高速铣削的金刚石端铣刀设计大学论文.doc

中北大学2007届毕业设计说明书
目 录
1 引言………………………………………………………………………………… 1
1.1 本课题研究的目的和意义…………………………………………………………1
1.2 国内外研究发展状况…………………………………………………………… 1
1.3 本课题要研究的问题………………………………………… ………………… 3
1.4 小结……………………………………………………………………………… 6
2 端铣刀设计………………………………………………………………………… 7
2.1 选择合理切削用量和铣刀主要几何参数…………………………………… … 7
2.2 选择刀片………………………………………………………………………… 8
2.3 选择夹紧结构………………………………………………………………… … 9
2.4 刀垫的选择……………………………………………………………………… 11
2.4.1刀垫形状和尺寸计算……………………………………………………… … 11
2.4.2 刀片在刀垫上的定位………………………………………………………… 12
2.5 微调结构…………………………………………………………………… … 14
2.6 压块尺寸分析……………………………………………………………… … 16
2.7 刀槽尺寸分析…………………………………………………………………… 17
2.7.1 刀齿槽尺寸计算………………………………………………………… …… 17
2.7.2 刀槽倾角和偏距e的计算………………………………………………… 22
2.8 铣刀刀体结构的选取…………………………………………………………… 26
2.9 小结……………………………………………………………………………… 28
3 刀柄的选择………………………………………………………………………… 30
4 结论 ……………………………………………………………………………… 31
参考文献…………………………………………………………………………… 32
致谢 …………………………………………………………………………………34
1 引言
1.1 本课题研究的目的和意义
随着科学技术的发展，机械制造技术朝着高速、低消耗和高精度的方向迈进[1]。高速加工与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起，构成了当今机械制造中的四大先进制造技术。高速加工工具系统是高速加工工艺系统的重要组成部分，其中又以刀具的选择和应用至关重要，其性能直接影响高速加工的质量和效率，受到了各国机械工程界和相关学者们的高度重视[2]。为了紧跟时代进步潮流，高速铣削的金刚石端铣刀的研究势在必行。
高速铣削有其独特的特点[3]：以高铣削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术，其加工效率比传统的铣削工艺要高几倍，甚至十几倍[5]。由于对高硬度材料进行高速铣削加工可在一定程度上替代磨削从而缩短模具制造周期。因此，目前高速铣削技术在模具制造业也得到广泛应用。采用高速铣削技术，可大大缩短制模时间。经高速铣削精加工后的模具型面，仅需略加抛光便可使用，节省了大量修磨、抛光的时间。高速铣削加工可获得较高的金属切除率、很高的加工精度和良好的加工表面质量，因此在现代制造业中受到普遍重视，发展很快[4]。在航空制造业中，高速铣削的主要加工对象为铝合金构件。为提高飞机性能，在飞机结构设计中大量采用铝合金整体框架和薄壁结构，而铝合金高速铣削技术使对此类构件的高效加工成为可能，从而在一定程度上推动了飞机结构的改进[7]。
近年来，工业发达国家都在大力发展与高速加工条件相匹配的先进切削刀具，开发出了许多高性能的刀具材料。目前国内外用于高速切削加工材料的材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷、TiC（N）基硬质合金（金属陶瓷）、硬质合金涂层等[5]。其中聚晶金刚石（PCD）材料具有高硬度、高耐磨性、各向异性能、高导热性、低摩擦系数及低膨胀系数等特点，PCD刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性切削加工[6]。
1.2 国内外研究发展状况
自二十世纪八十年代起，高速加工技术在金属（非金属）传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术的基础上逐步发展成为一门综合性系统工程技术[7]。高速加工技术在生产工艺离散型或混和型企业（如模具、能源设备、船舶、航天航空等制造企业）中得到大量应用和进一步发展[11]。
近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等机械制造行业都程度不同地开始推广应用高速加工技术。高速加工技术的应用主要体现为高速数控机床与刀具的应用。由于种种原因，我国企业应用的高速加工技术及其相关设备大多由国外直接引进，国内对高速加工技术中一些基础共性技术的自主性研究不足，因此影响了对高速加工技术的优化、集成和推广应用。与工业发达国家相比，我国在高速刀具技术方面存在较大差距，其中我国高速刀具技术与国外的差距主要表现在高性能刀具材料(包括表面涂层、材料)的研发、刀具制造工艺技术、刀具安全技术及刀具使用技术等领域，对于高速切削机理的基础共性研究也处于起步阶段[8，9]。
聚晶金刚石复合刀片PCD是用作为面层的定粒度的金刚石微粉，与作为基体衬垫的硬质合金在高温高压下烧结而获得的复合烧结体。它首先是由美国通用电气公司1972年研制成功的[10]。
通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：①难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料——过共晶硅铝合金（对该材料加工机理的研究已取得突破）；②难加工非金属材料的加工：PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料的加工[11]。
现在我国还没有研制出用于高速铣削的金刚石端铣刀，就金刚石刀片的研究和应用也处于起步间段。而工业发达国家对PCD金刚石刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等[12]。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。
现在在各个国家的生产力构成中，制造技术的作用往往占60％左右，各种高科技只有通过制造技术才能形成产品。由于历史的原因，我国的制造技术发展曾受到一些冷遇，工艺知识没有被重视，产品质量得不到保证，刀具设计跟不上，我国的许多产品在国际市场上缺乏竞争能力。
1.3 本课题要研究的问题
本课题的加工对象为硅铝合金、镁铝合金等有色金属，主要是铝合金。其强度和硬度低、导热性好、塑性较低。但生产实际及研究证明在用普通加工系统中，铝合金对刀具的磨损相当严重，更难以获得较低的表面粗糙度和较高的加工精度，存在很多问题：
1.铝合金的硬度很低，切屑稍粘在刀具上就划伤已加工表面；
2.铝合金的熔点低，在切削加工中切屑很容易粘在刀具的前后刀面上，形成积屑瘤的高度也很大，严重影响铝合金加工表面质量；
3.铝在空气中很快就氧化，切削和工件表面产生的Al2O3,以及积屑瘤都对刀具发生磨料磨损，导致刀具磨损严重；
4.铝合金的热胀系数大，零件温度升高，尺寸胀大，而切削后温度下降尺寸下降，尺寸减小，加工尺寸精度难以控制，
5.切削效率低，不利于铝合金加工工业的发展。
金刚石是加工铝合金，特别是高硅铝合金最有效的刀具材料，也是这种刀具材料使用的最广泛的加工领域。
切削铝和铝合金时，刀具很容易产生积屑瘤，因而会使加工精度和表面粗糙度恶化。加工铝及铝合金要求达到高的精度和良好的表面质量，都只能采用精加工。为了避免积屑瘤和加工硬化，刀刃必须很锋利，刀面必须很光洁，金刚石刀具正好符合这些要求，且与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，可防止因切屑粘在刀尖而划伤工件，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。金刚石刀具材料的变形系数很低，可减少因刀具的变形而引起的加工误差。 其中PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6～1.18×10 -6，仅相当于硬质合金的1/5。可见金刚石刀具热变形小，加工精度高。
由于金刚石的耐磨性很高，因此金刚石刀具的耐用度也比硬质合金刀具高得多如图1.1，1.2。例如，用金刚石复合刀片Compax加工耐磨的硅铝合金活塞，在v=170m/min、ap=0.1mm、f=0.13mm/r条件下，每个刀刃可加工50000件，活塞外径公差在0.02mm范围内，表面粗糙度达Ra0.05um;而用硬质合金C-2（相当于K20）刀具只能加工700~1200件，刀具的耐用度提高了50倍[13]。

图1.1 不同刀具材料的耐磨性
工件材料：铸造AL-Si20%合金
切削用量：v=1400m/min,
,断续切削；
干切（）内数值为加工表面粗糙度，um

图1.2 加工硅铝合金（Si20%）时金刚石
与立方氮化硼复合刀片耐磨性比较

金刚石刀具，特别是金刚石复合刀片，由于抗冲击性能好，故可用于铣削加工。例如，用聚晶金刚石铣刀铣削铝进气管连接面时，铣刀耐用度为89100件，而硬质合金铣刀平均耐用度只有6200件。用硬质合金铣刀每天都要换刀，每月停机换刀时间为7.4h，而金刚石铣刀每月换刀时间仅0.04h[14]。
用金刚石复合刀片Compax铣刀（直径254mm,5个刀齿）铣削380铝合金压铸件发动机外壳平面，在v=3050m/min、vf=2540mm/min条件下，一个刀刃可加工18000件，粗糙度Ra=0.4um;而用C-2（K20）硬质合金铣刀时，一个刀刃只能加工40件，粗糙度为Ra=0.8um，两者耐用度之比为450：1。此外，由于金刚石刀具刀刃可长时间保持锋利，故不会产生铝屑粘附在刀具上而形成大量毛刺的现象，不仅可大大提高加工表面质量，而且可省掉去毛刺工序，机床生产率可提高1倍。
1.4 小结
近年来，国际国内形势的发展给我国机械制造业带来了机遇，尤其是给高速切削技术等先进制造技术的应用提供了有利条件。由于高速加工技术可为机械制造企业快速响应和满足市场需求提供强有力的技术支持，因此必将在国内机械制造企业中得到快速推广.所以我将设计一系列金刚石端铣刀，希望能弥补我国在高速铣削金刚石刀具研制中的不足。
鉴于我国现阶段的机械加工方面的技术水平及生产厂家的生产设备等原因，本课题将立足于现状，以传统机械加工为基础，在传统加工中采用新技术。从而，完成对高速铣削金刚石端铣刀的设计。
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2 端铣刀设计
2.1 选择合理切削用量和铣刀主要几何参数
被加工材料是硅铝合金、镁铝合金等有色金属，硬度为70~80HBS，根据刀具切削用量的基本原则，精加工中我选择ap=1mm,vc=3000m/min,f=0.03mm/z.
断续切削是端铣刀刀齿的工作特点。每一个刀齿在切入工件是，要发生冲击。因此，对于符合金刚石刀齿来说，改善其受力情况，以提高其抗冲击的能力，是选择前角及刃倾角是首先考虑的问题。为了改善复合金刚石刀片的受力情况，在刀齿切入工件时，不希望刃口先接触工件，及如图2.1所示，刀齿上最先和工件接触的位置应该在U点，而不是在T、S或V点。一般说来，为了使刀齿和工件在U点首先接触，应将刃倾角做成负的，前角也做成负的[15]。所以选择前角：-5o，刃倾角：-10o。

图2.1 端铣刀刀齿切入时接触情况
端铣刀精加工中要求刀具的后角不能太小，后角太小将增大后刀面和已加工表面的摩擦，影响工件的加工精度。一般精加工中选择12o~15o，而后角太大会影响刀具强度，所以选择刀具后角：15o。
本课题所针对的加工材料为铝合金，其加工精度要求为Ra0.4um，属于精加工。主偏角的选择应充分考虑其加工精度、硬度和散热条件。在满足加工精度和散热条件的情况下，主片角不应太大。主偏角太小会增大刀具径向力，导致径向跳动加剧。而铝合金硬度并不大，加工阻力小，可以采用较大主偏角，所以选择主偏角75o。
2.2 选择刀片
选用刀片材料：复合金刚石PCD。
选择刀片有无中心孔：由于刀片为金刚石材料，质硬且脆，加工中心孔的工艺性不好。因此选用无中心孔的刀片。
选择刀片形状：按选定的主偏角Kr=75o，被加工材料的硬度为70~110HBS，可以同时考虑多种形状的刀片，其中最理想的有四边形和菱形。一个四边形复合金刚石刀片有四条切削刃而选用菱形刀片时一个刀片只有两条切削刃。虽然在使用大角度菱形刀片进行加工可以获得高精度的工件，但如果在四边形刀片上磨一条平行修光刃，同样可以达到要求的精度。充分考虑精度和经济性两种因素，选择四边形刀片，同时使用过度切削刃和平行修光刃。
选择刀片精度等级：高速铣削下的金刚石端铣刀，加工余量小，加工精度要求高。根据刀具精度等级原则及设备的精度一般比工件的精度高2~3级，选用A级精度：m ,S,d。
选择刀片内切圆直径d（或刀片边长）：
根据已确定的=1mm,Kr=75o, =-10o,刀刃的实际参加工作长度Lse为

=1.0512mm
则选用的刀片边长L应为
L>1.5*Lse=1.5*1.0512=1.5768mm
即四边形刀片的边长 L>1.5768mm。
选择刀片厚度S：根据已定的，，查刀片厚度诺模图，得刀片厚度S1.6mm。
综上所选择结构，确定选用刀片型号SPAN1203EDR。
其具体尺寸为
L=d=12.70 S=3.18 =1.4
刀片后角
刀片刀尖角
刀片前角
切削刃法后角
刀片刃倾角
无断屑台。如图2.2：

图2.2 刀片
2.3 选择夹紧结构
夹紧结构是机夹不重磨铣刀的重要组成部分，它的作用是保证铣刀在高速切削中工作平稳，加工质量好，刀片定位准确可靠[16]，因此设计夹紧结构是，应考虑：在切削过程中，能经受切屑的冲击和机床振动；刀片的定位准确可靠，刀刃的轴向和径向摆差不超过规定；切屑的冲击和摩擦不至损坏夹紧结构和刀体，对大型刀具，发生刀片损坏或打刀是，能保护刀体不受损坏；最重要的是要求结构简单，工艺性好。
不重磨铣刀的夹紧结构，概括起来，可分为四类如图2.3：1.楔块式夹紧结构；2.压板式夹紧结构；3.楔销式夹紧结构；4.螺钉直接夹紧结构。其中各种方式各有特点，其中楔形块夹紧结构结构简单，工艺性好，刀片转位方便，主要用于机夹不重磨端铣刀等。
2.4.2 刀片在刀垫上的定位
刀片安装在刀片座中采用三个球形支点（或小平面）定位，这样可以减少刀片的定位误差。如图2.6.a为刀槽与刀片两个侧面接触懂得情况。当刀片槽为而刀片角度小于时，刀片的两个侧面只有其中一个与刀片槽侧面接触，使切削刃在径向和轴向产生位置误差、。假设刀片角度误差为，则概略的计算为
=12.7*=0.0185 mm
对铣刀来说，这个误差比较大。而采用三点定位后，如图2.6.b 无论刀片角度大于或小于，它的两个侧面均与三个支撑点接触，且刀片制造、检验和使用都为同一个基准，刀片修光刃的误差也因之得到消除或减小。
2.6 压块尺寸分析（见图2.13）

图2-13 压快尺寸分析

其中25为设定值
=0.96
F=16.44 此值是刀槽法向剖面内的值
2.7 刀槽尺寸分析
2.7.1 刀齿槽尺寸计算[19]

图2.14 刀槽
设计给定的刀体形状及尺寸如上图2.14，
其中尺寸H1和H2设计时给定，
选取H1=40mm，H2=17.5mm，
， 可转位铣刀在图纸上标住的前角和刃倾角
又称径向前角，又称轴向前角
它们和刀具前角、刃倾角、主偏角的关系：

计算：

=0.0875*0.9659(0.1763) *0.2588
=0.0845 + 0.0456
=0.0389
=2.23o

=0.0875*0.2588+(0.1763)* 0.9659
=0.02260.1703
=0.1929

由于存在，图13中尺寸、分别为
=
=7.8376

=3.2387
求解尺寸H，如图2-14，

EF=*=0.6295
其中轴向变化忽略
2.8 铣刀刀体结构的选取
本课题研究的端铣刀直径在160~400之间。在直径相对较小是可以选择套式的刀体，如图2.18。此种连接方式工艺简单，生产方便，适用于小直径一般在50~160mm的面铣刀，用装在铣床主轴锥孔中带端键的铣刀杆连接，面铣刀以内孔和端面在铣刀杆上定位，用螺钉将铣刀紧固在铣刀杆上[21]。

图2.18套式刀体
而相对大直径的刀体选择多螺钉连接形式如图2.19。此种方式作为大直径端铣刀最简便的连接方式之一，有其独特的优势，适用于直径在160~500mm之间的面铣刀。面铣刀的后端面做有和刀柄外圆相匹配的沉孔。面铣刀装在铣床主轴上，以铣刀上的沉孔直接与刀柄的外圆和端面相匹配和定位，用四个螺钉将铣刀紧固在刀柄的端面上，由端面键传递铣削力矩[22]。

图2.19螺钉止口式刀体

2.9 小结
查表GB/T5342—1985和《机加不重磨刀具》：
第一种刀体（如图2.20）基本尺寸选择如下：

图2.20 套式刀体
3 刀柄的选择
根据刀体的结构形状选择配套的刀柄。对套式刀体（见上图2.20）选择刀柄结构和形状如下图3.1：

图3.1套式刀柄
对螺钉止口刀体（见上图2.21）选择刀柄结构和形状如下图3.2：

图3.2 螺钉止口式刀柄

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4 结论
本课题在设计高速金刚石端铣刀的过程中，对端铣刀进行了尺寸设计、结构设计、草图绘制等工作。设计中，通过对刀具几何角度的一些改进，新型刀具材料的引进，使铝合金难加工的问题得到了一定的改善。
当然，设计中也存在一些问题。以上所有的设计都是建立在理论分析的基础之上，并没有经过实践检验。这中间一方面有时间的原因，另一方面是没有相应的技术条件和设计者的知识水平工作经验有限。这就导致设计中的许多公式都没有实验数据。因此，在对铣刀的具体角度的设计时还局限于纯理论的计算与分析。
同时，通过对金刚石端铣刀的设计，我收益非浅，既巩固了大学所学的各种基础理论知识，又梳理了专业知识系统，学会了系统的查阅资料，还对AutoCAD、Solidworks等软件的熟练应用有了进一步的提高。
总之，此次设计使我受益颇多，而我们只有通过不懈的努力，才能在新刀具新材料等方面有新的突破，取得新的成就，在这方面真正做到自强不息。

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