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[刀具设计] 不等螺旋角立铣刀的抗振性及设计研究 许晋, 庞安定, 刘鹏程, 左小陈, 李屏, ...

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发表于 2020-5-15 07:39:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
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不等螺旋角立铣刀的抗振性及设计研究
许晋1,2,庞安定1,刘鹏程1,左小陈1,李屏1,2,王社权1,2,彭志华1
1株洲钻石切削刀具股份有限公司;2硬质合金国家重点实验室
摘要:分析传统立铣刀工作时产生振动的原因,提出不等螺旋角立铣刀抗振原理。根据其结构特点,推导出不等螺旋角立铣刀在圆周方向上等分隔处的刃长的计算公式。通过瓦尔特机床公司tool-studio加工软件模拟铣刀的槽形截面图,验证了公式的正确性,并举例论述公式的应用。根据公式分析了立铣刀各刃等分隔的影响因素,并得出铣刀的直径、螺旋角和齿间夹角对立铣刀刃长的影响最大,从而提出不等螺旋角立铣刀结构设计的思路。为了验证不等螺旋角立铣刀抗振性,进行拐角铣削和侧铣对比切削试验,结果表明:与传统立铣刀相比,不等螺旋角立铣刀具有抑制振动和提高工件表面粗糙度的优点。
关键词:振动;抗振原理;不等螺旋角立铣刀;tool-studiao;等分隔;螺旋角;齿间夹角;刃长
1 引言

[size=1em]在金属切削加工过程中,刀具与工件间存在切削振动问题,这种振动不仅恶化零件的加工表面质量、降低机床和刀具的使用寿命,还会产生噪声污染。为了避免产生振动或抑制振动的强度,有时不得不降低切削用量,导致刀具的性能得不到充分的发挥,限制了加工效率的提高。因此,深入研究振动规律并提出先进的刀具几何结构,对于提高金属切削效率和加工质量具有重要意义。

[size=1em]近年来,航空航天行业中零部件朝着轻量化方向发展,在大量钛合金或铝合金结构件和连接件上进行大切削深度、大进给的铣削。但零部件的壁厚逐渐变薄,会导致切削振动加剧,加工间破损甚至破裂的不平滑或变形较大,因此,为了消除振动又不降低切削效率和加工成本,并且提高工件表面粗糙度和刀具寿命,山特维克最早制造设计出满足表面光洁度很高且加工工艺难度大的薄壁类工件(钛合金、铝合金)加工要求的不等螺旋角立铣刀。

[size=1em]不等螺旋角立铣刀是一种创新结构的刀具,可有效遏制刀具的振动、减小加工表面粗糙度和提高刀具的切削深度与进给速度,适用于高效金属加工和高精度切削。国内外著名大学和刀具企业对不等螺旋角立铣刀很早就进行了大量研究和开发。瑞典山特维克公司于1994年在中国申请了二刃、四刃不等螺旋角立铣刀专利;日本岩部洋育教授研究了不等螺旋角立铣刀切削机理和性能;国内付国华等人提出不等螺旋角铣刀的角度设计;伊斯卡、三菱、欧士机、耐高等著名刀具公司研发并申请了不等螺旋角立铣刀专利。然而有关不等螺旋角立铣刀的抗振原理与刀具结构设计之间关系的研究文献几乎没有。因此,研究不等螺旋角立铣刀的抗振原理对优化铣刀结构具有重要意义。

2 不等螺旋角立铣刀抗振原理

[size=1em]图1为采用对称式设计的传统立铣刀结构,各切削刃几何形状相同,且由于相邻切削刃之间的距离相等,所有的螺旋槽也具有相同的几何形状,因此,所有切削刃会导致同样速度的相等铣削力脉冲,尤其是当切削速度产生的刀具频率与工件的频率相同时,这种脉冲会引起共振或颤振。

[size=1em]与上述立铣刀相比,图2所示的不等螺旋角立铣刀至少有两个切削刃在圆周方向上不等分隔,这种有差异的分布导致每一个切削刃的铣削力脉冲大小不同,以及不同铣削力脉冲之间时间间隔不同,而且不同的螺旋角可使沿刀具轴线上在一定程度上减小甚至消除振动。

[size=1em]从图3切削过程中的峰谷值来看,不等螺旋角立铣刀有效减少切削力的波动,降低切削加工系统的振动,不等螺旋角结构刀具比传统等齿距立铣刀在切削过程中的切削力明显降低。

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[size=0.8em](a)周向展开图

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[size=0.8em](b)端齿图
[size=0.8em]图1 等螺旋角立铣刀结构

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[size=0.8em](a)周向展开图

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[size=0.8em](b)端齿图
[size=0.8em]图2 不等螺旋角立铣刀结构

3 不等螺旋角立铣刀的计算

[size=1em]由于不等螺旋角立铣刀相邻的切削刃在圆周方向上不等分隔,各刃的容屑空间也不相同,为设计和制造方便,铣刀轴向刃长的中间截面切削刃间齿间夹角一般设计成相等的。因此,不等螺旋角立铣刀更是经过专门的计算,可以满足铣刀螺旋槽容屑空间需要以及增加轴向切削深度。

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[size=0.8em](a)传统等齿距立铣刀

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[size=0.8em](b)不等螺旋角立铣刀
[size=0.8em]图3 传统等齿距立铣刀和
不等螺旋角立铣刀切削过程(Fx)

3.1 不等螺旋角立铣刀等分隔处的切削刃长H的计算

[size=1em](1)圆周上互补的不等螺旋角立铣刀

[size=1em]图4为四刃不等螺旋角立铣刀,在图5中,各齿在圆周上沿顺时针方向旋转,θ1、θ2分别为相邻齿夹角(θ1>θ2),β1、β2分别为切削刃的螺旋角(β1<β2),α1、α2分别为各切削刃在圆周方向旋转的角度(α1>α2)。

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[size=0.8em]图4 四刃不等螺旋角立铣刀

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[size=0.8em]图5 端面视图

[size=1em]由各切削刃在圆周方向等分隔分布可以得出

[size=1em]α1-α2=θ1-π/2

[size=1em](1)

[size=1em]H(tanβ2-tanβ1)=R(α1-α2)

[size=1em](2)

[size=1em]由式(1)和式(2)可以计算出等分隔处到端面的距离为

[size=1em]H=R(θ1-π/2)/(tanβ2-tanβ1)

[size=1em](3)

[size=1em](2)圆周上不互补的不等螺旋角立铣刀

[size=1em]不等螺旋角立铣刀最复杂的是四刃不等齿距(见图6),且四刃不等螺旋角分布,圆周方向各齿的分布见图7,各齿在圆周上沿顺时针方向旋转,θ1、θ2、θ3、θ4分别为相邻齿夹角(π/2<θ2,θ3<π,0<θ1,θ4<π/2),β1、β2、β3、β4分别为切削刃的螺旋角(β4<β1<β3<β2),α1、α2分别为各切削刃在圆周方向旋转的角度(α1<α2)。

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[size=0.8em]图6 四刃不等齿距

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[size=0.8em]图7 圆周方向各齿的分布

[size=1em]由各切削刃在圆周方向等分隔分布可以得出

[size=1em]α2-α1=π/2-θ1

[size=1em](4)

[size=1em]H(tanβmax-tanβmin)=R(π/2-θ1)

[size=1em](5)

[size=1em]由式(4)和式(5)可以得出

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[size=1em](6)

[size=1em]由式(6)计算处等分隔处到端面的距离H以及齿间夹角θ,有

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[size=1em](7)

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[size=1em](8)

3.2 立铣刀横截面槽形图

[size=1em]通过WALTER公司tool-studio软件C程序模拟加工直径φ12mm的不等螺旋角立铣刀(见图8),槽型横截面X-X、Y-Y、Z-Z如图9所示,在距离立铣刀端面H处各齿均等分隔分布,可以验证公式的正确性。

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[size=0.8em]图8 直径φ12mm的不等螺旋角立铣刀

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[size=0.8em](a)X-X

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[size=0.8em](b)Y-Y

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[size=0.8em](c)Z-Z
[size=0.8em]图9 槽型横截面

3.3 立铣刀等分隔处到端面的距离H的应用举例

[size=1em](1)圆周上互补的不等螺旋角立铣刀

[size=1em]已知参数D=12mm、β1=41°、β2=38°、θ1=102°、θ2=78°,把它们代入式(3)中可以得出立铣刀等分隔处到端面的距离H=14.28mm。

[size=1em](2)圆周上不互补的不等螺旋角立铣刀

[size=1em]已知参数D=8mm,H=10mm,β1=36°,β2=40°,β3=38°,β4=34°,通过式(8)计算出圆周上不互补的不等螺旋角立铣刀在到端面距离H=10mm位置,各齿等分隔分布的各齿端面上夹角为θ1=73.9°、θ2=98.3°、θ3=105.3°、θ4=82.5°。

4 等分隔影响因素和铣刀结构设计分析

[size=1em]以φ=12mm、L=75mm的不等螺旋角立铣刀为例,其等分隔处刃长H与螺旋角β及齿间夹角θ之间的关系为

[size=1em]H=R|θ-π/2|/(tanβmax-tanβmin)

[size=1em](9)

[size=1em]由上式可知,如果在β确定的情况下,θ值越大,刃长H越大,即在上述不等螺旋角变刃倾角立铣刀中,其切削刃长可以有效加长;同理得出θ值相同条件下,β差值越大,刃长H越小,不等螺旋角立铣刀的切削刃长也随之变短。一般在不等螺旋角立铣刀设计中,一对螺旋角为35°/38°、38°/41°、41°/42.5°、42.5°/45°、45°/48°,齿间夹角θ取值为102°,图10是铣刀等分隔处刃长H与螺旋角β的关系曲线,图11是铣刀等分隔处刃长H和齿间夹角θ的关系。

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[size=0.8em]图10 铣刀等分隔处刃长H和螺旋角β的关系

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[size=0.8em]图11 铣刀等分隔处刃长H和齿间夹角θ的关系

[size=1em]设计不等螺旋角立铣刀时,先根据加工需要确定铣刀刃径和合适的总长和刃长,然后按照式(6)确定最优的螺旋角β和齿间夹角θ,最后通过切削试验对被加工工件表面的粗糙度指标进行对比。如果铣刀不满足抗振指标,可以对螺旋角与齿间夹角参数进行优化设计,从而达到减小振动和提供工件表面质量的要求。

[size=1em]立铣刀侧铣或槽铣时,其切削深度为3D以下,工件表面粗糙度Ra为0.8-1.6。确定直径φ8mm试验用不等螺旋角立铣刀与有效刃长相关得设计参数为:L=60mm、θ1=97°、θ2=83°、β1=38°、β2=41°,对比刀具(等螺旋角立铣刀)的刃径、总长、刃长及螺旋角与之相同。

5 拐角铣与侧铣试验及结果分析

[size=1em]在航空航天、模具行业中,工件多为腔体件,因此,本次实验采用湿式拐角铣削和侧铣的方式进行,拍摄铣削后工件拐角处的产生的振纹和测量侧铣(顺铣)后工件底面和侧面的粗糙度。加工设备为五轴加工中心Mikron UCP1000,测量设备为TM2000 粗糙度测量仪和高倍摄像机,工件材料是1Cr18Ni9Ti。试验分成两组:①对比等螺旋角和不等螺旋角立铣刀拐角铣削时振纹图片;②对比等螺旋角和不等螺旋角立铣刀侧铣时的表面粗糙度的大小。试验条件见表1,试验结果分别如图12和图13所示。

[size=0.8em]表1 实验条件
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[size=1em] 361365567da4b230ff72f8b6dd00ba96.jpg
[size=1em](a)等螺旋角立铣刀振纹
[size=1em] b0b58b8b4b59ab6cd6875b7c4d9cbd45.jpg
[size=1em](b)不等螺旋角立铣刀振纹
[size=1em]图12 拐角铣削振纹对比试验
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[size=0.8em](a)侧铣工件底面粗糙度

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[size=0.8em](b) 侧铣工件侧面粗糙度
[size=0.8em]图13 侧铣1Cr18Ni9Ti侧面与底面粗糙度对比试验

[size=1em]根据图12和图13可知:①在相同的切削条件下,不等螺旋角立铣刀加工型腔拐角时能够有效抑制振纹出现;②在相同的切削条件下,不等螺旋角立铣刀铣削的工件表面(包括侧面与底面)的粗糙度显著减小,切削过程比较平稳,即不等螺旋角立铣刀抗振性较好。

6 结语

[size=1em](1)与传统立铣刀相比,不等螺旋角立铣刀能够减小甚至消除振动;

[size=1em](2)不等螺旋角立铣刀起抗振作用的几何结构参数经过专门计算,可以满足铣刀螺旋槽容屑空间需要以及增加轴向切削深度;

[size=1em](3)对于不等螺旋角立铣刀,等分隔处切削刃的大小的影响因素包括刀具直径D、螺旋角β及齿间夹角θ;

[size=1em](4)在型腔拐角铣削时,采用不等螺旋角立铣刀进行加工能够抑制振纹产生;

[size=1em](5)不等螺旋角立铣刀还可以推广到其它刃数不等螺旋角立铣刀的抗振性和设计研究中。

[size=1em]参考文献

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Study on Vibration-Resist Mechanism and Design of VariableHelix End Mill
[size=1em]Xu Jin,Pang Anding,Liu Pengcheng,Zuo Xiaocheng,Li Ping,Wang Shequan,Peng Zhihua

[size=1em]Abstract:Analyzing vibration of traditional end mill in working,this paper presents vibration-resist mechanism of variable helix end mill.As the structural characteristic,formulas to calculate the length of cutting edges intervals between each other of the variable helix end mill in a peripheral direction are deduced.The formulas are proved by the flutes in cross-sections perpendicular to the axis.The application of the formulas is explained.According to the formulas,the factors influencing intervals between each cutting edge are analyzed.Furthermore,the effect of end mill the diameter,helix angles and pitch angles.The design method for variable helix end mill is advanced.In order to prove vibration-resist of variable helix end mill,cutting comparative experiment of corner and plane milling is done.The experimental results show that variable helix end mill compared with conventional end mill can be applied to determine vibration and improve surface roughness of the workpieces.

[size=1em]Keywords:vibration;vibration-resist mechanism;variable helix end mill;tool-studiao;interval;helix angles;pitch angles;cutting edges


[size=1em]中图分类号:TG714;TH162

[size=1em]文献标志码:A

[size=1em]基金项目:国家科技重大专项(2017ZX04001-001)

[size=1em]收稿日期:2018年4月

[size=1em]第一作者:许晋,工程师,株洲钻石切削刀具股份有限公司,412000株洲市

[size=1em]First Author:Xu Jin,Engineer,Zhuzhou Cemented Carbide Tool Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412007,China



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