帶圓角圓弧頭銑刀設計的關鍵技術

陳濤　李顯創　王廣越　劉獻禮

摘要：淬硬鋼為典型難加工模具材料，其加工過程中受強熱力耦合載荷作用，易導致刀具磨破損，進而降低模具加工表面質量。為了提高工件加工表面質量和刀具壽命，對帶圓角圓弧頭銑刀的設計進行了研究。首先，結合球頭立銑刀和平底圓角立銑刀切削特性，提出了一種適用于大型淬硬鋼模具加工的帶圓角圓弧頭銑刀。其次，對帶圓角圓弧頭銑刀幾何特征進行定義，建立了銑刀輪廓面數學模型，推導了螺旋切削刃參數方程。最后，通過仿真、刀具磨削試驗和檢測中心對所設計的帶圓角圓弧頭銑刀進行了檢驗。檢驗結果表明：帶圓角圓弧頭銑刀的刀具直徑、圓角半徑、圓弧頭半徑、刃形的磨削精度誤差范圍在±0.001 mm以內，螺旋角、前角和后角的磨削精度誤差范圍在±0.05。以內，為刀具的推廣應用提供了技術保障。

關鍵詞：切削特性；帶圓角圓弧頭銑刀；螺旋切削刃；刀具磨削；精度檢測

中圖分類號：TG501 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2017）01-0075-05

0 引言

淬硬鋼材料具有硬度高、延伸率小、塑性低和易形成高光潔加工表面等優點，在轎車覆蓋件模具行業中得到廣泛應用。然而，由于大型淬硬鋼模具高硬度、型面特征復雜的特點，加工過程中切削載荷較大且多變，易導致刀具磨、破損，進而降低模具加工表面質量，對切削刀具提出了新的挑戰。

為了提高工件加工表面質量和刀具壽命，相關人員對整體硬質合金立銑刀結構設計開展了研究。Shirase等對變齒距螺旋立銑刀進行了切削力和加工表面誤差分析，提出了變齒距立銑刀不僅能夠抑制顫振，且可以有效減小加工表面誤差，提供加工表面質量。Yusoff等分析變螺旋角銑刀抑制顫振的機理，結果表明采用變螺旋角結構有助于降低銑削系統的顫振，增加其穩定性。Song等對立銑刀高速銑削的顫振穩定域進行研究，提出不等齒距、不等螺旋角立銑刀的系統穩定性更好。張輝等建立等螺旋角球頭銑刀螺旋刃線，解決了刀具在切削過程中受力不均勻的問題，減少了刀具的磨、破損。Domrovari等提出變導程的立銑刀的刃線設計，提高了刀具在銑削過程中的穩定性。Engin設計‘S形切削刃，解決了球頭銑刀在銑削過程中出現的振動問題。董敏提出了等螺距連續刃口曲線，為刀具的設計和制造提供了參考。何耀雄提出了廣義螺旋運動概念，并建立了球頭刀典型刀刃曲線的通用數學模型及其設計方法。

可見，針對整體硬質合金立銑刀結構研究，目前主要集中在球頭立銑刀和平底圓角立銑刀的不等距、變螺旋角和刀具刃型等特征方面，而對成型立銑刀設計方面的研究還很少。本文根據切削刀具在加工大型淬硬鋼模具型面的特點，同時結合球頭和平底圓角等立銑刀的切削特性，提出了帶圓角圓弧頭銑刀這類成型銑刀，并進行刀具的設計、磨制和檢測。

1 帶圓角圓弧頭銑刀

1.1 不同類型銑刀切削特性對比分析

在圖1球頭銑刀和環形銑刀切削特性對比分析中，使刀具的切削深度、每齒進給量和刀具直徑都保持一致。

（1）

（2）

（3）

（4）其中：R為切削底刃曲率半徑，a_p為切削深度，K_r為主偏角，h_ex為切削厚度，f_Z為每齒進給量，L_e為接觸長度。F_C為主切削力，A_D為單位切削面積，b_D為切削寬度，K_C為切削力系數。

由公式（1）可知，在相同的切削深度下，球頭立銑刀的主偏角小于平底圓角立銑刀。由式（2）～（4）可知，相同的進給量，小的主偏角會產生相對小的厚度的切屑，進而減小切削軸向力，提高刀具抗磨、破損的能力，但球頭立銑刀的切削剛度小于平底圓角立銑刀，在加工高硬度淬硬鋼容易引起刀具變形，造成加工表面質量下降。

1.2 帶圓角圓弧頭銑刀的提出

結合球頭和平底圓角等立銑刀的切削特性和面向大型淬硬鋼模具加工中表面質量和刀具壽命問題，本文提出了一種帶圓角圓弧頭銑刀，如圖2所示。

帶圓角圓弧頭銑刀結構主要包括圓弧頭結構、刀柄結構和圓弧頭結構與刀柄結構有圓弧過渡的圓角結構。其中圓角結構不但能使圓弧頭和刀柄兩段結構光滑過渡而且增加了參與切削的切削刃長度，使刀具磨、破損減小，提高了刀具壽命，降低了加工成本。同時圓角結構使刀具的軸向截面為橢圓形，在保證了刀具剛度的同時，最大限度的提高了刀具的刀尖錐度，從而提高了刀具的鋒利性。圖2帶圓角圓弧頭銑刀

根據圖1、圖2和式（1）～（4），帶圓角圓弧頭銑刀的切削主偏角明顯小于球頭銑刀和平底圓角立銑刀，小的主偏角不但能夠使切削刃更為平緩地切入，而且有助于減少軸向力和保護切削刃，提高工件加工表面質量和刀具壽命。

2 帶圓角圓弧頭銑刀結構數學模型的建立

2.1 輪廓面數學模型的建立

對帶圓角圓弧頭銑刀幾何特征進行定義，如圖3所示，其幾何特征是由AB段圓弧與BC段圓弧相連，然后BC段圓弧再與CD段直線相連組成。其中，圓弧頂點O與4點重合，D點為AB段圓弧頭結構的圓心，AB段圓弧半徑為R₀，O₁點為BC段圓角結構圓心，BC段圓角結構的圓弧半徑為R₁，CD段刀柄結構的圓弧半徑為R₂。

根據帶圓角圓弧頭銑刀幾何特征的定義建立輪廓面數學模型，AB段圓弧頭結構輪廓面數學模型如下式：式中：r₀為AB段刃口曲線任意點的空間矢量，R₀為帶圓角圓弧頭銑刀AB段圓弧的半徑，φ₀為AB段圓弧面螺旋刃線的回轉角，θ為點沿著AB段螺旋刃線移動與O點的連線與OA夾角，α為OA與OB之間的夾角。