制造工艺与刀具

1、制造工艺与刀具 之铣刀 主要内容什么是铣刀呢？ 铣刀铣刀即为具有圆柱体外形,并在圆周及底部带有切削刃,使其进行旋转运动来切削加工工件的切削刀具。几种常见的铣刀端铣刀面铣刀几种常见的铣刀键槽铣刀盘铣刀T形槽铣刀燕尾槽铣刀几种常见的铣刀角度铣刀:用于铣削成一定角度的沟槽，侧铣刀几种常见的铣刀圆弧成型铣刀齿轮成型铣刀铣刀材料的基本要求1高硬度和高耐磨性2好的耐热性3高的强度和好的韧性4工艺性好铣削方式相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方式：第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给式：第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相同的，在开始切削时

2、铣刀就咬住工件并切方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二种是逆铣，铣刀的旋转方向和下最后的切屑。第二种是逆铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必须在工件上滑移一段，以切削厚度为零开始，到切须在工件上滑移一段，以切削厚度为零开始，到切削结束时切削厚度达到最大。削结束时切削厚度达到最大。 顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力使工件离开工作台。使工件离开工作台。由于顺铣的切削效果最好，通由于顺铣的切削效果最好，通常首选顺铣常首选顺铣，只有当机床存在螺纹间隙

3、问题或者有，只有当机床存在螺纹间隙问题或者有顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。 铣刀几何角度铣刀几何角度(1)(1)前角前角Y Y：表示前刀面相对基面的倾斜程度，：表示前刀面相对基面的倾斜程度，它主要影响切屑的变形。它主要影响切屑的变形。(2)(2)后角后角：表示后刀面相对切削平面的倾：表示后刀面相对切削平面的倾斜程度，它主要影响刀具后刀面与工件之间斜程度，它主要影响刀具后刀面与工件之间的摩擦。的摩擦。(3)(3)楔角楔角：前刀面与后刀面的夹角。它反：前刀面与后刀面的夹角。它反映了刀具切削部分的锋利程度和强度。映了刀具切削部分的锋利程度和强度。铣刀几何角度这三

4、个角度的关系：这三个角度的关系：+ +=90=90。 对于焊接式整体铣刀，一般推荐的刀齿对于焊接式整体铣刀，一般推荐的刀齿后角为后角为10-1510-15度，前角为度，前角为25-3525-35度，楔角为度，楔角为40-5540-55度。组合式硬质合金成形装配式铣刀度。组合式硬质合金成形装配式铣刀推荐的楔角为推荐的楔角为30-4030-40度，软材取度，软材取3030度，硬材度，硬材取取4040度，后角一般为度，后角一般为10-2010-20度，推荐的前角度，推荐的前角加工软材时为加工软材时为25-3525-35度，加工硬材时为度，加工硬材时为10-2510-25度。度。球头铣刀球头铣刀球头铣

5、刀的出现与应用 球头铣刀是在立铣刀的基础上发球头铣刀是在立铣刀的基础上发展起来的展起来的, ,主要用于加工模具型腔表面主要用于加工模具型腔表面及其它成形表面。由于球头铣刀的有及其它成形表面。由于球头铣刀的有效刀刃角范围较大效刀刃角范围较大( (可达可达180180度度),),可以可以加工有严格变化曲率的切削面或很陡加工有严格变化曲率的切削面或很陡的曲面的曲面, ,因此在制造业因此在制造业( (尤其在模具生尤其在模具生产行业产行业) )中应用广泛中应用广泛, ,可用于加工涡轮、可用于加工涡轮、冲模、压模、飞机零件、具有复杂外冲模、压模、飞机零件、具有复杂外形的新产品等。形的新产品等。球头铣刀的使

6、用寿命由此可知，球头铣刀各处的切削进由此可知，球头铣刀各处的切削进度度 V V 随直径随直径 D D（Z Z）的变化而变）的变化而变化化。球头铣刀的使用寿命为了研究球头铣刀铣削参数对刀具使用寿命为了研究球头铣刀铣削参数对刀具使用寿命的影响，根据微分原理，沿铣刀轴线方向截的影响，根据微分原理，沿铣刀轴线方向截取厚度为取厚度为 dzdz，横截面直径为，横截面直径为 D D（Z Z）的铣刀）的铣刀切削部分作为球头铣刀微元。切削部分作为球头铣刀微元。球头铣刀的使用寿命球头铣刀球头铣刀 Z Z（R Rh h）R R 段非常短，对称段非常短，对称铣削集中在铣刀顶部；而铣削集中在铣刀顶部；而 Z Z（R R

7、aPaP）（R Rh h）段比较长，是球头铣刀铣削的主要）段比较长，是球头铣刀铣削的主要切削工作段，球头铣刀铣削以非对称铣削为切削工作段，球头铣刀铣削以非对称铣削为主。主。球头铣刀的使用寿命 球头铣刀顶部的对称铣削微元的球头铣刀顶部的对称铣削微元的使用寿命远远高于非对称铣削微元的使用寿命远远高于非对称铣削微元的使用寿命。因此，球头铣刀非对称铣使用寿命。因此，球头铣刀非对称铣削削 Z Z（R Rapap）（）（R Rh h）处，铣削）处，铣削微元使用寿命决定了球头铣刀使用寿微元使用寿命决定了球头铣刀使用寿命的高低。命的高低。(aP (aP 为铣削深度，为铣削深度，P P 为铣为铣削行距，削行距，

8、R R 为铣刀球面半径，为铣刀球面半径，h h 为铣为铣削行距间残留面的高度削行距间残留面的高度) )球头铣刀铣削微元使用寿命球头铣刀铣削微元使用寿命 Tw Tw 变化曲线变化曲线球头铣刀铣削过程中，非对称铣削处球头铣刀铣削过程中，非对称铣削处 Z Z（R RaPaP）时，铣削微元使用寿命时，铣削微元使用寿命 Twa Twa 较低，磨削较大，较低，磨削较大，Z Z（R Rh h）时，铣削微元使用寿命）时，铣削微元使用寿命 Twh Twh 较高，磨损较较高，磨损较小。小。球头铣刀使用寿命球头铣刀使用寿命 若球头铣刀使用寿命若球头铣刀使用寿命 T TTwaTwa，则铣，则铣削过程中更换刀具时，仅削

9、过程中更换刀具时，仅 Z Z（R Ra aP P）处）处铣削微元达到了使用寿命，而其它铣削微铣削微元达到了使用寿命，而其它铣削微元远未达到使用寿命。这不仅未能充分发元远未达到使用寿命。这不仅未能充分发挥刀具的切削效能，而且由于使用寿命过挥刀具的切削效能，而且由于使用寿命过低，刀具更换频繁，增加了换刀时间，使低，刀具更换频繁，增加了换刀时间，使铣削效率降低，加工成本增加。铣削效率降低，加工成本增加。球头铣刀的使用寿命 若球头铣刀使用寿命若球头铣刀使用寿命 T TTwhTwh，则铣削，则铣削过程中更换刀具时，其它铣削微元已大大超过程中更换刀具时，其它铣削微元已大大超过了各自的使用寿命而发生剧烈磨损

10、。此时，过了各自的使用寿命而发生剧烈磨损。此时，铣削力急剧增大，加工质量明显恶化。由此铣削力急剧增大，加工质量明显恶化。由此可知，球头铣刀使用寿命过高或过低均不利可知，球头铣刀使用寿命过高或过低均不利于球头铣刀铣削的顺利进行。于球头铣刀铣削的顺利进行。 为了充分发挥球头铣刀铣削的顺利进行，为了充分发挥球头铣刀铣削的顺利进行，以非对称铣削以非对称铣削 Z Z（R RaPaP）（）（R Rh h）处）处铣削微元平均使用寿命铣削微元平均使用寿命Twp Twp 作为球头铣刀的作为球头铣刀的使用寿命。使用寿命。球头铣刀使用寿命球头铣刀使用寿命Dp Dp 反映了反映了 apap、h h 及球头铣刀铣削部分

11、横截及球头铣刀铣削部分横截面直径面直径 D(Z)D(Z)对刀具使用寿命的影响程度。对刀具使用寿命的影响程度。由于指数由于指数q(1/mq(1/m）-1-1，则，则 Dp Dp 随（随（apaph h）的减少而增大。球头铣刀使用寿命各阶层随的减少而增大。球头铣刀使用寿命各阶层随之增大。该结果与球头铣刀铣削的实际情况之增大。该结果与球头铣刀铣削的实际情况相符。相符。微分化方法微分化方法, ,建立了球头铣刀使用寿命数学建立了球头铣刀使用寿命数学模型模型, ,实现了球头铣刀使用寿命的预报实现了球头铣刀使用寿命的预报, ,为刀为刀具优选提供了可靠的依据。具优选提供了可靠的依据。铣刀寿命在线监测 由于机床

12、主电机的功率随刀具的磨损程由于机床主电机的功率随刀具的磨损程度的加重而增大度的加重而增大, ,并且并且, ,电机功率信号的获取电机功率信号的获取只需通过从机床电气柜中引出相应的电流和只需通过从机床电气柜中引出相应的电流和电压信号线即可。现在以加工过程中采集到电压信号线即可。现在以加工过程中采集到的功率信号为基础的功率信号为基础, ,利用主轴功率、功率波利用主轴功率、功率波动量与刀具寿命之间的关系动量与刀具寿命之间的关系, ,针对球头铣刀针对球头铣刀, ,提出了一种新的在线监控刀具状态的方法提出了一种新的在线监控刀具状态的方法, ,并能够实时预测出刀具剩余寿命进行刀具寿并能够实时预测出刀具剩余寿

13、命进行刀具寿命管理。命管理。铣刀寿命在线监测刀具寿命在线监测与管理系统主要由信号检测与处刀具寿命在线监测与管理系统主要由信号检测与处理模块、数据库模块和刀具磨损识别模块三部分组理模块、数据库模块和刀具磨损识别模块三部分组成。系统结构如图所示。成。系统结构如图所示。铣刀寿命在线监测为满足和适应先进制造系统对于刀具为满足和适应先进制造系统对于刀具磨损的监测要求磨损的监测要求, ,以刀具寿命相对消耗以刀具寿命相对消耗量为衡量刀具磨损与否的标准。量为衡量刀具磨损与否的标准。所谓刀具寿命相对消耗量所谓刀具寿命相对消耗量, ,是指在一定是指在一定的切削条件下的切削条件下, ,刀具已切削时间与此条刀具已切削

14、时间与此条件下的刀具理论磨损寿命的比值。即件下的刀具理论磨损寿命的比值。即: : =t/T=t/T铣刀寿命在线监测铣削条件不同铣削条件不同, ,刀具磨损寿命也不同。刀具刀具磨损寿命也不同。刀具寿命相对总消耗量寿命相对总消耗量是各个铣削条件下的消是各个铣削条件下的消耗量之和。即耗量之和。即: :当当=1=1时时, ,刀具达到磨损极限刀具达到磨损极限, ,要求换刀或重要求换刀或重新刃磨。新刃磨。根据式可知根据式可知, ,在加工过程中在加工过程中, ,只要预测出各个只要预测出各个铣削条件下的刀具寿命铣削条件下的刀具寿命, ,通过刀具已切削时通过刀具已切削时间即可计算出刀具相对寿命消耗量间即可计算出刀

15、具相对寿命消耗量, ,从而实从而实现刀具寿命在线监控。现刀具寿命在线监控。铣刀寿命在线监测刀具磨损寿命理论公式为刀具磨损寿命理论公式为: :式中式中C CT T为刀具寿命系数为刀具寿命系数, ,与工件材料与工件材料, ,刀具材刀具材料和其它切削条件有关的修正系数。料和其它切削条件有关的修正系数。v,av,ap p,a,ae e,f,fz z,z,D,z,D0 0, ,分别为刀具切削速度分别为刀具切削速度, ,切削切削深度深度, ,切削宽度切削宽度, ,每齿进给量每齿进给量, ,刀具齿数及刀刀具齿数及刀具直径具直径, ,而而x,u,y,p,q,mx,u,y,p,q,m分别为相应参数的指分别为相应

16、参数的指数数, ,铣刀寿命在线监测铣削时功率的理论计算公式为铣削时功率的理论计算公式为: :式中式中n n、v vc c、分别为主轴转速、主轴线速、分别为主轴转速、主轴线速度度;x;xf f、y yf f、u uf f、q qf f、w wf f分别为相应的指数。分别为相应的指数。功率波动量指的是在一定的切削条件下功率波动量指的是在一定的切削条件下, ,铣铣削功率的最大值、最小值之差与平均值的比削功率的最大值、最小值之差与平均值的比值。即值。即: :铣刀寿命在线监测实测相对消耗量与理论预测相对消耗量与切实测相对消耗量与理论预测相对消耗量与切削时间的关系如图所示。由图可以看出削时间的关系如图所示

17、。由图可以看出, ,理理论结果与实验结果基本吻合。论结果与实验结果基本吻合。铣刀寿命在线监测(1)(1)用该方法预测的刀具寿命与实测寿命基用该方法预测的刀具寿命与实测寿命基本吻合本吻合, ,因此因此, ,刀具寿命在线监控方法具有可刀具寿命在线监控方法具有可行性行性, ,其检测结果能满足实际工作需要。其检测结果能满足实际工作需要。(2)(2)该方法能够预测刀具失效时间该方法能够预测刀具失效时间, ,且具有传且具有传感器安装方便感器安装方便, ,信号检测和算法实现较为简信号检测和算法实现较为简单单, ,系统成本低系统成本低, ,可靠性高可靠性高, ,容易实现等特点。容易实现等特点。本方法具有很好的推广价值。本方法具有很好的推广价值。(3)(3)该方法不仅适用于球头铣刀该方法不仅适用于球头铣刀, ,也适用于其也适用于其他不同类型的刀具寿命监控。他不同类型的刀具寿命监控。结论 球头铣刀是复杂曲面数控铣削加工球头铣刀是复杂曲面数控铣削加工的主要刀具，球头铣刀的使用寿命关的主要刀具，球头铣刀的使用寿命关系到铣削加工的质量、效率和成本，系到铣削加工的质量、效率和