了机床 工具行业重点新技术、新产品的发展规划。“八五”以来：国家科委、国家计委、机电 部和国务院经贸办又分别把可转位刀具列为国家“八五”重点科技推广项目。 我国第一次把可转位刀具应用于生产的是洛阳轴承厂3 0 8 轴承自动线。从1 9 6 2 年 起成都工具研究所和洛阳轴承厂、沈阳第三机床厂，株洲硬质合金厂经过六年的共同 试验研究，对3 0 8 轴承自动线上的1 0 6 把车刀中的9 2 采用了可转位刀具i3 l 】。大连机 床车辆工厂从7 4 起由一般推广到目前全面应用，由于主要部件加工效率提高2 至2 5 倍及刀具年消耗费用平均下降6 5 ，使机车年产量平均增长4 3 。张家口煤矿机械厂在 主要产品刨煤机、破碎机、输送机等切削加工中，8 5 应用可转位刀具，生产效率提高 1 5 至2 倍。第二汽车制造厂在大批加工中，c 、上用国内重型车刀、数控车刀代替德国随 机刀具，使刀具国产化取得了明显进展。目前，我们国硬质合金可转位刀具生产己具有 一定规模，可转位刀片的质量、品种、规格、牌号相当于国际八十年代初的水平。但普 及应用的水平仍然较低，与国外工业化国家的差距还很大。 据统计，我国大约有3 6 0 万台机床，其中可使用可转位刀具的机床约有2 5 0 万台， 占我国机床总数的6 7 ，但真正全部或部分使用可转位刀具的机床不到5 。河南省为 例，河南省机械电子厅所属企业4 6 0 多家，使用可转位刀具的不到8 家。而全省机械行 业中，使用可转位刀具情况较好、形成规模的企业也只有洛阳拖拉机厂、洛阳矿山机器 厂、洛阳轴承厂、郑州纺织机械厂、郑州水上机械厂、许昌烟草机械厂、安阳机床厂、 安阳轴承厂等不到10 家。在全国范围内，可转位刀具的应用情况与河南省大致一样。 造成我国可转位刀具发展受限的原因是多方面的，主要有以下几个方面1 3 2 】： 大连理工大学硕士学位论文 我国硬质合金产品的总体质量不高，因此以硬质合金作为可转位刀具的刀片质 量也就不高。使用过程中，操作者要经常对刀片进行换位或更换，增加了换刀辅助时间， 降低了生产率，由于质量不高，造成使用可转位刀具的企业生产成本增加，经济效益下 降。 我国生产的可转位刀具和可转位刀片的品种较少、规格不全、体积较大、结构 也不尽合理。有的刀片定位精度不高或夹紧力太小，切削过程中的振动造成刀片松夹过 位移，使生产中不能保证应有的加工精度和表面质量。此外，我国生产的切断车刀和螺 纹车刀等可转位刀具，由于体积较大，有时不能满足不同工序对刀具的要求。 我国硬质合金制造厂家生产的可转位刀片未经精化处理，使用厂家购买后不能 直接用于生产，还必须由专门人员用专用设备对其进行重新修磨。这样，企业在准备使 用可转位刀具之前，必须投入大量的资金用于购买专用的刀具刃磨设备、可转位刀具的 专用刀杆和与之配套的可转位刀片。 当所加工零件是大批或成批生产时，使用可转位刀具能够充分发挥其优越性。 但我国大多机械加工企业所加工零件是小批量生产，由于加工对象经常变化，刀具材料、 刀具几何参数、切削用量也要经常改变，这就要求使用可转位刀具的操作者不断更换刀 片。这样，无法发挥其特点。 与刀具相关的技术发展缓慢，硬质合金的生产、应用及管理发展极不平衡。在 技术发达国家，为了适应切削加工自动化的发展及市场竞争的需要，工具生产厂的专业 范围已由单一的刀具产品向综合、成套、系统产品的开发，而且大都是软件配套供应， 不仅生产刀具、刀具系统，而且开发、提供刀具使用技术、切削数据直至刀具管理技术。 在大多数情况下，使用可转位刀具可以减少机动时间，提高生产率，为企业增 加收入。但对操作者来说，由于他单位时间内装卸工件的次数增多，从而使其劳动强度 增大，相对来说比使用焊接刀具的操作者要消耗更大的体力。再由于许多企业的分配和 奖励机制不够完善，有些人付出的劳动与得到的报酬由较大的差距，在一定程度上挫伤 了操作者使用可转位刀具的积极性。 推广应用可转位刀具是提高生产力、降低生产陈本的有效手段之一。世界范围内的 生产实践表明：应用先进刀具是生产发展的必由之路。而我国工业基础相对较差，可转 位刀具技术起步晚、发展缓慢，使得现今我国在刀具材料、刀具结构等技术方面远落后 于发达国家，也导致了国内企业在生产设备、生产规模、产品质量、市场占有量等方面 与国外同类企业存在较大差距。同时，由于我国加入w t o ，市场化程度越来越高，国 外工具制造公司纷纷在我国建厂或设立营销网点，我国工具厂将面临着激烈的市场竞 争。当然通过市场可以引进一下生产线及产品，但由于技术壁垒及封锁，关键技术仍牢 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 牢地控制在国外各大企业手中。面对这样的困境，加快可转位刀具的研究和发展，已经 成为一项迫在眉睫的工作。本文正是在这样的背景下提出的，并结合螺旋曲面的加工原 理，对加工螺旋槽用可转位刀具的设计工作进行了初步的探讨和研究。 1 2 4 加工螺旋曲面可转位成形刀具研究现状 对于用成形法加工螺旋槽时l l 引，铣刀轴线与工作台轴线间的交错角一般为9 0 。 b ，即铣床工作台应转动一个螺旋角j 3 。铣刀作旋转的切削运动，而工件则作螺旋运动， 即当工件旋转一整转时，沿着其轴向移动一个导程的距离( 如图1 1 ) 。 图1 1 螺旋槽铣削加工 f i g 1 1m i l l i n go f t h eh e l i c a lg r o o v e 刀 目前，对于螺旋槽的粗加工国内以指状铣刀铣削较为常见，指状铣刀结构简单、成 本低，但是加工效率低。盘形铣刀，尤其是可转位式盘形铣刀是螺旋槽铣削加工刀具发 展的一个趋势，其加工效率和齿面精度比指状铣刀加工高得多。对于加工螺旋面的可转 位成形铣刀设计过程一般过程是先求解出铣刀理论廓形，然后用硬质合金刀片来拟合铣 刀理论廓形使得刀片刀刃所构成的实际廓形与理论廓形的误差在允许的范围之内，并得 到合理的切削参数，根据切削参数来确定刀片槽在刀体空间上的位置，最后设计铣刀各 部分的结构。目前国内外的研究主要集中在3 h i 各种螺杆压缩机机构的阴阳转子盘铣刀 以及各种立铣刀上。1 9 9 1 年，李菊丽1 3 3 介绍了压缩机阴转子加工用可转位铣刀设计方 法，对于铣刀的理论廓形用圆弧刀片进行椭圆拟合，使椭圆曲线逼近理论廓形，确定了 切削角度及刀片的最佳安装位置。杜齐明i j 4 j 对于可转位梯形槽铣刀设计中刃形设计、理 论粗糙度计算、实际后角及切削载荷分析进行了探讨并给出了计算实例。1 9 9 6 年，陶湘 大连理工大学硕士学位论文 保、方惠珉i ”】针对制冷压缩机的阴阳转子的凸凹廓形，顶端用两排矩形带圆弧面的硬质 合金刀片排列成形、两侧面用硬质合金圆形刀片排列成形其拟合铣刀理论廓形。由于可 转位刀片槽位置计算过程的复杂性，1 9 9 9 年徐盛学等【3 6 】从空间角度的本质入手，通过 多次坐标旋转用相似变换来描述，计算可转位立铣刀刀片槽。1 9 9 8 年，f a b r a r i ， m a e l b e s t a w i 等1 37 j 进行了球头立铣刀的动力学、稳定性进行了分析，并应用迭代算法 建立了数学模型。2 0 0 1 年，s e n g i n 和y a l t i n t a s l 3 s 对螺旋立铣刀刃口进行了力学和动 力学分析，建立了任意立铣刀刃口参数设计的一般的数学模型。2 0 0 6 年，s u n g j o o nk i m ， h a n u il e e 等人 3 9 1 介绍了一种基于改进切削力的模型的可转位端铣加工进给率优化，由 于可转位刀片的几何角度和空间分布位置的影响，使得其切削是间断的，切削力的变化 是不连续的。由此建立了可预测其切削力的模型。2 0 0 7 年，黄浩1 4o 】介绍了加工螺杆转 子用盘铣刀的设计方法。c h u n g l i a n gt s a i 和y u n n s h i u a nl i a 0 1 4 l j 从几何角度分析了球 头立铣刀切削力，确立了切削厚度、前角、切削速度、剪切区域以及流屑角之间的关系。 1 3 本论文的主要内容 对于加工螺旋槽用可转位成形盘铣刀的设计的关键是研究如何根据工件端截形计 算刀具的理论廓形、刀片的选型与安装、廓形的刀片拟合、切削角度的确定以及刀片槽 的空问位置的确定。本文根据已知任意的工件端截形数据实例对以上几个方面进行了探 讨研究。 全文内容共分五章，各章节主要内容如下： 第一章概述了课题研究背景及意义，螺旋曲面的应用及其加工方法的研究现状，并 对用可转位成形刀具加工螺旋曲面的最新进展作了介绍。 第二章对螺旋曲面的基本理论作了简要介绍，根据相对运动理论建立了工件和铣刀 之间的接触条件，并介绍了计算铣刀廓形的求解方法，包括作图法、公式推导法、极坐 标法和包络法，为后面用弧微分法计算铣刀理论廓形提供了理论基础。 第三章对于给定的实际工件端廓形数据点( 为了验证通用性，研究了了两类工件廓 形：圆弧型工件端截形及渐开线型工件端截形) ，分析了采用了弧微分法计算铣刀理论 廓形并通过累加弦长三次参数样条法计算工件端截形上各离散点倾斜角，分析了工件和 刀片之间的安装参数对廓形的影响，并采用m a t l a b 软件设计计算。基于各种不同的铣 刀廓形形状，采用可转位刀片对其进行了分段线性拟合，保证了其拟合误差在粗加工要 求的范围之内，并得到刀片的安装参数。 第四章针对机夹可转位刀具的特点，引进刀片槽代替定位元件并根据实际情况确定 了铣刀各结构形式，在第三章刀片拟合基础上，采用刀片和刀体坐标之问的多次矩阵相 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 似变换计算出刀片槽的数学模型，并采用拉刀计算容屑槽空间的方法，得到刀片与容屑 槽的圆周分布角度，最后得到容屑槽及刀片槽的空间坐标基点及结构尺寸，最后建立了 两种类型工件端截形的铣刀三维模型，完成了铣刀各零件的装配仿真。 第五章总结了全文所完成的工作，得到了一些设计可转位刀具相关的参考方法，并 提出了对未来工作的展望。 大连理工大学硕士学位论文 2圆柱螺旋曲面的数学模型及成形铣削理论 2 1圆柱螺旋曲面的数学模型 设在空间有一个固定的右手坐标系0 一x y z ( 如图所示) ，一空间曲线的f 的矢量方程 尹= f ( ”) ( 2 1 ) 嘲 亿2 ， 图2 1 圆柱螺旋面 f i g 2 】c y l i n d r i c a lh e l i c a ls u r f a c e 根据螺旋面的生成原理，利用矢量回转公式，螺旋面的方程式为【4 2 】： 予= r ( u ) ( f c ：吖+ p 0 畏 ( 2 3 ) 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 其中，曰一角度参数，它表示母线从起始位置绕z 轴转过的角度。顺着z 轴看，顺 时针方向为正值。 p 一螺旋参数，p = 只( 2 u ) 。其意义为空间曲线( 母线) r 上一点m ( x o ，y o ，z 。) 绕z 轴转过单位角度时，沿沿轴线z 轴方向移动的距离，尸称作螺旋面的导 程。 焉( “) ( j j i ：秒) 月回转向量，f l z o ( u ) ( k ，臼) r = c o s l 9 无+ s i n 0 ( 石x 昂) + ( 】一c o s 0 ) ( 1 7 , , z o ) 7 将式2 2 和回转向量代入式( 3 3 ) 可得螺旋面的方程式如下： f = i x 。( “) c o s l ) 一y o ( u ) s i no i + 【x 。( “) s i n0 + y o ( u ) c o s o 十【z o ( ) + p 臼 k ( 2 4 ) 其坐标式表示则为： 对于左螺旋面，只需将以上式子中p 0 前的正号变成负号即可。 ( 2 5 ) 2 1 2 圆柱螺旋曲面的法向矢量 根据微分几何f 4 3 】求解曲面法线的知识，对于双参变数曲面方程 f = f ( ：口) = x ( “，o ) i + j ，( “，o ) j + z ( u ，臼) 七 ( 2 6 ) 其上任意一点m ( x ，y ，z ) 处的法线矢量再为： 其中， 1 砂 o u 砂 a 臼 而，i + 元，歹+ 历，石 ( 2 7 ) p p n 蛤 s c 甜 一 + p d 9 o h p 咯 + 、，、，) 斯确细 = = = x y z 一，魂一锄苏一阳 = 万一甜 莎抛 = 一叮 大连理工大学硕士学位论文 嘉及磊的几何意义分另l j 是曲面上z ，参数 曲线和口参数曲线在m ( x ，y ，2 ) 点的切线。以，、，2 。以及r l z 分别表示法线矢 量在三个坐标轴方向上的分量。 由矢量的运算准则： 以= 匿- - 爱i ：i 安嘉一瓦o z 舅 i 历a 石i i 舐瑟l ，：一l 夏虿l ：鱼鱼o x o z ( 2 8 ) l 出0 2 ia “a 目动a 伊 i a 曰翮 l 叙砂i ：l 塑- - 酬i ：鱼鱼一鱼鱼 i 出砂i 鼬a 口a 材a 目 1 6 目5 臼i 对螺旋面的坐标式( 2 5 ) 分别对参数甜及秒求偏导： 害= x o ( “) c o s 8 一“( 材) s i ng e ，、y = ( “) s i no + y o ( u ) c o s 0 言“ ( 2 9 ) d ”( z 9 ) 嘉一删s i n 弘腑) c o 卵一夕 考爿扣) c o s l 9 喘s i n 肚z 色 = 口 a 丹 。 把式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) 即可求得任意m 点处的法线矢量分量为： f 玎，= p ( x ：( 甜) s i n0 + j ，：( “) c o sp ) 一x z ：( 甜) ”y = 一p ( x o ( u ) c o s0 一y o ( u ) s i n 目) 一j ，。z ：( 甜)( 2 】o ) l7 1 ：= x o ( “) x ：( “) + y o ( 甜) y ：( 纠) 经过推导计算，7 ，y nv x = p ( x 。x ：+ 成) ，即： 一七 一七 瑟一加岔一阳 + + 一， 一， 砂瓦砂历 + + 一z 一z 苏一批叙一阳 j j f f 莎一锄万一甜 加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究 n , y 一 y x 2p 力： ( 2 1 1 ) 上式是螺旋面的一个重要的性质，又叫螺旋面的特性方程。它表示螺旋面上任点 的坐标( x ，y ，z ) 与该点的法线矢量的三个分量( 体，胛，船：) 及螺旋参数p 之间的关系式。 当已知螺旋面的端截形时，z 。( “) = 0 。由式( 2 1 0 ) 得其法线矢量为： 当已知螺旋面的轴截形时，y o ( u ) = 0 。由式( 2 1o ) 得其法线矢量为： 2 2 成形铣削理论 当用成形铣刀加工工件时，其刀刃按铣刀和工件之间的相对坐标关系和运动来实现 对工件的外形加工。在这里，盘铣刀绕自身的轴线做回转运动，工件则按其本身的导程 做螺旋运动，即工件的螺旋槽表面是铣刀刀刃的回转面相对于工件做螺旋运动所形成的 包络面1 4 引。这样己加工完成的工件和刀刃所形成的表面之间总有一条相切于工件表面和 刀刃所形成的表面的一条空间曲线接触线。当该接触线绕工件轴心线做螺旋运动 时，便形成了工件的螺旋面；当接触线绕刀具轴线做回转运动时，便得到刀具的回转面。 2 2 1 运动学原理 为了研究工件和刀具相对造型运动的速度，首先需要说明的是运动学原理【l9 1 。在 般情况下，我们假设刚体的运动满足以下准则：运动的独立性原理即刚体在某一个方 向的