（机械制造及其自动化专业论文）对数螺线铲齿成形铣刀的cad及其切削实验研究.pdf

摘要 摘要 在大批量的机械加工中，铲齿成形铣刀被广泛应用于铣削各种复杂的成形表 面。但成形铣刀的刀具结构、设计方法等仍然满足不了日益发展的生产需要。因 此，有必要研究新型结构的铲齿成形铣刀和这类刀具设计与制造的新方法。随着 计算机辅助技术的应用，为提高此类非标准刀具的设计效率、设计精度和制造精 度提供了有利条件。由于受传统制造技术的限制，铲齿成形铣刀的齿背曲线常从 制造方便出发，选择阿基米德螺线，但阿基米德螺线不能保证在重磨刀具前刀面 后，切削刃上各点的后角保持不变。若改用对数螺线作为铲齿成形刀具的铲背曲 线，则克服了阿基米德螺线的不足，从而保证了刀具的切削性能稳定。本文利用 a u t o c a d 的内嵌编程语言v b a ，进行对数螺线铲齿成形铣刀的c a d 开发，实现 了刀具设计中的变参数设计和适应性设计，从而提高了设计效率和质量，为对数螺 线铲齿成形铣刀的c a d c m 技术应用于生产实践奠定了基础。通过实验数据， 利用回归分析，建立了对数螺线成形铣刀在圆周方向和径向方向上分力的经验公 式。在进行两种不同铲背曲线的成形铣刀的对比实验基础上，从分析重磨前后铣 削力、刀具磨损、加工工件的尺寸精度、表面粗糙度等的变化状况出发，验证了 重磨后，对数螺线成形铣刀较阿基米德螺线成形铣刀能改善刀具的切削性能稳定 性，从而为今后对数螺线成形铣刀的进一步推广和应用奠定了一定的生产基础。 关键词：对数螺线铲齿成形铣刀c a d 铣削稳定性 一塑亘堡三查堂堡主堂垡兰奎 c a do ft h e l h l i e v i n gs h a p e dm i l i i n gc u t t e rw i t h l o g a m h m i cs p i r a lb a c kc u r v ea n dr e s e a r c ho ni t s m a c h i n a b i u t ye x p e r i m e n t a b s t r a c t t h er e l i c v i f l gs h 印e dm i i i i n gc u t t e ri s w i d e l yu s e di nt h em a s si n e c h a i l i c a l m a c h i n i n gp r o c e s so fc 咖叩l e xs h a p e ds u r f h c e 8 h o w c v e r ，t l l ed e s i g ns m l 嘶l r ea i l d m e m o do fm i l l i n gc 、1 协x sc a n t m e e t 也e 虹l c f e a s i n gn e e d o ft h em a n u f a c 缸】r e d c v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o p 血en o v e ls 缸u c t l l r ea i l dd e s i 弘 m e m o do f s u c hc u t t e r s w 油t 1 1 e 印p i i c a t i o n o fc o m p u t e r - a i d e d t c c 王1 i l o i o g y a d v t a 萨o u sc o n d m o n ss h o wu pf o r 也ei m p r o v e m e mo ft h ed e s i 四e 伍c i e n c y ，d e s i g n p r e c i s i o na n dm a n u f 撕u r ep r e c i s i o no fs u c hn o n s 协d a r dc 哦c r s b e c a u s e0 ft h e l i r n i 枷o n so fm e 扛a d i n o n a im 锄a c n l r i n gt e c l l n o l o g y ，也ec u r v eo f 也e 吼l t t e rt o o t l l b a c ki so f b n o w e d 、析mt 1 1 ea r c h i m e d e sc u r v c b u ti tc a nn o te n s u i t h a tt 1 1 er i i e f a i l 百eo fe a c hp o i n to nt l l ec 帐i n ge d g ek e 印si 删a f t c rr e f a c i n gt 1 1 ec u t t c rt 饥s ， l o g 撕t l l i i l i cs p i m li ss u b s t i m t e df o rm ea r c h i m e d e sc u r v et o 删i l ys o l v es u c h p r o b l e m sa n dg u 骶a n t c e 也e 啦山i l 姆o fc u n e rm a c h 岫i l i t y ac a ds y s t e mf o rt h e r e l i e v i n gs h a p e d 面1 1 i i l gc u t i 盯w i 血l o g a r i t l l m i cs p i m ii sd e v c l o p e db ym e a n so ft h e l a n g u a 苣r eo fv b a e m b e d d e di 1 1a u t o c a d ，w h i c hr e a l i z e s l ep a r 孤n 就r i ca n da d a p t 王v e d e s i 鲈，咖p r o v e st l l ed e s i g l lq u a l 毋a n de 伍c i c l l c y ，a | l dl a y sd 0 mac e n a i n 南u n d a t i o n f hc a d c a mo fr e l i e v i n gs h a p e dc u n e r s e m p j i c a lf o r m 脚a so ft h ec i r c 帆f e r e n t i a l c o m p o n e n tf o r c ea n dt 1 1 e r a d i a lc o m p o n 。n tf o r c ea r ee s t a b l i s h e db ym e a l l so f 龇 r e g r e s s i o n 黝l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a o n 也eb a s i so f t l l ec o r l 打髂tt e s to n 也e r e i i e v i l l gs h a p e dm i l l i n gc u t t e r 谢t 2 l 咖d i 丘b 站n tk i n d s0 f t o o 也b 8 c kc u n ，e s ，i ta 1 1 a l y z e s m ev a r y i n gm i l l 恤gf o r c e ，c u t t e r 、e 鸪d i m e n s i o n a la c c u r a c y ，s u r f a c et o u g h n e s so f 也e m a c h j n c dw o r k p i e c eb e f o r e 锄da f i e rr e 鲥n d j n gt l ec u t t a 1 1 d 矗l 】曲e rt e s t i f i e sn l a tt h e r e l i e v i n gs h 印e dr n j l l i n gc 埘e r 谢t hl o g a d 曲n i cs p i 豫l i ss u p e r i o rt o 觚h i m e d e sc u n ，e i nt h es t a b i l i t yo fc u t t e rm a c h i l l a b i l i 啪w 碰c hl a y sd o mac e n a i np r o d u c t i o n 岛u n d a t i o n f o rf u r 也e rp o p u l a r i z a t i o na i l d 印p l i c a t i o no fr e l i e v i n gs h 印e dm m m gc u n e r s 、i t h l o g a r i t l i i l i cs p i r a li nt l l en o t - d i s t a n t 如骶 k e y w o r d s ： l o g a 打c h m i cs p i m l ；r e 】i e v i n gs h a p e dm j 】l i n gc u 托e r ；c a d ；m j l l j n g ；s t a b i l j t y l i 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名挚：逝圭差车 2 罗年占月f 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。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。本人允许论 文被查阅和借阅。学校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。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：鸳李堑 z 0 口譬年6 只| b 指导教师签名： 沙咕年 l 引言 1 1 选题的理论意义和实用价值 在人类社会迈入2 1 世纪的时候，从世界范围看，我们正处于制造技术快速发 展的时期。切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，进入 了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展 新阶段。与此同时，数控机床正在朝着高速度、高精度、高刚性方向发展，金属 切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，已 进入“数控刀具”的发展阶段，显示出“三高一专”( 即高效率、高精度、高可靠性和 专用化) 的特点。金属切削技术与刀具进入了以刀具材料为基础发展高速切削， 开拓新的工艺领域及加快刀具结构变革为特征的发展阶段 1 】。 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g r l ) 是2 0 世纪6 0 年代以来迅猛发展起来的一门新兴 的综合性计算机应用技术。在刀具设计中，c a d 应用的早期，主要是借助计算机 辅助完成设计工作中的一些繁杂而又带有重复性的数值分析计算，如成形刀具的 廓形设计、齿轮刀具的齿形设计、刀具的强度及刚度校核等，需要处理的数据量 大，属较低层次的应用。随着计算机技术的发展，尤其是图形处理设备及计算机 图形学的发展，c a d 逐步深入到刀具设计的各个环节，并日趋成熟和完善，引发 了刀具设计领域的一场根本变革，进入高层次应用阶段，受到更为普遍的关注。 工业发达国家一直十分重视刀具c a d 技术的开发应用。早在6 0 年代中期，美国、 联邦德国、日本和瑞士等国家就开始研制刀具c a d ，7 0 年代就投入使用，到8 0 年代已应用较普遍，并伴有成熟的商品化软件销售【2 j 。 我国刀具c a d 的开发始于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速，也有不少工厂 正在很有成效地使用着刀具c a d 技术，并带来了越来越大的经济效益【2 】。可以预 料，不久的将来，刀具c a d 技术将会在刀具设计中迅速地普及和发展。 铲齿成形铣刀是一种广泛应用于机械行业、对各种成形表面或成形沟槽进行 铣削加工的专用刀具。由于铲齿成形铣刀用钝后，只需熏磨前刀面，刃磨方便， 因而生产中一般采用这种结构【3 1 。但这种结构的成形铣刀在实际使用中还存在如下 一些缺陷：( 1 ) 由于受传统制造技术的限制，铲齿铣刀的齿背曲线是阿基米德螺 旋线。切削刃磨损后无法补偿，因此铣刀用钝后其直径将减小，导致铣刀与工件 的中心距减小，加工出的工件形状将产生截形误差，重磨几次后就会因误差超大 河南理工大学硕士学位论文 而整体报废1 4 】：( 2 ) 铣刀需要在专用机床上进行铲齿、磨自0 加工，制造难度大，成 本高，铲磨的误差也大：( 3 ) 受铲齿工艺限制，铲齿铣刀顶刃后角都在9 。1 2 。， 由于刀具后角较小，切屑薄，精铣时导致后刀面刮擦严重，磨损很快；( 4 ) 受铲 齿工艺限制，铲齿铣刀一般采用高速钢制造，难以采用高性能硬质合金材料。鉴 于上述缺点，开发研制具有新型结构的铲齿成形铣刀十分必要。 在机械设计与制造工程中的许多领域，过去由于受传统制造技术的限制，理 论上应该用对数螺线的地方，却用了其它近似的曲线来代替，使得对数螺线的优 越性得不到充分发挥。随着现代先进制造技术的发展，曲线( 曲面) 难加工的问题 己迎刃而解，因而在新的形式下，重新探讨对数螺线及其性质，研究它在机械设 计与制造工程中的应用，具有非常重要的现实意义【5 】。 在机械加工中，铲齿成形铣刀的齿背曲线往往从制造方便出发，选择阿基米 德螺线，但阿基米德螺线不能保证在刀具重磨前刀面后，切削刃上各点的后角保 持不变。若改用对数螺线作为铲齿成形刀具的铲背曲线，则克服了阿基米德螺线 的不足，可使成形刀具在重磨后，后角始终保持不变，从而保证了刀具的切削性 能稳定 6 j 。 本文试研究开发的刀具c a d 系统，并不是传统的刀具设计流程的简单映像， 而是在充分利用最新计算机技术和设计理论的基础上建立起来的一个新系统，将 利用a u t o c a d 的内嵌编程语言v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o 咀) ，进行对数螺线 铲齿成形铣刀的c a d 开发。系统采用高度模块化的设计思想，利用面向对象的分 析方法建立刀具模型【7 】，有机地集成自动化与交互式的设计方法，可完成刀具设计 中的变参数设计和适应性设计，从而大大提高设计精度和可靠性，缩短设计周期， 有利于优化刀具参数、合理选用工装，促进加工水平的提高。此外，该铲逸成形 铣刀的刀刃廓形和刀齿廓形分别是由尽可能少的一组相切的圆弧拟合而成，因而 可以减小被加工工件的表面粗糙度，提高刀具的耐用剧酊。再加上改用对数螺线作 为铲齿成形铣刀的铲背曲线，这种新型结构的刀具将在一定程度上减少工件的形 状加工误差和表面粗糙度，使尺寸精度i t 控制在6 级以上，表面粗糙度r a 控制 在0 9 删左右。 1 2 我国刀具技术发展的现状分析 改革开放以来，我国的刀具技术取得了较大的进展，但同国外先进的刀具技 术相比较，仍然存在较明显的差距。我国硬质合金产量在国际上虽然名列前茅， 2 l 引言 但我国硬质合金刀具技术仍然相当落后，硬质合金刀材的利用率仍然过低。一些 先进刀具材料如陶瓷、涂层刀具、聚晶金刚石口c d ) 和聚晶氮化硼( p c b n ) 也应用很 少【9 1 。 我国工业生产刀具虽然历史悠久，但大多数沿用传统的设计、制造方法。“七 五”及“八五”期间，国内的生产刀具的厂家大多进行了不同规模的技术改造， 配备了c n c 机床、加工中心及图形工作站等，推动了国内刀具生产的发展1 0 。但 由于没有c a d c a m 技术上的支持，无法适应新产品开发的非标准订货的要求， 没有发挥出先进设备的应用潜力。实践证明，仅有先进的装备，不可能生产出先 进的刀具，必须有c a d c a m 技术上的支持；在增加设备投入的同时，必须相应 地做技术上的投入和人才素质的提高【1 。 1 3 国内外成形铣刀发展概况 当前机械加工总的发展趋势是提高效率、提高精度、提高自动化程度、降低 非切削所占用的辅助时间和降低材料的消耗量。这个总发展趋势反映在刀具方面， 就是开发新型刀具材料；改进、开发新型结构刀具；针对各种被加工材质，优选 最佳刀具材料，优选最佳几何参数，设计最佳刀具结构，以此来提高切削用量、 刀具寿命和加工精度【1 1 】。 从国内外近些年来铣削刀具的发展情况看，应用较多的是成形铣刀，其发展 主要体现在如下几个方面： 1 3 1 刀具结构的变化 先进制造技术的发展，推动了复合刀具的发展。目前，切削刀具采用多刀片 组合而成的方法是一种显著的进步，刀片的多样化丰富了切削刀具的适应性。刀 片更合理的结构设计和制造，又推动了其应用的发展；刀体的重复使用，节约费 用，降低了成本。 中南工业大学的傅戈雁和刘杰华教授研制了可补偿切削刃磨损的不铲齿成形 铣刀和转位式硬质合金不铲齿成形铣刀( 见图1 1 ) ，也就是装配式不铲齿成形铣 刀f 1 2 】。这种成形铣刀，是一种装配圆体成形车刀的成形铣刀，由铣刀盘、圆体成 形车刀、弹性夹套和锁紧螺母组成。圆体成形车刀由端面定位并靠螺母挤压弹性 夹套从而达到夹紧的目的。该结构刀具由于不受铲齿工艺的限制，仅需外圆磨削( 与 圆体成形车刀加工工艺一样) ，因而可采用大直径砂轮磨削加工，刀具后刀面磨削 1 引言 但我国硬质合金刀具技术仍然相当落后，硬质合金刀材的利用率仍然过低。一些 先进刀具材料如陶瓷、涂层刀具、聚晶金刚石( p c d ) 和聚晶氮化硼( p c b n ) 也应用很 少吼 我国工业生产刀具虽然历史悠久，但大多数沿用传统的设计、制造方法。“七 五”及“八五”期间，国内的生产刀具的厂家大多进行了不同规模的技术改造， 配备了c n c 机床、加工中心及图形工作站等，推动了国内刀具生产的发展1 “。但 由于没有c a d c a m 技术上的支持，无法适应新产品开发的非标准订货的要求， 没有发挥出先进设备的应用潜力。实践证明，仅有先进的装备，不可能生产出先 进的刀具，必须有c a d c a m 技术上的支持：在增加设备投入的同时，必须相应 地做技术上的投入和人才素质的提高1 “。 1 3 国内外成形铣刀发展概况 当前机械加工总的发展趋势是提高效率、提高精度、提高自动化程度、降低 非切削所占用的辅助时间和降低材料的消耗量。这个总发展趋势反魄在刀具方面 就是开发新型刀具材料；改进、开发新型结构刀具；针对各种被加工材质，优选 岛佳刀具材料，优选最佳几何参数，设计最佳刀具结构，以此来提高切削用量、 刀具寿命和加工精度叫。 从国内外近些年来铣削刀具的发展情况看，应用较多的是成形铣刀，其发展 主要体现在如下几个方面： 1 3 1 刀具结构的变化 先进制造技术的发展，推动了复合刀具的发展。目前，切削刀具采用多刀片 组合而成的方法是一种显著的进步，刀片的多样化丰富了切削刀具的适应性。刀 片更合理的结构设计和制造，又推动了其应用的发展；刀体的重复使用，节约费 用，降低了成本。 中南工业大学的傅戈雁和刘杰华教授研制了可补偿切削刃磨损的不铲齿成形 铣刀和转位式硬质合金不铲齿成形铣刀( 见图1 1 ) ，也就是装配式不铲齿成形铣 刀1 1 2 l 。这种成形铣刀，是一种装配圆体成形车刀的成形铣刀，由铣刀盘、圆体成 形车刀、弹性夹套和锁紧螺母组成。圆体成形车刀由端面定位并靠螺母挤压弹性 夹套从而达到夹紧的目的。该结构刀具由于不受铲齿工艺的限制仅需外圆磨削( 与 圆体成形车刀加工工艺一样) ，因而可采用大直径砂轮磨削加工，刀具后刀面磨削 圆体成形车刀加工工艺一样) ，因而可采用犬直径砂轮磨削加工，刀具后刀面磨削 l 引言 但我国硬质合金刀具技术仍然相当落后，硬质合金刀材的利用率仍然过低。一些 先进刀具材料如陶瓷、涂层刀具、聚晶金刚石口c d ) 和聚晶氮化硼( p c b n ) 也应用很 少【9 1 。 我国工业生产刀具虽然历史悠久，但大多数沿用传统的设计、制造方法。“七 五”及“八五”期间，国内的生产刀具的厂家大多进行了不同规模的技术改造， 配备了c n c 机床、加工中心及图形工作站等，推动了国内刀具生产的发展1 0 。但 由于没有c a d c a m 技术上的支持，无法适应新产品开发的非标准订货的要求， 没有发挥出先进设备的应用潜力。实践证明，仅有先进的装备，不可能生产出先 进的刀具，必须有c a d c a m 技术上的支持；在增加设备投入的同时，必须相应 地做技术上的投入和人才素质的提高【1 。 1 3 国内外成形铣刀发展概况 当前机械加工总的发展趋势是提高效率、提高精度、提高自动化程度、降低 非切削所占用的辅助时间和降低材料的消耗量。这个总发展趋势反映在刀具方面， 就是开发新型刀具材料；改进、开发新型结构刀具；针对各种被加工材质，优选 最佳刀具材料，优选最佳几何参数，设计最佳刀具结构，以此来提高切削用量、 刀具寿命和加工精度【1 1 】。 从国内外近些年来铣削刀具的发展情况看，应用较多的是成形铣刀，其发展 主要体现在如下几个方面： 1 3 1 刀具结构的变化 先进制造技术的发展，推动了复合刀具的发展。目前，切削刀具采用多刀片 组合而成的方法是一种显著的进步，刀片的多样化丰富了切削刀具的适应性。刀 片更合理的结构设计和制造，又推动了其应用的发展；刀体的重复使用，节约费 用，降低了成本。 中南工业大学的傅戈雁和刘杰华教授研制了可补偿切削刃磨损的不铲齿成形 铣刀和转位式硬质合金不铲齿成形铣刀( 见图1 1 ) ，也就是装配式不铲齿成形铣 刀f 1 2 】。这种成形铣刀，是一种装配圆体成形车刀的成形铣刀，由铣刀盘、圆体成 形车刀、弹性夹套和锁紧螺母组成。圆体成形车刀由端面定位并靠螺母挤压弹性 夹套从而达到夹紧的目的。该结构刀具由于不受铲齿工艺的限制，仅需外圆磨削( 与 圆体成形车刀加工工艺一样) ，因而可采用大直径砂轮磨削加工，刀具后刀面磨削 一 鎏宣望三查堂堡主堂垡堕奎 质量高a 而且该种铣刀的后角可较大，刀具的耐用度高。由于其刀刃部分是装配 在刀盘上的圆体成形车刀，加工时勿需铲齿，制造工艺简单。铣削实验结果表明， 该铣刀的切削刃磨损后可实现连续调节补偿，经反复刃磨后，其刃口各点的相对 坐标及刀齿、刃形、后角等参数均不会发生变化，从而可避免被加工工件产生截 形误差，可显著提高刀具使用寿命，节省刀具材料，降低加工成本，特别适合精 铣工序。由于制造圆体成形车刀时仅需外圆车削或磨削加工，因此可以采用高性 能硬质合金材料制造，从而制作出高性能的硬质合金成形精铣刀。 图1 1 装配圆体车刀的不铲齿成形铣刀结构 f i g 1 ls t r u c t u r eo f n o n r e l i e v i n gs h 印e dm i l l i n gc 蚍e r 鹊s e m b l e dw i t hc i r c u l a rm m i n g t o o l 山东工程学院院报上刊登的论文盘状齿轮成形铣刀后刀面曲线分析， 从理论上提出以对数螺线作为盘状齿轮成形铣刀齿背( 后刀面) 曲线的应用实例【l ”。 这样可保证重磨前刀面后，切削刃廓形不变，切削刃上各点的后角保持不变。对 数螺线的实现，虽难以用离散点坐标插补方法加工，但用工业控制计算机或是系 统计算机做控制机的数控机床可设计加工对数螺线的控制程序，加工出对数螺线。 1 3 2 刀具加工方法的变化 用高速钢制作的成形铣刀一般是整体式成形铣刀，这种铣刀的齿背铲磨复杂， 相邻刀齿易发生干涉，致使铲磨必须采用直径较小的砂轮【l 舢。为了不使砂轮磨损 太快，需要采用硬度较高的砂轮，而这种砂轮容易被腻塞，从而产生极高的表面 温度，使刀齿的强度降低，影响刀具的使用寿命。 大连铁道学院和大连组合机床研究所工艺室研制的装配式圆磨成形铣刀可以 使用较大直径的砂轮进行磨齿，圆磨法成形铣刀与圆磨法滚刀相似【15 1 ，在结构上 属镶齿刀具的范畴，与铲齿铣刀相比，其优点除可简化刀具制造工艺外，还可显 著降低刀具切削刃齿背的粗糙度。圆磨法用于大直径成形铣刀的制作，不仅节约 l 引言 了高速钢材料，改善了铣刀片的金相组织，使刀片锻造和热处理质量提高，而且 可获得较大的顶刃后角，刀齿侧刃上有足够的法后角，从而提高了刀具的耐用度。 圆磨法成形铣刀形成后角的原理如图1 2 所示。加工刀片时，将刀齿偏离中心b 置于工艺刀体中，如图1 2 a 所示，其圆心为0 1 ，半径为r 1 。在车床和磨床上加 工好刀片后再将刀片装到铣刀体槽中，如图l 一2 b 所示，o 为铣刀圆心，r 为铣刀 半径。装入刀片后在铣刀两端定位和夹紧，得到铣刀后角d ，甜。在数值上等于工 艺刀体中直线a o l 与刀片前刀面a o 的夹角，这就是普通圆磨法成形铣刀形成后 角的原理。采用圆磨法加工齿背，还可以将计算机算出的复杂刃形曲线直接输入 数控机床进行车削和磨削。这样就能加工出精确的齿廓形状，并可获得高质量的 齿背表面，使铣刀的制造精度大大提高。 爹黟 ( a ) 刀片在工艺刀体中位置 ( b ) 刀片在铣刀体中位置 图l 一2 圆磨法铣刀后角形成原理 ( a ) p o s i t i o nc u t t e rb l a d ei nt h ep r o c e s s i n gc u 仳e rb o d y ( b ) p o s i t i o nc 诚e r b l a d ei nn l ei n i l l 吨c u r b o d y f 逸1 2 1 1 1 e o | yo f f o n n i n g t h e m i l l j n gc u 仕e r r e l i e f a n g l e b ym e 叩s o f c h u l 鲥n d i n g 1 3 1 3 刀具材料的变化 刀具材料是决定刀具性能的关键，高速钢因工艺性好而在制作复杂刀具方面 应用较多，目前国外在制造复杂刀具时大都采用粉末高速钢和高性能高速钢，且 尽可能地使用硬质合金刀具材料及涂层技术。日本三菱公司开发的新的c v d 涂层 技术，其涂层厚度达1 2 j 册，为一般c v d 涂层的几倍。因而刀具的耐用度和寿命 得到了较大的提高。美国k e t l l l a m e t a l 公司开发的k c 系列产品如k c 7 2 5 m 、k c 7 9 2 m 等牌号的硬质合金涂层刀片，其耐热、耐磨性均很高。德国1 9 9 5 年开发的以m o s 2 为涂层材料的软涂层新工艺，无论是切削性能还是刀具寿命均远远高于只涂1 讯 或t i c n 的刀具。由于刀具的材料和性能不断改进，美国、德国、日本、瑞典等发 达国家都已生产出了性能优良的整体硬质合金成形铣刀，制作精度高“- 塑壹望三奎兰堡主堂堡造壅 我国在刀具材料开发方面已有长足进步，开发出了包括c v d 金刚石薄膜在内 的涂层刀具和厚膜金刚石刀片、t i c 、t i n 基硬质合金( 金属陶瓷) 、梯度结构硬质 合金、a 1 2 0 3 基复合陶瓷和s i 3 n 4 基陶瓷、聚晶人造金刚石( p c d ) 、聚晶立方氮化 硼( p c b n ) 和超细晶粒硬质合金等各种新型刀具材料，并可实际应用于高速切削 和干切削等加工场合。目前我国绝大部分成形铣刀还是采用普通高速钢制造。在 刀具的涂层技术方面，国内一般是采用单层涂层技术1 6 1 。 此外，由我校课题组承担完成的河南省科技攻关项目“硬质合金精密成形刀 具的c a d c - m 技术研制”( 项目编号：0 0 1 1 4 0 4 2 5 ) 【1 ”，采用硬质合金作为成形 刀具材料，计算机辅助技术为核心，完成了成形车刀、成形铣刀c a d c a m 系统 的开发、成形刀具的试制、切削性能实验、切削力经验公式的建立等重要工作。 切削实验表明，该技术大大提高了设计效率和工件加工精度，减轻了劳动强度， 降低了成本，具有重要的实际意义和经济价值。图1 3 为开发研制的，= o o 的硬 质合金成形铣刀的装配图，l 代表成形铣刀刀体，2 代表焊接于成形铣刀上的硬质 合金刀片。 图1 3 0 = 0 0 的硬质合金成形铣刀的装配图 f i g 1 3a s s e m b l yd i a g r a mo f t h ec 咖e n t e dc a r b i d es h 印e dm i l l i n gc u 仕e rw mr ，= o o 总的来说，国外工业发达国家在刀具开发方面一直处于领先地位，其产品品 种多，规格齐全。国外的刀具生产厂商注重产品结构和刀具材料的改进，注重根 据用户的条件，选择最佳的材料、结构和几何参数，因而不断有切削性能更好的 产品推出。另外，发达国家借助先进的制造手段，普遍采用高精度、高技术的多 轴数控设备及加工中相应的测量、检测等先进辅助设备，使产品的外形精度高， 6 l 引言 刀具各部分的几何关系严格、合理，切削性能好、加工质量高、寿命长。 1 4 国内外刀具c a d ，c a m 技术发展现状和趋势 以c a d c a m 技术和现代机械加工设备为核心的现代化刀具制造系统，为刀 具的制造与发展提供了有效的途径，它对提高刀具的制造质量、品种发展及开发 新市场等方面均起着重要的作用。因此，广泛应用c a d c 妯江一体化技术，对振 兴我国刀具行业，参与国际竞争，都有着重要的意义。 当今，工业发达国家生产厂商不断采用、更新数控机床和加工中心，并跟踪 c a d c a m 的最新技术，不断增强其产品在市场上的应变能力和开发能力，推动了 刀具c a d c m 的广泛应用。尤其近几年，图形工作站和图形处理能力较强的高 档微机的大量涌现，以及c a d c a m 商品化软件的不断完善，极大地促进了刀具 c a d c 触诅技术后援，各种高质量、高难度的刀具层出不穷，使刀具的开发、生产 及应用达到了个崭新的水平。 在铲齿成形铣刀的计算机辅助设计与制造方面，人们更多的是将a u t o c a d 作 为开发平台，利用a u t o l i s p 语言编制程序，由工件廓形反求出刀刃廓形进行刀具 设计，而与计算机辅助制造结合较少，这也是企业应用c a d c a m 效益不明显的 一个原因。c a d 为c _ k m 准备了数学模型和有关的数据，而c a m 才是c a d 的目 标，只有实现了c a m ，c a d 才能真正发挥其效益。数控加工是我国一项相对薄弱 的环节，与发达国家有较大差距。丽我国机床工具行业长期以来重主机、轻工具， 在发展战略上数控刀具与数控机床的发展严重脱节，使我国工具技术的发展和行 业水平与现代制造业的要求相去甚远。因此，开发研究与推广应用c a 胼c a m 技 术，扩大c n c 机床及加工中心的使用，是改变我国刀具生产与应用落后面貌的一 项重要举措i i ”。 1 5 成形铣刀铣削力的研究状况 由于成形铣刀的应用广泛，人们在研究成形铣刀结构的同时，对铣削力的研 究也给予了足够重视。要想全面地对铣冉0 过程进行分析研究，必须针对铣削过程 的特点，如铣削时，主切削力的幅值和方向都在连续地发生变化，而铣削力对铣 削过程、机床结构乃至刀具寿命都有很大的影响，所以必须对动态铣削力的变化 规律进行研究 1 8 】。近年来，随着计算机技术、加工过程的自动控制的发展，铣削 力己成为对铣削过程进行适应控制的反馈参数。对铣削力进行测试和研究，可为 河南理工大学硕士学位论文 新材料、新刀具和新工艺的开发与应用提供科学的理论依据和合理的加工参数。 在这一研究中，不但要求人们能在现场对铣削力进行测量，更需要掌握铣削力的 精确表达式，但是由于成形铣刀的铣削属于不连续切削，加工时，切削厚度和切 削力的大小都在不断地发生变化，所以分析和计算铣削力是比较困难的。随着主 控机主频和内存容量的不断提高，人们开发出了适合现场使用、自动化程度较高 的铣削力实验数据处理软件，为铣削力的实验研究提供了可靠的依据1 9 】。 本文在对数螺线铲齿成形铣刀铣削实验的基础上，采用回归分析方法，建立 了成形铣刀的圆周分力和径向分力的经验公式。以此为依据，可预测铣刀在铣削 时铣削力的大小，避免铣削力过大引起的刀齿损坏，有关分析结果对铣刀的设计 及铣削参数的优化选择也具有一定的参考价值。 1 6 本文主要研究内容 本文主要立足c a d 技术，采用对数螺线作为铲齿成形铣刀的铲背曲线，以改 进和提高成形铣刀此类非标准刀具的设计效率、设计精度和制造精度，并通过铣 削实验，验证对数螺线铲齿成形铣刀重磨后的切削性能稳定性。 a u t o c a d 是目前应用最为广泛的通用交互式计算机辅助绘图与设计软件。本 文利用a u t o c a d 的内嵌编程语言v b a ，进行铲齿成形铣刀的c a d 开发，实现刀 具的参数化设计。结合所在实验室的设备条件，本课题着重研究对数螺线作为铲 齿成形铣刀的铲背曲线时，重磨铣刀前刀面后，铣刀的铣削力、工件的形状误差 和表面粗糙度的稳定性保持程度，并在相同的条件下与阿基米德螺线齿背的铲齿 成形铣刀进行对比分析。 本论文题目来源于河南省科技攻关项目“对数螺旋型面轴孔零件的加工技术 研究”( 项目编号：0 4 2 4 2 6 0 1 4 0 ) 课题研究内容的一部分。 本论文的主要研究内容是： ( 1 ) 对数螺线铲齿成形铣刀c a d 系统的建立； ( 2 ) 对数螺线铲齿成形铣刀的试制； ( 3 ) 对数螺线铲齿成形铣刀的切削性能实验； ( 4 ) 对数螺线铲齿成形铣刀铣削力的经验公式的建立； ( 5 ) 重磨铣刀前刀面后，两种不同铲背曲线的成形铣刀的切削性能稳定性的对 比分析。 ! 型墼竖丝垒茎堡望塑塞兰堡翌堡盐生塑鏖里 2 对数螺线及其在铲齿成形铣刀设计中的应用 对数螺线在自然界中随处可见，如蛛蜘网、向日葵花的种子排列形式、水流 的旋涡、蜗牛壳的螺纹以及星系内星球的分布等。早在十八世纪，瑞士数学家雅 可比伯努里，就曾致力于各种超越曲线的研究，特别是对数螺线在各种变换( 渐 屈、渐伸、垂迹、回光线) 下的不变性质【2 0 1 。由于对数螺线独有的性质，又使得 它在机械设计与制造工程中的许多领域，有着比其它曲线更多的优势。 2 1 对数螺线及其方程 从等腰直角三角形开始，在前一个三角形的斜边上画出直角三角形，各外围 线的长度均为1 单位，就可以形成近似曲线的对数螺线( 图2 1 ) ，也叫等角螺线口o 】。 这种曲线因它的性质而得名，因为自起始点画出的每一条辐射线与此曲线都是以 相同的角度相交的。 数学上，对数螺线定义如下【2 0 】：动点的运动方向始终与极径保持定角旯的动 点轨迹，称为对数螺线，如图2 2 所示。其极坐标方程为 p = 口p ” ( 2 1 ) 1 式中，a 、m 为常数( 旯= 缸c t a n 二) ，8 为极角，p 为极径。其直角坐标方程为 m x = 口已“。c o s 口 v 茸口e ”8s i l l 口 图2 1 近似曲线的对数螺线 f 唔2 - ll o g a r i t h m i cs p i r a jo f 印p r o x i m a t ec u r v e 9 ( 2 2 ) 弋 ，j泛 ( n 3 一口_ 一 图2 2 对数螺线 f 酶2 - 2l o g a r i t h m i cs p i r a l 河南理工大学硕士学位论文 2 2 对数螺线铲齿成形铣刀 在大批量的机械加工中，常用铲齿成形铣刀来加工成形表面或成形沟槽，如 用盘状齿轮铣刀铣齿等。这些刀具的齿背( 后刀面) 曲线，由于受传统制造技术 的限制，往往选择阿基米德曲线。而随着现代先进制造技术的发展，许多复杂曲 线的难加工问题已迎刃而解，因此，有必要从理论上研究齿背曲线的最佳线形， 以及在新的制造条件下，研究铲齿成形刀具的设计理论，以使得铲齿成形刀具在 重磨后，切削刃上各点的后角保持不变，从而保证刀具的切削性能稳定。 2 2 1 对铲齿成形刀具的理论要求 为保证加工精度和刃磨方便，铣刀的前角常作成零度，即前刀面在铣刀轴平 面上，并沿前刀面重磨。为使每次重磨后的刀刃廓形不变和切削刃上各点的后角 保持不变，理论上讲，成形刀具后刀面曲线应为对数螺线j 。 图2 3 刀齿的齿背曲线 图2 4 对数螺线参数的确定 f i g 2 3b a c kc u e o f t l l et o o t h f 追2 4c o n f i r m a t i o no f l o g a r i 廿l m i cs p i r a lp 甜a m 乩e r s 2 2 2 铲齿成形刀具齿背曲线的理想线形推导 根据重磨前刀面后，切削刃上各点的后角应保持不变的理论要求，铲齿成形 刀具理论上要求重磨前刀面后，刀具后角不变化。后角是后刀面与切削平面的夹 角，如图2 3 所示。设齿背曲线s 的方程为y = f x ) ，坐标原点o 为回转中心，a 点 为曲线上的任一点，其坐标为( x ，y ) ，0 a 与x 轴夹角为口，其斜率为t 趿口2 y x ， a n 为曲线s 在a 点的切线，它与x 轴之夹角为，其斜率为t a l l 尸；d y d x ；a b 是o a 的垂线，a b 与x 轴之夹角为r ，斜率为t a n ，显然，t a i l y t a i l 口一l ，即 t a l l y = x y 。根据后角的定义，有 t a n 口2 t a n ( ，一) 2 ；瑞2 c ( 常数) 2 - 3 ) 1 0 2 对数螺线及其在铲齿成形铣刀设计中的应用 将上述各量代入式( 2 3 ) ，可得微分方程 ( c 三一1 ) 掣：c + 三( 2 4 ) y y 解上述微分方程得： 1 1 1 0 阿= c a r c t a l l 兰+ d ( 2 5 ) 令g 。= _ j 为另一常数，将方程( 2 5 ) 化为极坐标方程，得 p = 妇“。( 2 6 ) 可见，铲齿成形刀具齿背曲线的理论线形应为对数螺线，其回转中心为极点。 2 2 3 铲齿成形铣刀齿背曲线为对数螺线时的参数设计 方程( 2 6 ) 中的c 、k 值在一定程度上决定铣刀参数( 如图2 4 ) 。由微分几 何学可知，曲线上任一点p ( x ，y ) 的切线与向量半径的夹角为 t a n 妒= 詈= 黔= 丢，即= 砌a n c z - ， p 点的后角口，由后角的定义可知， 口= 要庐，所以 t a n 口= c a r i ( 要妒) = c t a l l 妒= c ( 2 - 8 ) 可见，齿背曲线为对数螺线的铲齿成形刀具的后角为一定值。为保证刀齿强 度，顶刃后角不宜取得过大，一般为a = 1 0 。1 5 0 1 2 ，则按式( 2 8 ) 可得 c = o 1 7 6 加2 6 8 。 值的确定取决于铣刀的外径d 和刀齿数z 。对z 个齿的铣刀，取口：娶， 如图2 3 所示，则 坐 d = 2 妇“= 2 妇。 七：氅( 2 9 庀2 蕊 p 2 e 丁 2 2 4 铲齿成形铣刀齿背为对数螺线的加工 将普通铲齿机上推动铲刀运动的阿基米德螺线凸轮更换成对数螺线形凸轮 ( 其升程为铲削量七) ，即可完成对齿背的铲削或铲磨加工【2 2 1 。根据工作需要，我 们仿照精密铲齿车床c m 8 9 2 5 a 型的大、小铲程凸轮结构，设计出了如图2 - 5 所示的 河南理工大学硕士学位论文 工作曲线为对数螺线的凸轮。其中，工作曲线方程为p = 3 4 4 3 p o ”；回程益线方 程为p = 3 7 9 9 + 3 目3 6 0 3 s i n l 5 口。 对数螺线凸轮的加工，可以在数控加工中心上通过编制程序来完成，也可以 在电火花线切割机上来完成。用后者的方法，具体加工步骤是：先将对数螺线凸 轮的图形文件以+ d w g 格式保存，再将文件导入c 戕( 电子图版) 系统，然后 再以 i g e s 格式输出到线切割自动编程系统，就可以进行程序的编制。其过程如 下：指定欲加工的廓形曲线及走丝方向、加工侧边，并给出加工工艺参数，计算 机自动计算出走丝轨迹，给出走丝轨迹图形的文件名及文件格式，计算机自动生 成加工代码，即可进行加工。 图2 5 对数螺线凸轮 f i g 2 5c a i l l 谢t l l1 0 9 a r 曲m i cs p i r a l 2 3 本章小结 随着现代先进制造技术的发展，人们对复杂瞎线( 曲面) 的加工变得越来越容 易实现，因而将对数螺线的应用随之引向了更加广阔的领域。 在机械加工中，铲齿成形铣刀的齿背曲线往往从制造方便出发，选择阿基米 德螺线，但阿基米德螺线不能保证在刀具重磨前刀面后，切削刃上各点的后角保 持不变。本文改用对数螺线作为铲齿成形铣刀的铲背曲线，可使成形刀具在重磨 后，后角始终保持不变，从而保证了刀具的切削性能稳定。 3 参数化设计 3 参数化设计 传统的人机交互式绘图一般需要用精确的尺寸僮定义几何元素，而在工程设 计中，一方面，进行新产品设计需要反复修改，综合协调、优化零件结构和尺寸； 另一方面，同一种基本结构形式的零部件，图形结构具有一定的相似性。因此， 希望有一种比交互式绘图更方便、更高效、更适合结构相似图形绘制的方法。参 数化技术较好地解决了这一问题，在实际工程设计中得到了非常广泛的应用。 3 1 参数化设计概述 参数化设计是以一种全新的思维方式来进行产品的创建和修改设计的方法。 它用约束来表达产品模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够 通过调整参数来修改设计模型，并能方便地创建一系列在形状或功能上相似的设 计方案吲。 参数化设计方法大致可以分为尺寸驱动法、变量几何法和智能设计法。本论 文中的c a d 设计系统选用了尺寸驱动法。 尺寸驱动技术，就是根据尺寸约束，用计算的方法自动将尺寸的变化转换成 几何形体的相应变化，并且保证变化前后的结构约柬保持不变。一般用于结构形 状基本定形，可以用一组参数来约定尺寸关系的设计对象，比如生产中最常用的 系列化零件。实现尺寸驱动的关键在