南京航空航天大学学报第卷具的设计和制造中刀刃曲线的设计和刃磨加工至关重要因为刀刃不仅决定了刀具的外形而且对 +- 刀具的切削性能加工质量起着重要作用在环形铣刀的圆角回转面设计方面许多学者提出了不同的圆角回转面设计方法如鲍青山等通过回转面的刃口曲线通式公式推导出了圆

Size: px

Start display at page:

Download "南京航空航天大学学报第卷具的设计和制造中刀刃曲线的设计和刃磨加工至关重要因为刀刃不仅决定了刀具的外形而且对 +- 刀具的切削性能加工质量起着重要作用在环形铣刀的圆角回转面设计方面许多学者提出了不同的圆角回转面设计方法如鲍青山等通过回转面的刃口曲线通式公式推导出了圆"

岸泊毕
5 years ago
Views:

1 南京航空航天大学学报第卷第期年月!"#$%&'#%$ '$%%$ # ()*+,,-,, 基于磨制精度的环形铣刀刃线几何模型岳彩旭李录彬计伟陈涛刘献礼哈尔滨理工大学机械动力工程学院哈尔滨, 摘要环形铣刀在精密铣削淬硬钢模具时同球头铣刀相比具有较高的切削效率和平头端铣刀相比具有较好的加工工艺性及已加工表面质量为了精确磨制环形铣刀通过对环形铣刀刃线进行理论分析依据回转刀具的几何特征以及螺旋线的成形原理推导出了环形铣刀等螺旋角的连续刃口曲线数学模型所建立的刃线方程数学模型可精确表达周刃曲线与圆角曲线的几何特征结合所建立的刃线模型采用./# 五轴工具磨床对环形铣刀进行了磨制刀具几何参数检验结果表明磨制精度较高关键词环形铣刀螺旋线刃口曲线五轴工具磨床中图分类号 01+ 文献标志码 ' 文章编号,-,-+-,! "#$%$ 2##7#859:### 1!"#$%&.##50#8&1,28 &'$#08# %8$88#% ##&%8-#5 %$8-85##5$%##5$'$%8$#%#6#$$ %#8&5;%&8#5$#- 6#5:%8%8#%#5 %*5#%8# %%#&%8#%8#&#5# # %$&#5'5 %%8# ##%8%#$%$%&% % 5%8# 66#$6%$%##5#"#5#:%8#;8## %#$5#"#508#5##5##;%%8#%5###%%8# ##%#%#$ ##%5#"#5#%"#2#5:%8%8##$%$8#55#% #%8# %$ 5#5&./#"#-$ 5 8#08#%#$%#$%$% ##%6- #%#$5%#%8%%8#%8$88 5 6#$ $ %8#"#% #5#"#-$% 5 8# 近年来高强度淬硬钢材料在汽车工业中被应用的比例不断增加能否对这些难加工材料进行高效加工直接影响中国汽车行业的发展淬硬钢其硬度高达,+12 是典型的难加工的材料相对于球头刀点接触窄行加工形式使用周边切削刃与底面切削刃之间以一小段圆弧过渡的环形铣刀加工淬硬钢时可以极大地增加切削平稳性提高加工精度表面质量和切削效率在刀基金项目高等学校博士学科点专项科研基金 ++++ 资助项目黑龙江省自然科学基金 + 面上资助项目收稿日期,-- 修订日期,-- 通信作者岳彩旭男副教授 -&#+ 引用格式岳彩旭李录彬计伟等基于磨制精度的环形铣刀刃线几何模型南京航空航天大学学报 +-#2334##%2% #5# ##%5# %$#5 5 6#$!"#$%&'#%$ '$%%$+-

2 南京航空航天大学学报第卷具的设计和制造中刀刃曲线的设计和刃磨加工至关重要因为刀刃不仅决定了刀具的外形而且对 +- 刀具的切削性能加工质量起着重要作用在环形铣刀的圆角回转面设计方面许多学者提出了不同的圆角回转面设计方法如鲍青山等通过回转面的刃口曲线通式公式推导出了圆角回转面的, 表达式唐余勇等建立了带圆角铣刀的回转面曲线方程并且根据在与经线成定角定义下的刃口曲线求解公式直接由刀具回转面方程求出带角圆的 - 凸弧铣刀上角圆回转面方程本文为了精确磨制环形铣刀从回转刀具刃线出发根据广义螺旋运动概念建立了环形铣刀周刃与圆角刃的等螺旋角数学模型并依据刃线模型得到环形铣刀的磨削轨迹从而为环形铣刀数控刃磨加工提供理论依据和指导环形铣刀的应用目前典型的数控铣削刀具主要有球头铣刀平头端铣刀及环形铣刀等如图所示其中环形铣刀越来越多地被应用在汽车覆盖件模具钢的加工中在没有干涉的情况下可选择更大的刀具直径这样刀具的刚性也更好如图 + 所示图球头铣刀和环形铣刀表面粗糙度理论值的比较 26$ %8##% "#$ $# 8#$$ -#5 % 5 % 图数控铣削的常用刀具 #;#%&-$#5%2 6#$$ 球头铣刀在切削过程中球头刀的底部为球形因此具有自适应性即刀具的法截线曲率半径恒为刀具半径这种自适应性使刀具的行距与干涉避免的计算都大为简化但其缺点是容屑空间小底部切削效率低及切削速度不恒定球头铣刀的切削刃在不同位置处的切削速度不同而且在接近球头端点处的切削速度为零正是这些局限性导致了球头刀加工效率与表面质量难以提高从几何学形状来看环形铣刀和球头铣刀相比在加工面的表面粗糙度上具有明显的优势如果在获得同样高的加工残余量理论高度即获取同样的表面粗糙度的前提下与球头铣刀相比环形铣刀的步距要宽数倍所以可大大地缩短加工时间如图所示另外如果同样只是需要刀具的底圆角图 + 球头铣刀和环形铣刀刚性比较 +.%#$$6$-#5 %5 % 平头端铣刀的切削刃是刀具的端面与侧面的交界边缘线其局限性一方面是加工时刀刃易于磨损另一方面是由于平底端铣刀真正起切削作用的是刀刃口与刀具端面的交点因此加工后留下的表面粗糙度较大增加了后续磨削工序难度同时平底铣刀在加工复杂曲面时也容易出现过切的现象如图所示综上所述环形铣刀同球头铣刀和平头端铣刀相比具有以下优点切削性能好环形铣刀没有尖锐的切削刃与平底刀相比被加工表面粗糙度要小很多表面质量好加工效率高在获得同样的表面粗糙度的前提下与球头铣刀相比环形铣刀的步距要宽数倍所以总切削长度变短可大大地缩短加工时间 + 刀具寿命高成本低

第期岳彩旭等基于磨制精度的环形铣刀刃线几何模型坐标系在坐标系中以半径为, 的角圆其圆心到图平头端铣刀加工复杂曲面时的过切现象 )"#-% 68## 6# "#5$#&%-#5 % 环形铣刀没有尖刃刀具磨损相对较小环形铣刀的几何结构解析环形铣刀是由 + 个部分组成即圆柱侧面底面和圆角面环形铣刀刀具结构各部分名称如图, 所示图, 环形铣刀, %

3 第期岳彩旭等基于磨制精度的环形铣刀刃线几何模型坐标系在坐标系中以半径为, 的角圆其圆心到图平头端铣刀加工复杂曲面时的过切现象 )"#-% 68## 6# "#5$#&%-#5 % 环形铣刀没有尖刃刀具磨损相对较小环形铣刀的几何结构解析环形铣刀是由 + 个部分组成即圆柱侧面底面和圆角面环形铣刀刀具结构各部分名称如图, 所示图, 环形铣刀, % 回转刀具的刃口曲线常常采用等螺旋角算 - 法以下讨论对等螺旋角环形铣刀刃口曲线建模也包括周刃刃线与圆角刃线图为环形铣刀! 轴距离为 " 用刃线上任意点 # 依次旋转和角度来表达刃线的方程其中和为刃口曲线方程的自变量当绕轴回转时所得回转面方程为 $"% $$ "% $$ &$ 运用曲面第一基本形式得 $$$ $$ $ $& "% $$ "% $$ + 则第一类基本量为 '$ $ $ $ $ $"% $ 若螺旋角为则有 '5 $ $ '5 %'5 式, 两边同时积分得 5 $ % " % $ 5, $& "$ % % 将初始值代入式求得因此 $ "$ % $& "$ % & 式中 $" 将式代入式便可得到圆角回转面上刃口曲线再考虑后接圆柱面刀刃曲线 $"% $ "% $ %! 式中! 为刀具的周刃长度依照式可推出 5 $ % " % 5! 为使螺旋刃口曲线连续将代入式得图环形铣刀坐标系 25%#$&$%# % $ % "$ 对式两边同时积分得 $!% % % " % "$

南京航空航天大学学报第卷将式代入式可得与圆角回转面上刃口连续的柱面上的螺旋刃口且与其经线成定角将式分别代入式可分别得出等螺旋角圆角刃口曲线方程和圆柱回转面上的刃口曲线方程基于 7% 软件对得到的环形铣刀的刃口几何模型进行仿真如图所示环形铣刀的周刃刃口曲线方程为 "% $ $ "% $ % % % " % "$ "%! 在圆角面与圆柱面连接处将 $!

4 南京航空航天大学学报第卷将式代入式可得与圆角回转面上刃口连续的柱面上的螺旋刃口且与其经线成定角将式分别代入式可分别得出等螺旋角圆角刃口曲线方程和圆柱回转面上的刃口曲线方程基于 7% 软件对得到的环形铣刀的刃口几何模型进行仿真如图所示环形铣刀的周刃刃口曲线方程为 "% $ $ "% $ % % % " % "$ "%! 在圆角面与圆柱面连接处将 $! $ 代入式 + 有 $ "% $ % "$ "% $ % "$, $ "% $ % "$ "% $ % "$ 由式, 可知即圆角回转面和柱面上等螺旋角刃口曲线在连接处连续即环形铣刀在此处光滑过渡圆柱面螺旋刃口和底部刃口曲线的光滑过渡保证了环形铣刀的磨制精度 ( 基于刃线方程的环形铣刀的磨制图刃口几何模型仿真.% ##%5#% #5# 环形铣刀刃口曲线的连续性分析环形铣刀圆柱面上的螺旋线和底部的圆角曲线的过渡以及前刀面的过渡是刀具设计制造的关键本文对环形铣刀等螺旋角圆弧刃刃口曲线与圆柱面上的周刃刃口曲线在交汇处是矢量相同进行了论证由前面推导可知将式分别代入到式可得到等螺旋角圆角刃口虚线方程和圆柱回转面上的刃口曲线方程通过计算可得等螺旋角圆弧刃口曲线方程为 $ "% $ $ & "$ % & "% $$& "$ % & " &$ + 为了验证环形铣刀的磨制精度基于所建立的环形铣刀的周刃圆弧刃的几何模型以及刀具几何参数进行了环形铣刀的磨制其中刀具的具体参数为 $"$$ $+$ $ $ 利用./# 五轴工具磨床的 % 磨削软件生产磨削轨迹并对其进行仿真保证环形铣刀周刃前刀面以及圆弧刃前刀面能够光滑过渡其仿真结果如图所示最终运用./# 五轴工具磨床对其进行磨制磨制过程如图所示所得到的环形铣刀如图所示图环形铣刀磨削轨迹的仿真.% 5 %/ %

第期岳彩旭等基于磨制精度的环形铣刀刃线几何模型 #=&0 & 08#%8#& ##% 5# 5 %8# 66% 22 8 711*$%%%#0#8&9#$$ - 陈逢军基于五轴数控磨床加工的球头立铣刀数学模型及仿真研究 ( 长沙湖南大学图环形铣刀磨制过程及结果 5 6#$$5#$% % ) 结束语在淬硬钢铣削工艺中

5 第期岳彩旭等基于磨制精度的环形铣刀刃线几何模型 #=&0 & 08#%8#& ##% 5# 5 %8# 66% *$%%%#0#8&9#$$ - 陈逢军基于五轴数控磨床加工的球头立铣刀数学模型及仿真研究 ( 长沙湖南大学图环形铣刀磨制过程及结果 5 6#$$5#$% % ) 结束语在淬硬钢铣削工艺中周边切削刃与底面切削刃以一小段圆弧过渡的环形铣刀与球头铣刀和平头端铣刀相比在加工精度表面质量和切削效率方面具有较高的综合优势结合环形铣刀加工原理以及回转刀具螺旋线成形原理的理论分析本文建立了典型环形铣刀的圆角刃与周刃的曲线模型该模型较好地解决了环形铣刀的刃形建模问题基于所建立的铣刀模型本文利用./# 五轴工具磨床进行了环形铣刀的磨制检测结果表明刀具磨制精度较高本文研究结果为环形铣刀的研制及切削性能的提高提供了理论基础参考文献王扬渝多硬度拼接淬硬钢铣削动力学研究 ( 杭州浙江工业大学 + 4 & 7 5&$ $$##5 85##5 $%## :%8 5##% 85#$$ ( 188#!"#$%&0#8&+ 张安山刘献礼李茂月等汽车覆盖件模具的非球头刀宽行加工方法哈尔滨理工大学学报 - 8 '$83 <3 7&##% ' 668 % --#5 %# "# 5:%8# 8 $%6 :5%8 1!"#$%&.## 5 0#8&- + 任秉银唐余勇数控加工中的几何建模理论及其应用 7 哈尔滨哈尔滨工业大学出版杜 - 28##08##$#8$%5%8- #% 5#-#5%$$#5"#-$ # % 5# (28$81!"#$%&, 鲍青山汪云涛唐余勇回转铣刀刃口曲线通式应用与连续黑龙江大学自然科学学报 +-+, =>$84 %0 & 2#% #;%66%5%%&5#"# %%"# %#%.## 1#!"#$%&+-+, 唐余勇鲍青山汪云涛带角圆的凸弧回转铣刀上新型刃口设计黑龙江大学自然科学学报 +,- 0 & = >$84 %#: 5#$%8#% #5#%8##"" %#$ :%8%5$86#%.## 1#!"#$%&+,- 唐余勇姚强有关带角圆的凸弧铣刀的探讨黑龙江大学自然科学学报 - 0 & > #$#8 %8# #"" %#$ :%8%5$86# %.##1#!"#$%& - 韩琦模具加工用刀具的新概念机械工人 -+ 1 >08# #: #6% %# 5 6#$$ 78#& 4/#$-+ 龚智辉宾鸿赞螺旋角的广义定义及其应用中国机械工程,-, 88=108# ###55#% 566%%8#8##7#8- ## 28,-, 张学奇唐余勇三沟槽等螺旋角带角圆铣刀设计的数学模型机械科学与技术 - 8 <#;0 & ' %8#%5# 5#$ %"# #;$#:-# %# :%8 #-# 7#8.## 5 0#8&-

6 南京航空航天大学学报第卷

CVD 5-7 Schulz 1 CFPR 8 2 Hintze TiCN TiA1N CFPR

CVD 5-7 Schulz 1 CFPR 8 2 Hintze TiCN TiA1N CFPR 23 5 2018 10 Vol. 23 No. 5 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Oct. 2018 1 2 2 2 1 1. 361021 2. 361100 DOI 10. 15938 /j. jhust. 2018. 05. 006 TG501 A 1007-2683 2018 05-0030- 05 The Mechanism