通用型阶梯式可转位端铣刀设计与制造(含图纸).doc

通用型阶梯式可转位端铣刀设计与制造摘要：本设计在阶梯切削法原理的基础上，采用径向错移量较大的单组阶梯式铣削方法，进行阶梯式可转位端铣刀的结构设计，并收集大量的资料来证明该刀具的可行性，为促进中小企业顺利推广刀具可转位技术开辟了一条新途径。关键词：阶梯切削法；刀具可转位技术；径向错移量Design and manufactureon the Universal Indexable Step Face Milling CutterAbstract: This design base on the principle of step cutting，adopting the single-group step milling method of a bigger radial shift，going to design the structure of the step indexable face milling cutter，and collecting a large number of materials to prove that is usable，to open a new way for promoting the small or medium-sized enterprises to popularizing the indexable technology of the cutting tool smoothly.Key words: step cutting method indexable technology of the cutting tool radial shift目 录引言 （1）一、本阶梯式铣刀主要尺寸参数及结构类型选择 （2）1 使用条件 （2）2 铣刀公称直径 （2）3 铣刀刀削角度类型和特点 （2）4 铣刀主要结构型式 （3）5 确定铣刀类型 （3）二、设计计算 （3）1 铣刀刀具切削角度选定及计算 （3）2 各刀齿轴向错移量X和齿数Z （5）3 各刀齿径向错移量R （6）4 各刀齿圆周分布顺序的确定及等分齿距问题 （7）5 小刀齿结构参数的确定 （8）6 楔铁尺寸参数 （10）7 差动螺丝长度 （11）8 刀体及槽尺寸参数计算 （12）三、工艺流程卡 （19）1 刀体工艺表 （19）2 刀体工艺卡 （19）四、相关专用夹具的设计 （30）1 问题的提出 （30）2 夹具设计 （30）3 铣床夹具的装配图 （31）五、经济性分析 （32）1 阶梯式可转位端铣刀的切削对比实验 （32）结论 （35）参考文献 （36）引言端铣刀是加工平面的最常用刀具之一，在实际机械加工生产中，端铣刀的普及使用越来越广泛。上个世纪七十年代后，国家经委和机械工业部大力推广运用硬质合金端铣刀可转位技术，因此得到了更广泛的运用。但是，由于生产的传统性和技术推广的限制性，目前国内大多数的中小机械企业仍然沿用传统的机夹焊接式端铣刀，机夹焊接式端铣刀存在着以下两个缺点： 1、由于机夹焊接式端铣刀的刀片少，所以能承受的切削力少，背吃量小，加工效率低。2、加工时，每块刀片的刀刃都在同一个圆周上，一旦其中的一块刀刃磨损，就要将各刀片重磨，使各刀刃重回同一圆周上方能加工，这就要花费一定的时间用于重磨刀片，降低了加工效率，如果不进行刀片重磨，就会使得各刀刃上的受力不均，严重影响加工精度并使得刀片更易磨损和磨钝，增加了加工的使用费用。推广使用可转位端铣刀可以解决上述问题，但在我国内，出售的可转位铣刀其各刀尖之间的位置公差要求较严格，刃磨需要专用机床，因此使用费用较高，难于在中小型企业中大面积推广。因此特别需要进行通用型阶梯式可转位端铣刀的设计与制造。本端铣刀不同于普通可转位端铣刀，也不同于普通阶梯式端铣刀，在结构上有其独到和新颖之处，其设计和计算只能借助现有资料，必须结合实际作出创新性的处理。本端铣刀有以下的优点：1、该刀具将阶梯切削法引入可转位端铣刀的设计之中，采用径向错移量较大的单组阶梯铣削法，这可以降低各刀尖之间位置公差要求，能够直接装夹不经磨制的可转位铣刀片，大大节省了更换刀具的时间。2、允许手工磨砺，使用方便，从而可大大降低加工成本，有利于中小型企业推广硬质合金可转位技术。有着广大的市场效益。一 本阶梯式铣刀主要尺寸参数及结构类型选择1、使用条件 主要用户：普通中小机械厂或有关维修车间主要设备：立铣X52工件材料：一般碳钢件，灰铸铁件。2、铣刀公称直径 由于铣刀安装费时费力，要考虑通用性较好，并符合直径系列，取较大的直径：，本设计取的公称直径。3、铣刀刀削角度类型和特点 根据一般用途的可转位端铣刀，其切削角度有三大类型：型（正前角正刃倾角型）：采用带后角刀片，每片可用刃数少。这种铣刀楔角小，具有锋利的切削刃。由于切屑收缩比小，所耗切削功率较小，切屑成螺旋状排出，不易形成积屑瘤。但抗冲击强度差，这种铣刀最宜用于软材料和不锈钢、耐热钢等材料的切削加工。对于刚性差(如主轴悬伸较长的镗铣床)、功率小的机床和加工焊接结构件时，也应优先选用双正前角铣刀。 型（正前角负刃倾角型）：采用带后角刀片，每片可用刃数少；这种结构的铣刀综合了双正前角和双负前角铣刀的优点，轴向正前角有利于切屑的形成和排出；径向负前角可提高刀刃强度，改善抗冲击性能。此种铣刀切削平稳，排屑顺利，金属切除率高，适用于大余量铣削加工。但负后角偏大，刃口变弱。型（双负前角）：采用不带后角铣刀片毛坯，每刃可用次数多；刀刃强度好，不易崩刃打刀，适应性强，但切削力稍大。由于切屑收缩比大，需要较大的切削力，因此要求机床具有较大功率和较高刚性。由于轴向前角为负值，切屑不能自动流出，当切削韧性材料时易出现积屑瘤和刀具振动。作为系列化设计，三种型式都可考虑，但基于实际生产情况，中小型企业以推广使用型和型为好。4、铣刀主要结构型式4.1、该铣刀属粗齿结构，考虑便于制造，夹固可靠性，采用径向楔铁螺钉结构而不采用轴向夹紧方式。4.2、由于刀片毛坯厚薄不均，不宜采用后压式，以前压式为宜。4.3、考虑便于制造采用组装式刀体结构。4.4、本铣刀较普通可转位端铣刀在结构上作了如下的改正：4.4.1、采用双头差动螺丝代替左右螺丝，它具有制造方便，夹紧力大，刀体螺纹不易损坏的特点；4.4.2、刀垫采用可转位式，提高刀垫的使用次数；4.4.3、为了确保可靠夹紧毛坯刀片，刀垫底部中间有较大的孔，以保刀片边缘接触，楔铁边缘离主副刀刃距离减少，保证压紧可靠。5、确定铣刀类型 本设计确定为大直径第型双正前角端铣刀。二 设计计算1、铣刀刀具切削角度选定及计算1.1、刀具切削角度选定可转位铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。为满足不同的加工需要，有多种角度组合型式。各种角度中最主要的是主偏角和前角，前角已经定为双负前角，故在此重点讨论主偏角。主偏角为主切削刃与切削平面的夹角。可转位铣刀的主偏角有90、88、75、70、60、45等几种。主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。铣刀的主偏角越小，其径向切削力越小，抗振性也越好，但切削深度也随之减小90主偏角：在铣削带凸肩的平面时选用，一般不用于纯平面加工。该类刀具通用性好(即可加工台阶面，又可加工平面)，在单件、小批量加工中选用。由于该类刀具的径向切削力等于切削力，进给抗力大，易振动，因而要求机床具有较大功率和足够的刚性。在加工带凸肩的平面时，也可选用88主偏角的铣刀，较之90主偏角铣刀，其切削性能有一定改善。6075主偏角：适用于平面铣削的粗加工。由于径向切削力明显减小(特别是60时)，其抗振性有较大改善，切削平稳、轻快，在平面加工中应优先选用。60主偏角铣刀主要用于镗铣床、加工中心上的粗铣和半精铣加工；75主偏角铣刀为通用型刀具，可直接采用毛坯刀片，重磨后可以形成角，不致过小，切削比压最少，适用范围较广。45主偏角：此类铣刀的径向切削力大幅度减小，约等于轴向切削力，切削载荷分布在较长的切削刃上，具有很好的抗振性，适用于镗铣床主轴悬伸较长的加工场合。用该类刀具加工平面时，刀片破损率低，耐用度高；在加工铸铁件时，工件边缘不易产生崩刃。根据以上判断及实际加工经验，铣刀的主偏角取，此时副偏角。1.2、刀具角度换算（纵向前角）， （横向前角）， （主剖面前角），（主剖面后角）， （刃倾角）， （副剖面后角）计算公式： 其中： -刀片法向后角按第型（正前角及正刃倾角型），根据上述公式计算得：，2、各刀齿轴向错移量X和齿数Z铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径的可转位铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的可转位铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型：、粗齿铣刀适用于普通机床的大余量粗加工和软材料或切削宽度较大的铣削加工；当机床功率较小时，为使切削稳定，也常选用粗齿铣刀。、中齿铣刀系通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性。、密齿铣刀主要用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工。在专业化生产(如流水线加工)中，为充分利用设备功率和满足生产节奏要求，也常选用密齿铣刀。因此铣刀选用粗齿铣刀，齿数Z=6，而各刀齿轴向错移量mm。其分析理有如下：、必须大于各刀尖制造累积误差，以形成相应的阶梯（详细计算见后面）；、普通铸锻件表面不平均度约mm，避免减少最后刀齿切在硬皮上的可能性，X应大于0.6mm；、在余量一定时，X增大，Z减少，切削效率变低；、当X接近（每齿走刀量）时，其比能最少。一般中小厂，平面加工余量约6mm，综合以上原因取 X=1mm，Z=6。3、各刀齿径向错移量R3.1、最小理论错移量（为形成阶梯所必须的最小错移量）设铣刀主偏角，齿数4，为了使各阶梯切削表面前后相互衔接而又不重叠，其中间剖截形应如图2所示：显然： 式中：f - 铣刀每转走刀量， - 每齿计算走刀量，即相邻两齿间角角差所导致的附加减小量，若考虑 ，则应改成下式（图3）3.2、制造累积误差： 式中： -毛坯刀片边长偏差在径向的变化量 -由于手工磨砺不均匀性的偏差，取 -刀体槽高不均匀性偏差，取-包括刀尖轴向位移，主偏角，刀体径向振摆等引起刀尖轴向位置变化量，取0.3显然：即 设，则代入以上各式得：mm为安全起见，取mm。4、各刀齿圆周分布顺序的确定及等分齿距问题设最后形成加工表面的刀齿为，其它各齿依次为，（切毛坯表面的），则刀齿圆周分布有以下三种可能：顺序，交叉和对称（如图4）刀齿分布顺序影响铣削均衡率，该种端铣刀参加切削的倒齿数与工件加工余量有关，若余量为6，依次切深，有6个刀齿参加工作，若依次切深3，则只有三个刀齿（，）起切削作用，其余情况依此类推。如果设普通等分齿距铣刀均衡率为，则顺序分布均衡率为，交叉分布为，对称分布为66%。据上所述和实际生产经验可知，采用对称分布形式最为合理。此外，刀齿有等分齿距和不等分齿距问题，本铣刀采用等分齿距结构：、若刀体刀槽是等分的，由于各齿径向错移量较大，实际已属不等分齿距；、当切深不同时，也属于较大不等分齿距工作；、刀体做成不等分，制作困难些，特别是倒角部分。5、小刀齿结构参数的确定除考虑必要的切削角度、强度、刚度和制造要求外，应尽量采用通用性的原则，刀片当按相同尺寸设计。5.1、基本结构尺寸。见下图（图5）5.2、各刀齿的长度长度仅与刀号有关，各型刀体同一号采用同一长度，“”代表刀齿号，相邻号刀齿差值可由图6算出，取，则，。5.3、侧垫片厚度由图6可知，相邻齿之差值为齿号6，其垫片最薄，取10.6mm，则：，。6、楔铁尺寸参数：楔铁尺寸由，和组成的，它仅与尺号有关，与刀具直径和型式无关，以NO.1为基准，再计算其它齿号楔铁尺寸。由图7可知楔铁（NO.1齿） 宽度： 厚度： 宽度： 其它齿号尺寸分别按以下公式计算： 把已知数据，代入上面公式，计算结果如下：，7、差动螺丝长度当楔铁楔紧时，应保证螺钉头端面与楔铁上表面齐正。如图8所示。螺钉开始装配初始位置，螺钉头应高出楔铁，其值为：其中取，则各螺钉总长按公式计算得结果如下：，8、刀体及槽尺寸参数计算：8.1、NO.1和NO.6刀齿与刀体边缘尺寸的关系有关尺寸如图9所示。其中按下式计算（见图9）而：把，代入上面得：，8.2、刀槽斜角2（图10）根据一般资料可知（证明从略）； 代入型数值，可得：8.3、刀槽偏距和A由图10可知： 而 ，式中铣刀直径，而M=15将以上有关数值代入可算得： 型为： ，8.4、刀体外锥角由图11可知： 8.5、刀体刀槽高度H由图12可知下简称已知型数据为，代入整理可得： 8.6、刀体外缘各部分直径：由图12(见附表1)可知 将已知型数据为，, ,，代入可得：，8.7、刀体刀槽端面斜角 图13中DBE表示楔铁的法剖面，其斜角为，此即刀体刀槽的法向斜角，为了制造时便于分度头分度，必须算出刀槽端面斜角 将代入，得8.8、刀体刀槽轴向高度 由图14可知刀槽底角点K到刀体端面的垂直距离可按下式计算： 将已知型数据，代入上式，得： 8.9、刀体槽内圆端面槽宽q 为刀体内圆直径（图15），端面内圆槽宽q=，为此，只要求出点1和点2分别在xoy平面的平面的坐标位置，即可解得。 圆方程 直线方程 直线方程 联解(1)和(2)可得点1的坐标:，联解(1)和(3)可得点2的坐标： 再由下式求: 把已知型数据为，代入公式计算结果如下： 8.10、刀槽倒角计算 楔端刀体外圆倒角高度前由图16可知： NO.6： ， 将已知型数据代入可得 ， 其它齿号前后端倒角： 则其各齿号的前后端倒角为如下：, ，；， 由于各齿倒角大小不一样，为了减小铣刀不平衡的情况，应适当注意各刀齿沿圆周的布置方式。三 工艺流程卡1、刀体工艺表:韶 关学 院通用型阶梯式可转位端铣的设计与制造（第型 双正前角）共 1 页刀体加工工艺过程第 1 页序 号工 序 名 称页号产品规范设 备名 称型 号1下料空气锤C41.7502粗车毛坯表面车床CA61403镗中心孔立式镗床T6184精车外圆和两底面车床CA61405磨两端面车磨M71306铣键槽立式铣床X63257半精镗刀心孔立式镗床T6188钻4个连接螺纹孔并攻螺纹ZS4012（台式钻攻两用机床）Z5209车底面倒角车床C62010车外圆倒角车床CA614011车内孔倒角车床CA614012铣刀槽卧式铣床X632513铣刀槽边角卧式铣床X632514修光刀槽棱边钳工15钻槽壁螺纹孔并攻螺纹卧式钻床Z5150A16钻槽底螺纹孔并攻螺纹立式钻床ZS401217调质热处理18磨刀心孔内圆磨床M2110A19磨中心孔内圆磨床M2110A20标志钳工21去毛刺钳工22发兰（热处理）热处理23组装钳工2、刀体工艺卡(见附表2):四 相关专用夹具的设计此种铣刀的零件中刀体和刀芯的加工比较复杂，考虑到中小企业不能引进特别先进的机床，为了提高劳动生产率，保证加工质量，降低劳动强度，需要设计专用夹具。经过与指导老师协商，决定设计第12道工序铣V型刀槽的铣床夹具。本夹具将用与X63卧式铣床。刀具为高速钢直齿三面刃铣刀，来对工件进行加工。本人的设计过程主要以刀槽的定形原理来设计夹具。1、问题的提出 本夹具主要用来铣宽为V型的槽，由于铣V型槽时要分两步转位铣削，采用宽为的精密级高速钢直齿三面刃铣刀，两次铣削完成，所以，在本道工序加工时，主要应该考虑如何高效地生产出刀槽的加工方法。2、夹具设计 2.1、定位基准的选择由零件图和工序卡可知，加工V型刀槽时，其设计基准为键槽中心轴线和工件的中心孔和底面为定位基准。因此选用工件以加工右端面（A）和花键心轴的中心线为主定位基准。 2.2、切削力的计算刀具：高速钢直齿三面刃铣刀，, (见切削手册3-56表)解得 其中，在计算切削力时，必须考虑安全系数。安全系数其中： 为基本安全系数1.5 为加工性质系数1.1 为刀具钝化系数1.1 为断续切削系数1.12.3、定位误差分析由于槽的轴向尺寸的设计基准与定位基准重合，故轴向尺寸无基准不重合度误差。径向尺寸无极限偏差、形状和位置公差，故径向尺寸无基准不重合度误差。即不必考虑定位误差，只需保证夹具的拉杆轴和分度盘的键的制造精度和安装精度。2.4、操作说明夹具上装有对刀块装置，加工刀体时分为两步：第一加工以直角对刀块和以第一终加工右基准面为基准加工左边；第二加工以直角对刀块和以第二终加工左基准面为基准加工右边。 操作过程为：用拉杆串上刀体坯料，刀体键槽与分度盘键啮合，用把手和把手组合件锁紧，进行第一个刀槽的第一加工；加工完第一加工，松开把手和把手组合件，拉开分度销，转动分度盘到第二孔，使分度销锁到第二孔，用把手和把手组合件锁紧，进行第一个刀槽的第二加工。加工完第一个刀槽后，按以上方法加工完其余5个刀槽。3、铣床夹具的装配图如下图所示：图1图2五 经济性分析1、阶梯式可转位端铣刀的切削对比实验：为了验证该铣刀的切削性能，检验其结构设计的合理性、先进性，我们查阅了相关的资料，根据前几届同学的相关经验和实验数据，结合相关的软件进行试验，得到了相关的测试结果，达到了预期的效果。1.1、加工表面粗糙度测试：表1 对比刀具加工表面粗糙度测试结果 粗 刀种 材 糙 料 度 Ra（um）机夹焊接式单齿飞刀普通可转位端铣刀阶梯式可转位端铣刀200-型（正前角负刃倾角）45# 钢锻件HB170调质45#钢 HB229灰铸铁 HB2400.80.81.61.60.81.60.80.80.8注：焊接式飞刀磨负倒棱；阶梯式型端铣刀磨负倒棱；光切双显微镜。结果分析：各类端铣刀精铣均能满足一般铣削要求，但由表1看出，普通可转位端铣刀虽然经磨制，且带修光刃，由于刀齿轴向误差以及主轴与工作台的不垂直度都会影响加工表面质量，修光刃未能充分发挥作用；焊接式飞刀单齿切削且悬深较大，易产生振动，影响表面粗糙度；阶梯式可转位端铣刀相当于多把但齿飞刀依次切削即可达到表1中的结果。1.2、刀具耐用度测试：结果分析：由表2可知，阶梯式可转位端铣刀有较高的刀具耐用度，这是因为使用了未经磨制的毛坯刀片，不受磨削热裂的影响。试验证明，该铣刀使用寿命与普通可转位端铣刀相当，较机夹焊接式铣刀延长使用寿命约1.263.4倍。表2 对比刀具的刀具耐用度测试结果 测 刀 试 种 项 结 目 果 机夹焊接式单齿飞刀普通可转位端铣刀阶梯式可转位端铣刀200-型（正前角负刃倾角）锻件铸件锻件铸件锻件铸件刀具切削时间T（min）后刀面磨损宽度VB（mm）7.30.328.40.39.70.224.50.213.00.224.00.25注：45#钢锻件（HB170）和灰铸件（HB240）；但齿切削，切钢用YT14刀片，切铸铁用YG6刀片；读数显微镜0.05mm/格。1.3、切削功率测试：试验条件：切削用量：V=150m/min 测量仪器：三相功率表、QB-05型三向铣削测力仪、Y6D-3A型动态应变仪和 SC16A型光线示波器试验情况：进给量与切削功率变化关系结果分析：在相同的金属切除率条件下，所研制的阶梯式可转位端铣刀切削功率较机夹焊接式飞刀和普通可转位端铣刀减少1425%，其原因主要有两方面：一是由于阶梯式端铣刀加工形成“倒切屑”，正如一般资料早已指明的那样，切削厚而窄的切削层断面较薄而宽的省力；二是由于国内中小企业的设备比较陈旧，工艺系统刚度不够，普通可转位端铣刀的难于增高，而越低（当=0.05左右时），则单位切削力P上升越快，因此单位切削功率将急剧上升，通过动态应变仪和光线示波器记录结果也证实了这一分析情况。另外，在刀片装夹可靠性、刀片强度、金属切除率测试、机床正东测试已经刀具费用比较等方面，经过我们核查资料，都证明阶梯式可转位铣刀是一种有推广使用价值的新型刀具。结论 本文通过大量理论分析和切削试验，得出如下结论：1、在设计思想上突破了往常阶梯切削法刀尖径向错移量等于每转进给的旧传统，而采用径向错移量较大(23倍每转进给量)的单组阶梯切削法，从而解除了通常要求较高的铣刀各刀尖位置公差的约束条件，为铣刀的制造、刃磨和使用提供了方便。2、可以直接夹持未磨制的可转位刀片，从而大大降低了刀具使用费用，为广泛