带圆角圆弧头铣刀设计的关键技术

陈涛　李显创　王广越　刘献礼

摘要：淬硬钢为典型难加工模具材料，其加工过程中受强热力耦合载荷作用，易导致刀具磨破损，进而降低模具加工表面质量。为了提高工件加工表面质量和刀具寿命，对带圆角圆弧头铣刀的设计进行了研究。首先，结合球头立铣刀和平底圆角立铣刀切削特性，提出了一种适用于大型淬硬钢模具加工的带圆角圆弧头铣刀。其次，对带圆角圆弧头铣刀几何特征进行定义，建立了铣刀轮廓面数学模型，推导了螺旋切削刃参数方程。最后，通过仿真、刀具磨削试验和检测中心对所设计的带圆角圆弧头铣刀进行了检验。检验结果表明：带圆角圆弧头铣刀的刀具直径、圆角半径、圆弧头半径、刃形的磨削精度误差范围在±0.001 mm以内，螺旋角、前角和后角的磨削精度误差范围在±0.05。以内，为刀具的推广应用提供了技术保障。

关键词：切削特性；带圆角圆弧头铣刀；螺旋切削刃；刀具磨削；精度检测

中图分类号：TG501 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0075-05

0 引言

淬硬钢材料具有硬度高、延伸率小、塑性低和易形成高光洁加工表面等优点，在轿车覆盖件模具行业中得到广泛应用。然而，由于大型淬硬钢模具高硬度、型面特征复杂的特点，加工过程中切削载荷较大且多变，易导致刀具磨、破损，进而降低模具加工表面质量，对切削刀具提出了新的挑战。

为了提高工件加工表面质量和刀具寿命，相关人员对整体硬质合金立铣刀结构设计开展了研究。Shirase等对变齿距螺旋立铣刀进行了切削力和加工表面误差分析，提出了变齿距立铣刀不仅能够抑制颤振，且可以有效减小加工表面误差，提供加工表面质量。Yusoff等分析变螺旋角铣刀抑制颤振的机理，结果表明采用变螺旋角结构有助于降低铣削系统的颤振，增加其稳定性。Song等对立铣刀高速铣削的颤振稳定域进行研究，提出不等齿距、不等螺旋角立铣刀的系统稳定性更好。张辉等建立等螺旋角球头铣刀螺旋刃线，解决了刀具在切削过程中受力不均匀的问题，减少了刀具的磨、破损。Domrovari等提出变导程的立铣刀的刃线设计，提高了刀具在铣削过程中的稳定性。Engin設计‘S形切削刃，解决了球头铣刀在铣削过程中出现的振动问题。董敏提出了等螺距连续刃口曲线，为刀具的设计和制造提供了参考。何耀雄提出了广义螺旋运动概念，并建立了球头刀典型刀刃曲线的通用数学模型及其设计方法。

可见，针对整体硬质合金立铣刀结构研究，目前主要集中在球头立铣刀和平底圆角立铣刀的不等距、变螺旋角和刀具刃型等特征方面，而对成型立铣刀设计方面的研究还很少。本文根据切削刀具在加工大型淬硬钢模具型面的特点，同时结合球头和平底圆角等立铣刀的切削特性，提出了带圆角圆弧头铣刀这类成型铣刀，并进行刀具的设计、磨制和检测。

1 带圆角圆弧头铣刀

1.1 不同类型铣刀切削特性对比分析

在图1球头铣刀和环形铣刀切削特性对比分析中，使刀具的切削深度、每齿进给量和刀具直径都保持一致。

（1）

（2）

（3）

（4）其中：R为切削底刃曲率半径，a_p为切削深度，K_r为主偏角，h_ex为切削厚度，f_Z为每齿进给量，L_e为接触长度。F_C为主切削力，A_D为单位切削面积，b_D为切削宽度，K_C为切削力系数。

由公式（1）可知，在相同的切削深度下，球头立铣刀的主偏角小于平底圆角立铣刀。由式（2）～（4）可知，相同的进给量，小的主偏角会产生相对小的厚度的切屑，进而减小切削轴向力，提高刀具抗磨、破损的能力，但球头立铣刀的切削刚度小于平底圆角立铣刀，在加工高硬度淬硬钢容易引起刀具变形，造成加工表面质量下降。

1.2 带圆角圆弧头铣刀的提出

结合球头和平底圆角等立铣刀的切削特性和面向大型淬硬钢模具加工中表面质量和刀具寿命问题，本文提出了一种带圆角圆弧头铣刀，如图2所示。

带圆角圆弧头铣刀结构主要包括圆弧头结构、刀柄结构和圆弧头结构与刀柄结构有圆弧过渡的圆角结构。其中圆角结构不但能使圆弧头和刀柄两段结构光滑过渡而且增加了参与切削的切削刃长度，使刀具磨、破损减小，提高了刀具寿命，降低了加工成本。同时圆角结构使刀具的轴向截面为椭圆形，在保证了刀具刚度的同时，最大限度的提高了刀具的刀尖锥度，从而提高了刀具的锋利性。图2带圆角圆弧头铣刀

根据图1、图2和式（1）～（4），带圆角圆弧头铣刀的切削主偏角明显小于球头铣刀和平底圆角立铣刀，小的主偏角不但能够使切削刃更为平缓地切入，而且有助于减少轴向力和保护切削刃，提高工件加工表面质量和刀具寿命。

2 带圆角圆弧头铣刀结构数学模型的建立

2.1 轮廓面数学模型的建立

对带圆角圆弧头铣刀几何特征进行定义，如图3所示，其几何特征是由AB段圆弧与BC段圆弧相连，然后BC段圆弧再与CD段直线相连组成。其中，圆弧顶点O与4点重合，D点为AB段圆弧头结构的圆心，AB段圆弧半径为R₀，O₁点为BC段圆角结构圆心，BC段圆角结构的圆弧半径为R₁，CD段刀柄结构的圆弧半径为R₂。

根据带圆角圆弧头铣刀几何特征的定义建立轮廓面数学模型，AB段圆弧头结构轮廓面数学模型如下式：式中：r₀为AB段刃口曲线任意点的空间矢量，R₀为带圆角圆弧头铣刀AB段圆弧的半径，φ₀为AB段圆弧面螺旋刃线的回转角，θ为点沿着AB段螺旋刃线移动与O点的连线与OA夹角，α为OA与OB之间的夹角。