高速銑削的陶瓷端銑刀設(shè)計(jì)

1、目 錄1 引言12 采用高速陶瓷機(jī)夾式的意義32.1 機(jī)械夾固式硬質(zhì)合金端銑刀特點(diǎn)32.2 機(jī)械夾固式硬質(zhì)合金端銑刀實(shí)用價(jià)值32.2.1 節(jié)約成本32.2.2 豐富教學(xué)和提高技能43 陶瓷端銑刀的概述 53.1 陶瓷刀具的前景 53.2 陶瓷刀具的性能 53.3 為了改善切削加工性能所采用的手段 53.3.1 采用合適的幾何參數(shù) 53.3.2 選擇合理的切削用量和切削速度 53.3.3 陶瓷刀片的結(jié)構(gòu)與刃磨 63.3.4 刀體及刀片座形狀設(shè)計(jì) 63.3.5 刀片夾緊方式 63.4 刀柄的設(shè)計(jì)選擇 73.5 陶瓷刀具的種類 74 端銑刀的結(jié)構(gòu) 84.1 刀體結(jié)構(gòu) 84.2 刀盤結(jié)構(gòu)104.3 刀

2、盤工作理114.4 機(jī)夾式銑刀的重點(diǎn)和難點(diǎn)125 銑刀的設(shè)計(jì) 136 刀片的設(shè)計(jì) 156.1 可轉(zhuǎn)位刀片的設(shè)計(jì)要求 156.2 刀片的參數(shù) 156.2.1 可轉(zhuǎn)位刀片的基本尺寸 166.2.2 銑刀參數(shù) 167 刀片安裝槽的設(shè)計(jì) 177.1 刀片座的設(shè)計(jì)計(jì)算 187.2 計(jì)算刀齒槽和壓塊尺寸 178 刀柄的設(shè)計(jì) 198.1 7/24刀柄的結(jié)構(gòu) 198.1.1 中空結(jié)構(gòu)198.1.2錐面嚴(yán)格的過盈量 198.1.3 承受扭矩和彎矩的能力 218.1.4 刀柄聯(lián)接形式的精度特點(diǎn) 218.2 刀柄的尺寸228.2.1 第一種刀柄尺寸238.2.2 第二種刀柄尺寸238.3 連接方式239 結(jié)論25參

3、考文獻(xiàn)26致謝271 引言金屬切削加工是先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)技術(shù)。金屬陶瓷刀具具有高耐熱性、高硬度與耐磨性能和良好的高溫力學(xué)性能,與金屬的親合力小,不易與金屬 產(chǎn)生粘結(jié),并且化學(xué)溫度性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),它是先進(jìn)制造技術(shù)強(qiáng)有力的武器,成為2 1世紀(jì)的最重要的刀具材料之一1。因此,可轉(zhuǎn)位陶瓷銑刀可以加工傳統(tǒng) 刀具難以加工或根本不能加工的超硬材料,實(shí)現(xiàn)以銑代磨。可轉(zhuǎn)位陶瓷銑刀的最佳切削速度可以比硬質(zhì)合金刀具高3 10倍,而且刀具壽命長,可以減少換刀次數(shù),從而大大提高切削加工生產(chǎn)效率2。數(shù)控金屬陶瓷可轉(zhuǎn)位銑刀的研究、開發(fā)不僅能大幅度提高數(shù)控銑床、加工中心加工生產(chǎn)率,也將極大促進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。陶瓷

4、可轉(zhuǎn)位銑刀采用的刀片切向排列，由于刀片切向安裝,可使切削力方向的可轉(zhuǎn)位刀片受力情況改善,這樣切削刃的強(qiáng)度和剛性大大提高。因此，使每齒銑削量及切深相應(yīng)提高,銑刀刀片不易崩刃,提高了銑刀的壽命3。銑刀的刀片采用切削力夾緊,隨著切削力的增大夾緊力也增大,夾緊可靠。由于采用切削力夾緊方式,減少了元件數(shù)量，使排屑槽的空間增大,排屑性能得到改善,結(jié)構(gòu)簡單緊湊4。刀片用一個(gè)楔塊固定在刀槽上,轉(zhuǎn)位方便，銑刀的刀體采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼,并經(jīng)過熱處理及表面處理使銑刀刀體具有足夠的強(qiáng)度及硬度。高速切削在航空航天業(yè)、模具工業(yè)、電子行業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在航空航天業(yè)主要是解決薄壁件加工、高精度、難加工

5、材料的加工效率等問題，特別是整體結(jié)構(gòu)件高速切削，既保證了零件質(zhì)量，又節(jié)省了許多裝配時(shí)間5。模具制造業(yè)中大部分模具零件采用高速銑削技術(shù)，可加工硬度達(dá)5060HRC的淬硬材料，因而取代了磨削、部分電火花加工等工藝過程，并減少了鉗工修磨工序，縮短了模具加工周期；高速切削的高效率使其在電子印刷線路板打孔和汽車大規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用6。目前，適合高速切削的工件材料有高溫合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼、淬硬鋼等難加工材料。高速切削具有以下優(yōu)點(diǎn)：高速切削時(shí)切屑變形??；已加工表面質(zhì)量高；工藝系統(tǒng)振動(dòng)減?。伙@著提高材料切除率；加工成本降低；近幾年來，由于國外公司率先控制了原料純度和顆粒尺寸，通過添加各種碳化物、

6、氮化物、硼化物和氧化物等改善了其性能，還可通過顆粒、晶須、相變、等幾種增韌機(jī)理的協(xié)同作用提高了陶瓷材料的斷裂韌性7。這些措施不僅使陶瓷材料抗彎強(qiáng)度提高到0.91.0GPa，而且斷裂韌度和抗沖擊性能都有很大提高。在發(fā)達(dá)國家陶瓷刀具應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工8。目前，國外陶瓷刀具能以2001000m/min的切削速度高速加工鋼、鑄鐵及其合金等材料，刀具壽命比硬質(zhì)合金高幾倍、甚至幾十倍。美國和德國等發(fā)達(dá)國家已將使用陶瓷刀片的刀具視作進(jìn)一步提高勞動(dòng)生產(chǎn)率最有希望的刀具材料。我們要抓住這個(gè)有利時(shí)機(jī)，積極采用先進(jìn)陶瓷刀具，為提高企業(yè)的加工技術(shù)和競爭實(shí)力服

7、務(wù)，迎接經(jīng)濟(jì)全球化的挑戰(zhàn)9。2 采用高速陶瓷機(jī)夾式的意義高速切削已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分和顯著的標(biāo)志之一，成為制造業(yè)中裝備制造工業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具工業(yè)等主要工業(yè)部門的關(guān)鍵技術(shù)10。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，高速切削已是一項(xiàng)實(shí)用的新技術(shù)，積極開發(fā)應(yīng)用高速切削新工藝成為企業(yè)提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、縮短交貨周期從而提高競爭實(shí)力的重要舉措，產(chǎn)生了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益11。因此，加快發(fā)展和應(yīng)用以高速切削技術(shù)為代表的先進(jìn)切削技術(shù)已成為各國制造業(yè)和制造技術(shù)各領(lǐng)域的共識。2.1 機(jī)械夾固式硬質(zhì)合金端銑刀特點(diǎn)：這種銑刀體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、夾緊力大、夾緊可靠、切削過程平穩(wěn)、制造工藝

8、性好、可操作性較好。刀具主偏角、副偏角、副后角、前角及刃傾等角度,均由刀盤體的加工和刀片安裝后保證，也不必將刀片刃磨，減少刃磨工作量和砂的磨損13。刀片的調(diào)正對刀也較容易,并且裝卸方便,在般磨刀機(jī)上均可刃磨，要求條件不高。在刀盤中不用刀片伸出高度定位銷,當(dāng)?shù)镀免g或崩刃時(shí)，可刃磨后重新調(diào)整刀片高再使用。刀片可多次重磨,利用率極高。刀盤體使用期長可以,節(jié)約大量作刀盤體的鋼材。主偏角為45°,降低了徑向切力, 合理的前角使切屑變小,散熱性較好,減少振動(dòng)副偏角為15°,刀尖部分與工件接觸面小,有利于加工,削輕快省力,提高刀具的耐用度,生產(chǎn)效率顯著提高14。采用陶瓷刀片,可切削高強(qiáng)

9、度淬火鋼、不銹鋼等。不需要焊接,完全避免了由于焊接帶來缺陷,刀片平均使用壽命比焊接刀片提高了 210倍15。2.2 機(jī)械夾固式硬質(zhì)合金端銑刀實(shí)用價(jià)值：2.2.1 節(jié)約成本一把機(jī)械夾固式陶瓷端銑刀的制作,需45鋼材、復(fù)合陶瓷刀片和M6內(nèi)六角螺釘即可，與不重磨硬質(zhì)合金端銑刀相比,節(jié)約了龐大的開支。加工刀具的過程中既減少了釬焊,又保證了刀盤的重復(fù)使用,每年每把刀可節(jié)約材料及加工費(fèi)用20003000元16。緊固塊的重復(fù)使用還減少常規(guī)制作的熱處理,減少熱處理和專用工具磨床設(shè)備的成本17。2.2.2使用方便使用機(jī)夾式刀具每次磨損后換刀較方便，只需要更換掉刀片，換刀時(shí)間可以大大節(jié)省，由于刀片的尺寸等技術(shù)參數(shù)

10、是標(biāo)準(zhǔn)化的，換刀片后，刀具還可以達(dá)到較好的精度，在生產(chǎn)中意義巨大。3 陶瓷端銑刀的概述3.1 陶瓷刀具的前景陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咚偾邢鞯毒?，在生產(chǎn)中有美好的應(yīng)用前景，目前已引起世界各國的重視19。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%-10%。近幾年來，中國陶瓷刀具的發(fā)展也十分迅速，品種增多，性能提高19。中國開發(fā)的陶瓷與硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片，其工作表面既有陶瓷材料高的硬度與耐磨性，而基體又有硬質(zhì)合金較好的抗彎強(qiáng)度，故能承受沖擊負(fù)荷，并解決了陶瓷刀具鑲焊困難等問題，為推廣使用陶瓷刀具創(chuàng)造了條件。尤其是近幾年國內(nèi)外開發(fā)的新品種，盡管至今生產(chǎn)

11、還未形成規(guī)模，但因性能優(yōu)異，有廣泛的用途，今后必將迅速發(fā)展20?？梢灶A(yù)料，隨著高速切削、干式切削和硬切削應(yīng)用的增多，今后必將促進(jìn)陶瓷刀具的發(fā)展與使用。3.2 陶瓷刀具的性能 陶瓷刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，其硬度高(91-95HRA)、耐磨性好，在相同切削條件加工鋼料時(shí)，磨損僅為P10(YT15)，是硬質(zhì)合金刀具的1/15，刀具壽命長；在1200時(shí)仍能保持80HRA的高硬度，所以在高溫下仍能進(jìn)行高速切削；它與鋼鐵金屬的親和力小，摩擦因數(shù)低，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)，切削時(shí)不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好。另一方面，陶瓷刀具的缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和抗熱沖擊性能較差，當(dāng)切削溫度發(fā)生顯著變化時(shí)，容易產(chǎn)

12、生裂紋。3.3 為了改善切削加工性能所采用的手段3.3.1 采用合適的幾何參數(shù)刀具陶瓷的一些新品種在強(qiáng)度和韌性方面有了較大的提高，但畢竟是脆性材料，抗彎強(qiáng)度較低而抗壓強(qiáng)度高。為了充分發(fā)揮陶瓷刀具材料抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，陶瓷刀具采用負(fù)前角100，刃傾角150 ，主偏角取450，后角取100，刀尖半徑0.8mm。3.3.2 選擇合理的切削用量和切削速度根據(jù)被加工工件材料是高溫合金和淬火鋼的特點(diǎn)，在機(jī)床功率、工藝系統(tǒng)剛性和以充分發(fā)揮高溫性能好的特點(diǎn)。采用高速切削可以避免積屑瘤，當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí)，由于切削溫度較高，冷焊消失，此時(shí)積屑瘤不再存在。在機(jī)械加工中切削速度對變形系數(shù)有著顯著影響，以40鋼為例，切

13、削高溫合金和淬火鋼時(shí)有類似的馬鞍形變化規(guī)律。以350m/min到700m/min切削速度銑削高溫合金，可以有效阻止積屑瘤的形成。3.3.3 陶瓷刀片的結(jié)構(gòu)與刃磨陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)采用正四邊形機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)被加工零件表面粗糙度要求為Ra=0.4以下，故選擇刀片內(nèi)切圓直徑d=12.70mm，刀片厚度S=4.76mm。正四邊形刀片邊L=d/sin550，L=d/sin550，L=15.875/0.760=12.76mm。刃磨陶瓷刀具應(yīng)在工具磨床上使用專用夾具，以保證刃磨質(zhì)量。3.3.4 刀體及刀片座形狀設(shè)計(jì)刀體采用圓柱形，材料用40Cr,淬火處理后表面硬度不低于HRC30。刀片座長度h=

14、d+2.725=15.875+2.725=18.6mm，寬度B=2.42S=2.42×4.76=11.52mm。刀體外形如圖3.1所示。圖 3.1 刀體外形3.3.5 刀片夾緊方式機(jī)夾式刀具相對整體焊接式而言，沒有焊縫也不會(huì)出現(xiàn)因焊接而導(dǎo)致的應(yīng)力集中，節(jié)約了大量刀具安裝時(shí)間，同時(shí)刀體刀柄可以重復(fù)利用只需要換刀片，節(jié)約了刀具成本，所以選擇機(jī)夾式刀片，其中刀片和刀體間的連接方法中楔塊夾緊式 （見圖3.2）。1刀體 2.楔塊 3.刀片圖 3.2 楔塊夾緊式3.4 刀柄的設(shè)計(jì)選擇兩種刀體除了各部分具體尺寸是不同的系列外，最大的區(qū)別是刀體和刀柄連接處的定位和連接方式不同：分別采用主軸與端面定位

15、，帶端鍵傳動(dòng)，用夾緊螺釘連接刀桿和刀體；平面與心軸定位，帶端鍵傳動(dòng)的7/24錐度帶前導(dǎo)部分定心刀桿，用四個(gè)M6螺栓連接刀桿和刀體。4 端銑刀的結(jié)構(gòu)4.1 刀體結(jié)構(gòu)端銑刀有整體式，鑲嵌式和機(jī)夾式三種，由于機(jī)夾式端銑刀的刀片有多個(gè)切削刃，當(dāng)一個(gè)切削刃磨損后可以轉(zhuǎn)位，故節(jié)省了刀具材料，減少了庫存，還具有換刀方便等優(yōu)點(diǎn)，故現(xiàn)在的端銑刀多采用機(jī)夾式結(jié)構(gòu)（見圖4.1、4.2、4.3）。圖4.1 刀體前視圖 圖4.2 刀體俯視圖5 銑刀的設(shè)計(jì)為了保證銑刀有良好的切削性能，應(yīng)滿足以下六項(xiàng)基本要求：定位精度可轉(zhuǎn)位銑刀的定位包括刀片在刀體上的定位和銑刀在機(jī)床上的定位兩個(gè)方面：刀片的定位：刀片定位的意義在于保證銑刀

16、切削刃的跳動(dòng)值，限制在允許的公差范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，除了采用變形小、硬度高的材料來制造定位元件外，在銑刀設(shè)計(jì)上普遍采用了三點(diǎn)定位的方法。刀片在制造、檢驗(yàn)和使用時(shí)都采用三點(diǎn)定位的方法。6 刀片的設(shè)計(jì)6.1 可作為陶瓷刀具的陶瓷材料的種類氧化鋁（Al203）基陶瓷純氧化鋁陶瓷； 氧化鋁碳化物系復(fù)合陶瓷； 氧化鋁碳化鈦金屬系復(fù)合陶瓷； Al2O3-SiC晶須增韌陶瓷； 氮化硅(Si3N4)基陶瓷；6.2 可轉(zhuǎn)位刀片的設(shè)計(jì)要求綜合考慮各種陶瓷材料的性能，本設(shè)計(jì)選用氧化鋁碳化鈦金屬系復(fù)合陶瓷作為刀片材料。 在同一刀片上，要有盡可能多的切削刃供轉(zhuǎn)位使用，以提高可轉(zhuǎn)位刀片的使用率。盡量簡化或有利于刀片

17、在刀具上的夾緊與定位。要有足夠的強(qiáng)度，以承受切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱、切削力和沖擊、震動(dòng)等作用。各切削刃要有相同的幾何參數(shù)，保證轉(zhuǎn)位或更換刀片后的切削要求不變。要有一定的精度，保證可轉(zhuǎn)位刀片的完全互換。刀尖在切削加工時(shí)的可達(dá)性要好。7 刀片安裝槽的設(shè)計(jì)7.1 刀片座的設(shè)計(jì)計(jì)算刀片座尺寸包括槽深h，底座厚度B，刀尖伸出底座長度h1。h=d+2.75=12.70+2.725=15.425B=2.42S=2.42×4.76=11.519,h1=h(ab+bc+ef)=h s.tg8o +0.5+(B-s).tg16o =h-4.76×tg8o +0.5+1.735=15.425-0.6

18、01+0.5+1.735=12.589mm7.2 計(jì)算刀齒槽和壓塊尺寸8 刀柄的設(shè)計(jì)8.1 刀柄的結(jié)構(gòu) 機(jī)床工具系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是端面和錐面同步接觸。夾緊時(shí),由于錐部有過盈,所以錐面受壓產(chǎn)生彈性變形,同時(shí)刀柄向主軸錐孔軸向位移以消除初始間隙,實(shí)現(xiàn)端面之間的貼合,這樣就實(shí)現(xiàn)了雙面同步夾緊。就其本身的定位而言,這種保證錐面和端面同時(shí)定位的方式實(shí)質(zhì)上是過定位。接口的徑向精度是由錐面接觸特性決定的。接口的軸向精度是由接觸端面決定的,這與HSK錐柄明顯不同(HSK的軸向精度可達(dá)到12m，而 7/24錐柄僅為31m)。此外,接口的軸向精度不受軸向夾緊力大小的影響 ,僅由結(jié)構(gòu)決定。本團(tuán)隊(duì)全部是在讀機(jī)械類研

19、究生，熟練掌握專業(yè)知識，精通各類機(jī)械設(shè)計(jì)，服務(wù)質(zhì)量優(yōu)秀。可全程輔導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)，知識可貴，帶給你的不只是一份設(shè)計(jì)，更是一種能力。聯(lián)系方式：QQ，請看QQ資料。9 結(jié)論陶瓷材料具有極高的硬度及優(yōu)良的抗磨損性能，但其韌性和強(qiáng)度較差，抗沖擊能力差，因此正確選擇刀具幾何參數(shù)對于提高其抗破損性能、獲得較高的刀具耐用度有著重要的作用。本課題在設(shè)計(jì)高速陶瓷端銑刀的過程中，對端銑刀重新進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足陶瓷刀片切削淬火鋼等難切削材料的要求。設(shè)計(jì)中，通過對刀具幾何角度的改進(jìn)，使加工淬火鋼難的這一問題得到了一定的改善。本設(shè)計(jì)的陶瓷刀具采用負(fù)前角100，刃傾角150 ，主偏角取450，后角取100，刀尖半徑

20、0.8mm。采用楔塊在后刀面壓緊的固定方式、用調(diào)整塊或者漲緊螺栓調(diào)整刀片在銑刀軸向的長度,刀片軸向和周向精度還有待提高，刀體造型的美觀度需要進(jìn)一步改善。通過設(shè)計(jì)高速陶瓷端銑刀，我受益匪淺，既鞏固了所學(xué)專業(yè)理論知識，還加深了對所學(xué)知識的理解運(yùn)用，學(xué)會(huì)了系統(tǒng)的查閱資料，對AutoCAD、Solidworks等軟件的有更熟練的應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)1 張柏霖，楊慶東，陳長年等. 高速切削技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.82 劉戰(zhàn)強(qiáng). 先進(jìn)切削加工技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2005.63 許先緒，崔永茂. 金屬切削刀具. 上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1984.104 周永俊. 銑削/車削應(yīng)用指南.