滚切端铣刀刀体造型及其加工工艺设计.doc

目 录1 引言 11.1 本课题研究的目的和意义 11.2 本课题的国内外发展现状 12 端铣刀刀体造型与外观处理 32.1 端铣刀刀体造型设计 32.1.1 端铣刀造型现状 32.1.2 端铣刀刀体造型设计所用三维造型软件介绍 32.2 刀体表面处理技术 5 2.2.1 表面处理技术作用与分类 52.2.2 刀体表面外观处理方法 6 3 刀体加工工艺设计113.1 图纸与任务分析113.2 零件表面加工方法的选择123.3 加工工艺路线的制定和选择133.3.1 方案提出133.3.2 方案论证与选择173.3.3 确定机械加工余量183.3.4 工序设计183.3.5 切削用量的选择与计算194 160mm直径端铣刀刀体轴承孔加工专用夹具设计 224.1 机床夹具的组成224.2 加工轴承孔专用夹具设计方法与步骤 234.2.1 设计任务的分析 244.2.2 设计方案论证 245 结论28参考文献29致谢301 引言1.1 本课题研究的目的和意义近二十年，我国的刀具技术突飞猛进，在很多领域取得了非常大的进步，缩小了与发达国家的差距，某些方面甚至已经领先，但是也存在一些突出的问题1。例如，中北大学常兴教授进行了多年的研究，开发可一种滚切端铣刀，包括刀盘、刀架、轴承、轴和刀片，刀盘的平面上制有径向方向的长槽，刀架可在长槽中移动，调整径向位置。刀架的轴上制有外齿，套垫上制有内齿，转动套垫可得到任意一刃倾角。在轴上装有圆形刀片，且可转动。铣削时，在分速度的作用下，刀片绕其轴线连续旋转，从而实现了刀片自动转位，虽然这种刀具有很大创新，解决了许多根本和关键性的问题，但也存在不足，主要表现在这种刀具的刀体是圆柱状的，显得笨重、浪费材料、造型不够美观、表面颜色单调，这些问题尽管不影响刀具的基本性能2，3。但是由于刀体造型和外观不理想，目前在市场推广方面的效果不太理想，所以要在刀体造型和外观方面进行改进，这对于日后相关产品的开发和应用有着重要的意义4。1.2 本课题的国内外发展现状我国的刀具设计，制造技术进步很快，但是有很多薄弱环节，存在重实用轻外观的思想，很多刀具的使用性能很好，但是由于刀体造型和外观的原因，使我国刀具的市场化推广受阻5。目前，一些科技工作者已经意识到了这种问题，开始重视外观设计并已经开发出多种表面处理技术，其中涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期。涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一，通过涂层可以提高切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高金属切削效率6。今天，在切削刀具主流材料的硬质合金中，涂层硬质合金刀具占了80%，而其中CVD（化学涂层）又占了6065%，其余为PVD（物理涂层）。其中化学涂层(CVD)可用于刀具刀体的涂层工艺，已开发出中温CVD、厚膜Al2O3、过渡层等新工艺，在改进基体材料的基础上，使CVD涂层的耐磨性和韧性均得到提高7。物理涂层(PVD)的进展也尤为引人注目，在涂层炉结构、工艺过程、自动控制技术等方面都取得了新进展，不仅开发了适用于高速切削、干切削、硬切削的高耐热性涂层以及综合性能更好的TiAlCN通用涂层和DLC、W/C减摩涂层，而且通过对涂层结构的创新，开发了纳米、多层结构，大幅度提高了涂层硬度和韧性。 PVD涂层技术的新进展，显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势，通过对涂层工艺参数的控制和对靶材、反应气体的调整，可不断开发出新的高性能涂层，以满足加工多样性的需要。涂层技术将成为提高和改善刀具性能的捷径，有着十分广阔的应用前景8日本的石田株式会社2006年6月28日在会社下属的泰荣产业研修中心举办了最新产品：超高亮度金属涂料（金属星）现场会，多家日本喷涂商参加了本次演示会。具有自修补功能的超高亮度金属涂料（金属星）可广泛应用于汽车轮毂片，汽车、工程车外涂装以及各种零部件的涂饰，这项技术填补了日本国内金属光泽涂饰依靠进口特殊装备的空白，受到业内人士的一致好评9 第 13 页 共 14 页2 自滚切端铣刀刀体造型与外观处理2.1 端铣刀刀体造型设计2.1.1 端铣刀造型现状 刀体有圆锥形，短圆柱与锥体、短圆柱与圆弧过渡等造型，图2.1、2.2是德国某著名刀具开发商所设计的刀体造型，与国内同类的铣刀刀体相比（见图2.3），这些刀具不但重量较轻、节省材料，而且外形美观。 图2.1 端铣刀外形图图2.2端铣刀外形图图2.3 端铣刀外形图2.2 刀体表面处理技术2.2.1 表面处理技术作用与分类 1、表面处理技术的作用11，12 表面处理技术的作用是多种多样的，但其最主要的作用为提高全属机件的耐蚀性、耐磨性及获得电、磁、光等功能件表面层，另一个作用是为了表明外观的装饰性，易于受到消费者的喜爱。表面处理的主要作用可概括为：(1)腐蚀保护性 即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱的腐蚀作用。(2)抗磨性 包括抗磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如在刀具表面镀上一层TiC、TiN或A12O3薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，可提高刀具寿命36倍。(3)电性能 包括绝缘性、导电性等。(4)耐热性 包括抗高温氧化、热疲劳等性能。(5)光学特性 包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。(6)电磁特性 包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。(7)密封性。(8)装饰性 包括染色性、光泽性等性能。(9)其它表面特性 诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。 2、表面处理技术的分类（1) 电镀 包括合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀、非金属电镀等。（2) 涂装 包括特殊用途及特殊类型的新涂料及新的涂装工艺。（3）热喷涂 包括火焰丝材喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。（4）热渗镀 分固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗。其中液体渗中包含一种覆层和渗镀结合一起的技术，称为热浸镀，热浸镀只用于低熔点金属或合金。（5）化学转化膜 包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜等。（6）彩色金属 包括电化学着色、化学着色及染料染色。（7）气相沉积 分为化学气相沉积和物理气相沉积。（8）三束改性 包括离子束技术、电子束技术和激光束技术。上述的各种表面处理技术都可以用于刀体的表面外观处理。2.2.2 刀体表面外观处理方法 1、刀体电镀铜和仿金电镀14，15铜是金黄色富有延展性的金属，铜有良好的导电性和导热性，铜柔软、易抛光，延展性好。铜镀层易抛光，结合力好，因此在工业上用途广泛，涂覆透明的有机涂层或经适当的化学处理，可以得到本色、铜绿色、古铜色、黑色等装饰效果。镀铜是使用最广泛的一种预镀层，用来改善镀层的结合力。在刀体上镀铜所需要的镀铜溶液：氰化物镀铜。氰化物镀铜应用极广，其溶液均镀能力好，沉积速度较快，镀液容易控制且技术成熟。氰化物镀铜液配方及电镀工艺见表2.1和表2.2，镀液配方及电镀时应注意：1)阳极要挂部分钢板作不溶性阳极，使阴、阳极电流效率大体相等。含酒石酸盐的镀液可不用钢板或只使用510的钢阳极，但应使阳极面积是阴极面积的2倍。高效率氰化物镀液阳极与阴极面积之比可大于4：l。2)含洒石酸盐的镀液耍严格控制pH值，一般在12.212.8之间，当pH值过高时，可用硫酸氢钠调整。3)过多的碳酸盐会缩小电流密度范围，降低阴极效率，溶液粘度增大。一般镀液碳酸钠含量不应超过6075g/L。高效率镀液碳酸钠不超过90g/L。3 刀体加工工艺设计3.1 图纸与任务分析如图3.1所示，刀体是带有凸台的圆饼形状，材料为40Cr,属于合金结构钢，抗拉强度为b=980Mpa,硬度为HB163-168。用高速钢刀具加工时，材料40Cr的相对切削性等级Kr=0.95,属于普通材料。为了节省材料和提高刀体的强度，毛坯宜选有凸台的模锻件，刀体加工中主要尺寸有60的孔，128.57、深13mm的孔，165、深25mm的孔，4个17的螺纹安装孔。这些孔可采用钻削和镗削获得，从加工经济精度分析，60和128.57的孔要求的精度较高，可采用精磨获得。键槽25.4mm27mm和排削槽可采用铣削得到，6个安装刀片的轴承安装孔可采用专用的回转式夹具，通过钻削获得。从刀体的端面和外圆表面所要求的精度不高，只需要半精车即可达到要求。刀体上的孔60 0+0.025 作为设计基准，为避免由于基准不重合而产生的误差，应选此孔为定位基准，即遵循“基准重合”的原则。加工刀体端面和外圆时，基准的选择可采用互为基准的原则。对于同轴度和垂直度要求较高的孔尽量选用精基准。工序顺序的安排上应先加工表面，后加工孔，但是对于刀体上的轴承安装孔，由于要使用专用夹具，可放在靠后的工序中加工。另外，铣刀刀体是小批量生产，为了使每个工序使用的设备和夹具比较简单，调整和对刀比较容易，可采用工序分散的原则15。3.2 零件表面加工方法的选择 60内孔：公差为0.025mm，表面粗糙度为1.6um，要求较高，需要粗镗，半精镗、精镗或精磨。 128.57、深13mm的孔：公差为0.04mm，表面粗糙度为1.6um，需要粗镗、半精镗、精镗或精磨。 165、深25mm的孔：未标注公差等级和表面粗糙度，粗镗和半精镗即可。17的螺纹安装孔：未标注公差等级和表面粗糙度，只需要用麻花钻钻孔即可。键槽25.4mm27mm：公差分别为0.25mm和0.5mm，未标注表面粗糙度，需要粗铣和半精铣。凸台端面170，由于要和刀柄相连接，需要一定的表面精度，故需要精磨。 凸台外圆和大圆外圆：未标注公差等级和表面粗糙度，需要粗车和半精车。 大圆端面：未标注公差等级和表面粗糙度，只需粗车和半精车即可。3.3 加工工艺路线的制定和选择3.3.1 方案提出 铣刀刀体毛坯经过加热锻造后，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度，故这里选用有凸台的模锻件。毛坯经过粗车和半精车得到图纸所需要的外形尺寸，凸台直径170、长度为15mm，刀体大外圆直径为297，长65mm，由于端面和外圆都需要经过粗车和半精车，粗车所有外圆及其端面时选定的切削深度都为=3mm，半精车端面时取=1.5mm，半精车外圆取=2mm,且都走刀一次，可通过余量公式计算的毛坯的尺寸为凸台19.5mm180、大圆柱69.5mm307。 1、方案一拟定的加工工艺路线如下表1：3.3.2 方案论证与选择 1、加工方法和工序顺序比较 方案一和方案三的加工路线都能够达到图纸所要求的尺寸和表面粗糙度，但是方案三加工孔时用的是精镗，精镗一般用于大批量生产，而本刀体加工属于小批量生产，故采用精磨较为合适。方案一和方案二只是工序顺序上安排不一样，方案一是先进行调质，后精镗、精磨内孔，而方案二先进行精镗和精磨内孔，再调质处理，由于调质虽然提高了刀体的强度和硬度，同时也会导致刀体形状的改变，若先精镗和精磨内孔，后调质处理，会破坏孔的同轴度和垂直度，从而达不到图纸的形位公差要求。分析可得，方案一为最佳选择。 2、工艺方案的技术经济对比 以经济性作指标对比工艺方案，即工艺成本可作为衡量各种工艺方案经济性的依据。各方案的取舍与加工零件的年生产纲领有密切关系。临界年产量由计算确定：4 160mm直径端铣刀刀体轴承孔加工专用夹具设计4.1 机床夹具的组成机床夹具虽然分成各种不同的类型，但它们的工作原理基本相同。如将各种类型的夹具中作用相同的元件或机构加以概括，则可以得出夹具一般共有的几个组成部分，这些组成部分既互相独立又互相联系17，18，19，20。 1定位装置这种装置包括定位元件或元件的组合其作用是确定工件在夹具中的位置。2夹紧装置这种装置包括夹紧元件或其组合以及动力源。其作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受力而产生位移，同时防止或减少振动。3导向、对刀元件 这类元件用于引导刀具或确定刀具与被加工面之间的正确位置。4连接无件这类元件用乎确定夹具本身在机床上的位置并与机床连接。例如夹具与机床工作台(铣,刨、钻、等)连接的定向键或与机床主轴(车、磨床等）连接的锥柄等。5其它装置或元件这类装置或元件主要有分度装置、靠模装置、上下料装置等。6夹具体夹具体是夹具的基座和骨架，用来连接或固定各元件，使之成为一个整体。4.2 加工轴承孔专用夹具设计方法与步骤图4.1 刀体加工工艺图纸 本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，精通各类机械设计，服务质量优秀。可全程辅导毕业设计，知识可贵，带给你的不只是一份设计，更是一种能力。联系方式：QQ712070844，请看QQ资料。5 结论本课题主要是滚切端铣刀刀体造型的设计和刀体表面外观的处理，目前端铣刀刀体结构和造型比较单一，刀体外观美观性较差，影响了刀具的市场摧广，本课题有助于提高端铣刀造型和外观的美观性，对端铣刀的市场推广有重要意义。本文重点阐述了用先进的三维造型软件solidworks设计端铣刀刀体，用现代表面处理技术电镀、着色等方法对刀体表面进行处理，以获得色彩绚丽，有金属光泽的刀体表面，并且设计了端铣刀刀体加工工艺和加工端铣刀刀体轴承孔的专用夹具。本文存在的问题是设计刀体加工工艺时工艺路线较长，设计端铣刀刀体轴承孔专用夹具是夹具的精度要求考虑的较少，对加工出来的刀体轴承孔有一定的影响。经过近几个月的学习和工作，我比较系统地学习了SOLIDWORKS、AUTOCAD等绘图软件，使自己的绘图能力和立体空间思维能力大有提高，弥补了自己实际应用能力不足的缺陷。在做刀体加工工艺和夹具设计时，我通过各种途径查阅了大量资料，很好地锻炼了自己搜集资料和信息的能力，并重新温故了当初学习的相关课程，使自己的理论水平有所提高。 另一点让我感触深刻的是，常老师经常提醒我要以一名科技工作者的身份来看待自己，而不是以学生自居，要养成作为一名技术人员所必需的认真、负责、一丝不苟的工作和学习态度，这对我日后的学习、工作大有帮助。参 考 文 献1 孙大涌主编.先进制造技术.北京：机械工业出版社，1999.7252 乐兑谦.金属切削刀具.北京：机械工业出版社，1993.15253 徐宏海主编.数控机床刀具及其应用.北京：化学工业出版社，2005.50364 王贵成，王树林，董广强.高速加工工具系统.北