高速铣削的陶瓷端铣刀设计.docx

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高速铣削的陶瓷端铣刀设计

1引言……………………………………………………………………………………1

2采用高速陶瓷机夹式的意义…………………………………………………………3

2.1机械夹固式硬质合金端铣刀特点…………………………………………………3

2.2机械夹固式硬质合金端铣刀实用价值……………………………………………3

2.2.1节约成本…………………………………………………………………………3

2.2.2丰富教学和提高技能……………………………………………………………4

3陶瓷端铣刀的概述…………………………………………………………………5

3.1陶瓷刀具的前景…………………………………………………………………5

3.2陶瓷刀具的性能…………………………………………………………………5

3.3为了改善切削加工性能所采用的手段…………………………………………5

3.3.1采用合适的几何参数…………………………………………………………5

3.3.2选择合理的切削用量和切削速度……………………………………………5

3.3.3陶瓷刀片的结构与刃磨………………………………………………………6

3.3.4刀体及刀片座形状设计………………………………………………………6

3.3.5刀片夹紧方式…………………………………………………………………6

3.4刀柄的设计选择…………………………………………………………………7

3.5陶瓷刀具的种类…………………………………………………………………7

4端铣刀的结构………………………………………………………………………8

4.1刀体结构…………………………………………………………………………8

4.2刀盘结构…………………………………………………………………………10

4.3刀盘工作理………………………………………………………………………11

4.4机夹式铣刀的重点和难点………………………………………………………12

5铣刀的设计………………………………………………………………………13

6刀片的设计………………………………………………………………………15

6.1可转位刀片的设计要求………………………………………………………15

6.2刀片的参数……………………………………………………………………15

6.2.1可转位刀片的基本尺寸……………………………………………………16

6.2.2铣刀参数……………………………………………………………………16

7刀片安装槽的设计………………………………………………………………17

7.1刀片座的设计计算……………………………………………………………18

7.2计算刀齿槽和压块尺寸………………………………………………………17

8刀柄的设计………………………………………………………………………19

8.17/24刀柄的结构………………………………………………………………19

8.1.1中空结构………………………………………………………………………19

8.1.2锥面严格的过盈量……………………………………………………………19

8.1.3承受扭矩和弯矩的能力………………………………………………………21

8.1.4刀柄联接形式的精度特点……………………………………………………21

8.2刀柄的尺寸………………………………………………………………………22

8.2.1第一种刀柄尺寸………………………………………………………………23

8.2.2第二种刀柄尺寸………………………………………………………………23

8.3连接方式…………………………………………………………………………23

9结论…………………………………………………………………………………25

参考文献………………………………………………………………………………26

致谢……………………………………………………………………………………27

1引言

金属切削加工是先进制造技术的重要基础技术。

金属陶瓷刀具具有高耐热性、高硬度与耐磨性能和良好的高温力学性能,与金属的亲合力小,不易与金属产生粘结,并且化学温度性好等独特的优点,它是先进制造技术强有力的武器,成为21世纪的最重要的刀具材料之一[1]。

因此,可转位陶瓷铣刀可以加工传统刀具难以加工或根本不能加工的超硬材料,实现以铣代磨。

可转位陶瓷铣刀的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高3～10倍,而且刀具寿命长,可以减少换刀次数,从而大大提高切削加工生产效率[2]。

数控金属陶瓷可转位铣刀的研究、开发不仅能大幅度提高数控铣床、加工中心加工生产率,也将极大促进先进制造技术的发展。

陶瓷可转位铣刀采用的刀片切向排列，由于刀片切向安装,可使切削力方向的可转位刀片受力情况改善,这样切削刃的强度和刚性大大提高。

因此，使每齿铣削量及切深相应提高,铣刀刀片不易崩刃,提高了铣刀的寿命[3]。

铣刀的刀片采用切削力夹紧,随着切削力的增大夹紧力也增大,夹紧可靠。

由于采用切削力夹紧方式,减少了元件数量，使排屑槽的空间增大,排屑性能得到改善,结构简单紧凑[4]。

刀片用一个楔块固定在刀槽上,转位方便，铣刀的刀体采用优质合金结构钢,并经过热处理及表面处理使铣刀刀体具有足够的强度及硬度。

高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。

在航空航天业主要是解决薄壁件加工、高精度、难加工材料的加工效率等问题，特别是整体结构件高速切削，既保证了零件质量，又节省了许多装配时间[5]。

模具制造业中大部分模具零件采用高速铣削技术，可加工硬度达50－60HRC的淬硬材料，因而取代了磨削、部分电火花加工等工艺过程，并减少了钳工修磨工序，缩短了模具加工周期；高速切削的高效率使其在电子印刷线路板打孔和汽车大规模生产中得到广泛应用[6]。

目前，适合高速切削的工件材料有高温合金、钛合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢等难加工材料。

高速切削具有以下优点：

高速切削时切屑变形小；

已加工表面质量高；

工艺系统振动减小；

显著提高材料切除率；

加工成本降低；

近几年来，由于国外公司率先控制了原料纯度和颗粒尺寸，通过添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善了其性能，还可通过颗粒、晶须、相变、等几种增韧机理的协同作用提高了陶瓷材料的断裂韧性[7]。

这些措施不仅使陶瓷材料抗弯强度提高到0.9～1.0GPa，而且断裂韧度和抗冲击性能都有很大提高。

在发达国家陶瓷刀具应用范围日益扩大，除可用于一般的精加工和半精加工外，也可用于冲击负荷下的粗加工[8]。

目前，国外陶瓷刀具能以200～1000m/min的切削速度高速加工钢、铸铁及其合金等材料，刀具寿命比硬质合金高几倍、甚至几十倍。

美国和德国等发达国家已将使用陶瓷刀片的刀具视作进一步提高劳动生产率最有希望的刀具材料。

我们要抓住这个有利时机，积极采用先进陶瓷刀具，为提高企业的加工技术和竞争实力服务，迎接经济全球化的挑战[9]。

2采用高速陶瓷机夹式的意义

高速切削已经成为先进制造技术的重要组成部分和显著的标志之一，成为制造业中装备制造工业、汽车工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门的关键技术[10]。

在工业发达国家，高速切削已是一项实用的新技术，积极开发应用高速切削新工艺成为企业提高加工效率和产品质量、降低制造成本、缩短交货周期从而提高竞争实力的重要举措，产生了显著的技术经济效益[11]。

因此，加快发展和应用以高速切削技术为代表的先进切削技术已成为各国制造业和制造技术各领域的共识。

2.1机械夹固式硬质合金端铣刀特点：

这种铣刀体积小、结构紧凑、刚性好、夹紧力大、夹紧可靠、切削过程平稳、制造工艺性好、可操作性较好。

刀具主偏角、副偏角、副后角、前角及刃倾等角度,均由刀盘体的加工和刀片安装后保证，也不必将刀片刃磨，减少刃磨工作量和砂的磨损[13]。

刀片的调正对刀也较容易,并且装卸方便,在般磨刀机上均可刃磨，要求条件不高。

在刀盘中不用刀片伸出高度定位销,当刀片用钝或崩刃时，可刃磨后重新调整刀片高再使用。

刀片可多次重磨,利用率极高。

刀盘体使用期长可以,节约大量作刀盘体的钢材。

主偏角为45°,降低了径向切力,合理的前角使切屑变小,散热性较好,减少振动副偏角为15°,刀尖部分与工件接触面小,有利于加工,削轻快省力,提高刀具的耐用度,生产效率显著提高[14]。

采用陶瓷刀片,可切削高强度淬火钢、不锈钢等。

不需要焊接,完全避免了由于焊接带来缺陷,刀片平均使用寿命比焊接刀片提高了2～10倍[15]。

2.2机械夹固式硬质合金端铣刀实用价值：

2.2.1节约成本

一把机械夹固式陶瓷端铣刀的制作,需45钢材、复合陶瓷刀片和M6内六角螺钉即可，与不重磨硬质合金端铣刀相比,节约了庞大的开支。

加工刀具的过程中既减少了钎焊,又保证了刀盘的重复使用,每年每把刀可节约材料及加工费用2000～3000元[16]。

紧固块的重复使用还减少常规制作的热处理,减少热处理和专用工具磨床设备的成本[17]。

2.2.2使用方便

使用机夹式刀具每次磨损后换刀较方便，只需要更换掉刀片，换刀时间可以大大节省，由于刀片的尺寸等技术参数是标准化的，换刀片后，刀具还可以达到较好的精度，在生产中意义巨大。

3陶瓷端铣刀的概述

3.1陶瓷刀具的前景

陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，在生产中有美好的应用前景，目前已引起世界各国的重视[19]。

在德国约70%加工铸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总量的8%-10%。

近几年来，中国陶瓷刀具的发展也十分迅速，品种增多，性能提高[19]。

中国开发的陶瓷与硬质合金的复合刀片，其工作表面既有陶瓷材料高的硬度与耐磨性，而基体又有硬质合金较好的抗弯强度，故能承受冲击负荷，并解决了陶瓷刀具镶焊困难等问题，为推广使用陶瓷刀具创造了条件。

尤其是近几年国内外开发的新品种，尽管至今生产还未形成规模，但因性能优异，有广泛的用途，今后必将迅速发展[20]。

可以预料，随着高速切削、干式切削和硬切削应用的增多，今后必将促进陶瓷刀具的发展与使用。

3.2陶瓷刀具的性能

陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，其硬度高（91-95HRA）、耐磨性好，在相同切削条件加工钢料时，磨损仅为P10（YT15），是硬质合金刀具的1/15，刀具寿命长；在1200℃时仍能保持80HRA的高硬度，所以在高温下仍能进行高速切削；它与钢铁金属的亲和力小，摩擦因数低，抗粘结和抗扩散能力强，切削时不易粘刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。

另一方面，陶瓷刀具的缺点是脆性大，抗弯强度和抗热冲击性能较差，当切削温度发生显着变化时，容易产生裂纹。

3.3为了改善切削加工性能所采用的手段

3.3.1采用合适的几何参数

刀具陶瓷的一些新品种在强度和韧性方面有了较大的提高，但毕竟是脆性材料，抗弯强度较低而抗压强度高。

为了充分发挥陶瓷刀具材料抗压强度高的特点，陶瓷刀具采用负前角－100，刃倾角－150，主偏角取450，后角取100，刀尖半径0.8mm。

3.3.2选择合理的切削用量和切削速度

根据被加工工件材料是高温合金和淬火钢的特点，在机床功率、工艺系统刚性和以充分发挥高温性能好的特点。

采用高速切削可以避免积屑瘤，当达到一定速度时，由于切削温度较高，冷焊消失，此时积屑瘤不再存在。

在机械加工中切削速度对变形系数有着显著影响，以40钢为例，切削高温合金和淬火钢时有类似的马鞍形变化规律。

以350m/min到700m/min切削速度铣削高温合金，可以有效阻止积屑瘤的形成。

3.3.3陶瓷刀片的结构与刃磨

陶瓷刀具的结构采用正四边形机夹可转位刀片的结构形式。

根据被加工零件表面粗糙度要求为Ra=0.4以下，故选择刀片内切圆直径d=12.70mm，刀片厚度S=4.76mm。

正四边形刀片边L=d/sin550，L=d/sin550，L=15.875/0.760=12.76mm。

刃磨陶瓷刀具应在工具磨床上使用专用夹具，以保证刃磨质量。

3.3.4刀体及刀片座形状设计

刀体采用圆柱形，材料用40Cr,淬火处理后表面硬度不低于HRC30。

刀片座长度h=d+2.725=15.875+2.725=18.6mm，宽度B=2.42S=2.42×4.76=11.52mm。

刀体外形如图3.1所示。

图3.1刀体外形

3.3.5刀片夹紧方式

机夹式刀具相对整体焊接式而言，没有焊缝也不会出现因焊接而导致的应力集中，节约了大量刀具安装时间，同时刀体刀柄可以重复利用只需要换刀片，节约了刀具成本，所以选择机夹式刀片，其中刀片和刀体间的连接方法中楔块夹紧式（见图3.2）。

1．刀体2.楔块3.刀片

图3.2楔块夹紧式

3.4刀柄的设计选择

两种刀体除了各部分具体尺寸是不同的系列外，最大的区别是刀体和刀柄连接处的定位和连接方式不同：

分别采用主轴与端面定位，带端键传动，用夹紧螺钉连接刀杆和刀体；平面与心轴定位，带端键传动的7/24锥度带前导部分定心刀杆，用四个M6螺栓连接刀杆和刀体。

4端铣刀的结构

4.1刀体结构

端铣刀有整体式，镶嵌式和机夹式三种，由于机夹式端铣刀的刀片有多个切削刃，当一个切削刃磨损后可以转位，故节省了刀具材料，减少了库存，还具有换刀方便等优点，故现在的端铣刀多采用机夹式结构（见图4.1、4.2、4.3）。

图4.1刀体前视图

图4.2刀体俯视图

5铣刀的设计

为了保证铣刀有良好的切削性能，应满足以下六项基本要求：

定位精度

可转位铣刀的定位包括刀片在刀体上的定位和铣刀在机床上的定位两个方面：

刀片的定位：

刀片定位的意义在于保证铣刀切削刃的跳动值，限制在允许的公差范围内。

为了实现上述目的，除了采用变形小、硬度高的材料来制造定位元件外，在铣刀设计上普遍采用了三点定位的方法。

刀片在制造、检验和使用时都采用三点定位的方法。

6刀片的设计

6.1可作为陶瓷刀具的陶瓷材料的种类

氧化铝（Al203）基陶瓷纯氧化铝陶瓷；

氧化铝—碳化物系复合陶瓷；

氧化铝—碳化钛—金属系复合陶瓷；

Al2O3-SiC晶须增韧陶瓷；

氮化硅（Si3N4）基陶瓷；

6.2可转位刀片的设计要求

综合考虑各种陶瓷材料的性能，本设计选用氧化铝—碳化钛—金属系复合陶瓷作为刀片材料。

在同一刀片上，要有尽可能多的切削刃供转位使用，以提高可转位刀片的使用率。

尽量简化或有利于刀片在刀具上的夹紧与定位。

要有足够的强度，以承受切削时产生的切削热、切削力和冲击、震动等作用。

各切削刃要有相同的几何参数，保证转位或更换刀片后的切削要求不变。

要有一定的精度，保证可转位刀片的完全互换。

刀尖在切削加工时的可达性要好。

7刀片安装槽的设计

7.1刀片座的设计计算

刀片座尺寸包括槽深h，底座厚度B，刀尖伸出底座长度h1。

h=d+2.75=12.70+2.725=15.425

B=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-[0.601+0.5+1.735]

=12.589mm

7.2计算刀齿槽和压块尺寸

8刀柄的设计

8.1刀柄的结构

机床工具系统最突出的特点就是端面和锥面同步接触。

夹紧时,由于锥部有过盈,所以锥面受压产生弹性变形,同时刀柄向主轴锥孔轴向位移以消除初始间隙,实现端面之间的贴合,这样就实现了双面同步夹紧。

就其本身的定位而言,这种保证锥面和端面同时定位的方式实质上是过定位。

接口的径向精度是由锥面接触特性决定的。

接口的轴向精度是由接触端面决定的,这与HSK锥柄明显不同（HSK的轴向精度可达到12μm，而7/24锥柄仅为31μm）。

此外,接口的轴向精度不受轴向夹紧力大小的影响,仅由结构决定。

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9结论

陶瓷材料具有极高的硬度及优良的抗磨损性能，但其韧性和强度较差，抗冲击能力差，因此正确选择刀具几何参数对于提高其抗破损性能、获得较高的刀具耐用度有着重要的作用。

本课题在设计高速陶瓷端铣刀的过程中，对端铣刀重新进行了尺寸设计、结构设计以满足陶瓷刀片切削淬火钢等难切削材料的要求。

设计中，通过对刀具几何角度的改进，使加工淬火钢难的这一问题得到了一定的改善。

本设计的陶瓷刀具采用负前角－100，刃倾角－150，主偏角取450，后角取100，刀尖半径0.8mm。

采用楔块在后刀面压紧的固定方式、用调整块或者涨紧螺栓调整刀片在铣刀轴向的长度,刀片轴向和周向精度还有待提高，刀体造型的美观度需要进一步改善。

通过设计高速陶瓷端铣刀，我受益匪浅，既巩固了所学专业理论知识，还加深了对所学知识的理解运用，学会了系统的查阅资料，对AutoCAD、Solidworks等软件的有更熟练的应用。

参考文献

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（1）:

345～348