成形铣刀设计.

矩形花键拉刀及成形车刀设计说明书目录1。

前言 (1)2。

绪论 (2)3.刀具设计3.1圆孔式拉刀的设计过程 (3)3。

2 矩形花键铣刀的设计 (8)4．小结 (15)5．致谢 (15)6．参考文献 (15)1、前言大学三年的学习即将结束，在我们即将进入大四,踏入社会之前，通过课程设计来检查和考验我们在这几年中的所学，同时对于我们自身来说，这次课程设计很贴切地把一些实践性的东西引入我们的设计中和平时所学的理论知识相关联.为我们无论是在将来的工作或者是继续学习的过程中打下一个坚实的基础。

我的课程设计课题目是矩形花键拉刀与矩形花键铣刀的设计。

在设计过程当中,我通过查阅有关资料和运用所学的专业或有关知识,比如零件图设计、金属切削原理、金属切削刀具、以及所学软件AUTOCAD的运用，设计了零件的工艺、编制了零件的加工程序等。

我利用此次课程设计的机会对以往所有所学知识加以梳理检验，同时又可以在设计当中查找自己所学的不足从而加以弥补，使我对专业知识得到进一步的了解和系统掌握。

由于本人水平有限,设计编写时间也比较仓促,在我们设计的过程中会遇到一些技术和专业知识其它方面的问题，再加上我们对知识掌握的程度，所以设计中我们的设计会有一些不尽如人意的地方, 为了共同提高今后设计设计的质量，希望在考核和答辩的过程中得到各位指导老师的谅解与批评指正,不胜感激之至。

2、绪论2。

1刀具的发展随着社会的发展,时代的进步,刀具在生产中的用途越来越广.刀具的发展在一定程度上决定着生产率，中国加入WTO后，各行各业面临的竞争越来越激烈，一个企业要有竞争力，其生产工具必须具有一定的先进性.中国作为一个农业大国，其在机械方面的发展空间相当大,而要生产不同种类的零件,不管其大小与复杂程度，都离不开刀具。

目前,在金属切削技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。

随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对先进刀具的需要量将会有大幅度的增长，这将有力地促进金属切削刀具的发展2。

成形铣刀设计汇总成形铣刀是一种用于加工工件轮廓的刀具，在机械加工中应用广泛。

它具有高加工效率、表面质量好、操作简单等优点，因此在汽车、模具、航空航天等领域得到了广泛应用。

本文将对成形铣刀的设计进行汇总，介绍常见的设计方法和应用。

一、成形铣刀的设计方法1.几何参数设计：成形铣刀的几何参数设计包括刀柄尺寸、刀具半径、主轴角度等。

这些参数的选择直接关系到成形铣刀的加工效果和使用寿命。

一般来说，刀刃角度越小、刀具半径越大，铣削效果越好，但也会增加切削力和振动。

因此需要根据具体工件的要求来选择这些参数。

2.材料选择：成形铣刀的材料要求具有高硬度、高耐磨性和抗断裂性。

常见的成形铣刀材料有高速钢、硬质合金和陶瓷。

其中，硬质合金的硬度高、耐磨性好，适用于加工硬度较高的材料；陶瓷材料具有更好的硬度和耐磨性，适用于加工高硬度和脆性材料。

3.结构设计：成形铣刀的结构设计包括刀具形状、刀铣槽设计等。

刀具形状的设计应充分考虑切削力分布和刀具刚性，以确保刀具能够有效地切削工件。

刀铣槽设计的目的是增强排屑能力和散热能力，降低加工温度和切削力。

二、成形铣刀的应用1.汽车工业：在汽车制造中，成形铣刀主要用于车身板件的表面加工。

利用成形铣刀可以将金属板材加工成复杂的轮廓形状，提高车身的美观性和稳定性。

2.模具制造：在模具制造过程中，成形铣刀可以用于模具的粗加工和精加工。

粗加工时，成形铣刀以高速进行铣削，快速去除多余材料；精加工时，成形铣刀以低速进行铣削，得到更加精确的轮廓形状。

3.航空航天工业：在航空航天中，成形铣刀广泛应用于飞机结构件的制造。

成形铣刀可以用于加工各种材料的结构件，包括铝合金、钛合金和复合材料等。

4.电子工业：在电子工业中，成形铣刀可以用于加工电子元件的外壳。

利用成形铣刀可以将金属外壳加工成各种形状，以满足不同电子设备的外观要求。

总之，成形铣刀作为一种常见的刀具，在机械加工中扮演着重要的角色。

通过合理的设计和选择，成形铣刀能够有效地提高加工效率和加工质量，满足不同工件的加工要求。

铲齿成形铣刀结构参数的确定2009-6-12 16:41:00 来源：阅读：626次我要收藏一、容屑槽底形式图1 铲齿成形铣刀的结构铲齿成形铣刀容屑槽底有两种形式：一种是平底形式，如图1所示；另一种是中间凸起的加强形式，如表1所示。

根据工件廓形最大高度hｗ来选择容屑槽底的形式，当hｗ较小和刀齿强度足够的情况下，可采用平底形式，否则，应采用加强形式。

加强式槽底的形状可根据工件廓形确定。

工件廓形为单面倾斜时，用I型或Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型；工件廓形对称时，用Ⅳ型。

表1 加强型容屑槽形状及画法二、齿形高度h和宽度B如图1所示，成形铣刀齿形高度可取为h＝hｗ＋（1~2）mm式中hｗ—工件的廓形高度。

铣刀宽度B一般比工件廓形最大宽度Ｂｗ大1～5mm ，并应采用标准系列尺寸。

nextpage三、铣刀的孔径用铣刀切削时，要求其刀杆直径足够大，以保证在铣削力作用下有足够的强度和刚度。

因此，铣刀孔径应按强度或刚度条件计算决定。

在一般情况下，可根据铣削宽度和切削条件选取。

表2是根据生产经验推荐的数值。

表2 成形铣刀内孔直径四、铣刀的外径在保证铣刀孔径足够大和铣刀刀体强度足够的条件下，应选较小的铣刀外径，以减小扭矩和减少高速钢的消耗。

设计铣刀时，可首先用下式估算外径，待确定了铣刀的其他有关参数后，再校验铣刀刀体强度。

ｄ0=（2~2.2）d + 2. 2h+（2~6）mm （3—5—1）对于加强形式的容屑槽，铣刀外径可小些ｄ0=（1.6~2）d+2h+（2~6）mm （3—5—2）表3给出了铣刀直径的推荐值，它是按式（3—5—1）与式（3—5—2）计算的，并圆整为5的整数倍。

表3 成形铣刀外径注：表中上栏为平底形容屑槽的铣刀外径，下栏为加强式容屑槽的铣刀外径。

五、铣刀的齿数在保证刀齿强度和足够的重磨次数的条件下，应尽力取齿数多些，以便增加铣削的平稳性。

齿数Zk与铣刀直径之间有如下关系。

Zk＝лd/t (3—5—3)式中t—铣刀的圆周齿距。

机加工中常用的4种铣刀1、面铣刀面铣刀，主切削刃分布在圆柱或圆锥表面上，端面切削刃为副切削刃，铣刀的轴线垂直于被加工表面。

面铣刀主要用在立式铣床或卧式铣床上加工台阶面和平面，特别适合较大平面的加工，主偏角为90°的面铣刀可铣底部较宽的台阶面。

用面铣刀加工平面，同时参加切削的刀齿较多，又有副切削刃的修光作用，使加工表面粗糙度值小，因此可以用较大的切削用量，生产率较高，应用广泛。

2、立铣刀立铣刀是数控铣削中最常用的一种铣刀，其结构，圆柱面上的切削刃是主切削刃，端面上分布着副切削刃，主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。

由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀工作时不能作轴向进给，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

立铣刀主要用于加工凹槽，台阶面以及利用靠模加工成形面。

3、三面刃铣刀三面刃铣刀，可分为直齿三面刃和错齿三面刃。

它主要用在卧式铣床上加工台阶面和一端或二端贯穿的浅沟槽。

三面刃铣刀除圆周具有主切削刃外，两侧面也有副切削刃，从而改善了切削条件，提高了切削效率，减小了表面粗糙度值。

但重磨后宽度尺寸变化较大，镶齿三面刃铣刀可解决这一个问题。

4、螺纹铣刀螺纹铣削做为一种采用数控机床加工螺纹的方法，首先在欧，美流行开来．随着中国数控机床的发展，也逐步得到中国广大客户的接受和喜爱．螺纹铣削借助数控加工中心机床的三轴联动功能及G02或G03螺旋插补指令，完成螺纹铣削工作。

螺纹铣刀，作为一种近年来快速发展的先进刀具，正越来越广泛地被企业接受，并表现出卓越超凡的加工性能，成为企业降低螺纹加工成本，提高效率，解决螺纹加工难题的有力武器。

铣刀材料的种类及牌号?1铣刀切削部分材料的基本要求：1）高硬度和耐磨性：在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。

2）好的耐热性：刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的性质，又称为热硬性或红硬性。

Journal of Mechanical Strength2023,45(2):414-422DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.02.022∗20210728收到初稿,20210902收到修改稿㊂江苏省青年基金项目(BK20190676),江苏省高校自然科学基金项目(19KJB460019)资助㊂∗∗汪东明,男,1972年生,江苏响水人,汉族,江苏电子信息职业学院副教授,工学硕士,主要研究方向为机械制造及其自动化㊁汽车电子控制技术㊂∗∗∗孟龙晖(通信作者),男,1985年生,江苏高邮人,汉族,南京工业大学机械与动力工程学院讲师,博士,主要研究方向为精密制造,智能制造,加工变形控制㊂数控铣刀设计与优化技术研究综述∗RESEARCH ON DESIGNING AND OPTIMIZATION OFMILLING TOOL :A REVIEW汪东明∗∗1㊀孟龙晖∗∗∗2㊀张㊀浩2㊀王㊀华2(1.江苏电子信息职业学院智能交通学院,淮安223003)(2.南京工业大学机械与动力工程学院,南京211816)WANG DongMing 1㊀MENG LongHui 2㊀ZHANG Hao 2㊀WANG Hua 2(1.School of Intelligent Transportation ,Jiangsu Vocationnal College of Electronics and Information ,Huaiᶄan 223003,China )(2.School of Mechanical and Power Engineering ,Nanjing Tech University ,Nanjing 211816,China )摘要㊀主要针对目前的铣刀设计优化方面的研究进展进行了相应的综合和描述㊂根据目前切削加工制造领域所存在的问题,刀具的设计过程也会针对这些问题而进行相应的改进和优化㊂主要从加工质量㊁刀具磨损㊁加工振动㊁排屑性能㊁加工效率这个五个方面对刀具所做的改进和优化的研究进展进行了较为详细的描述和总结,最后对目前已有的技术的问题进行了分析,并对后期数控铣刀技术的研究提出了相应的展望㊂关键词㊀铣刀㊀设计㊀优化㊀切削中图分类号㊀TG71Abstract ㊀The research progress of designing and optimization of milling tool is summarized.The design process of cuttingtools has greatly improved and optimized according to the existing problems in the field of cutting and manufacturing.The research progresses of the improvement and optimization of the milling tool in five aspects,such as:Machining quality,tool wear,machining vibration,chip removal performance and machining efficiency are mainly described and summarized.Finally,it analyzes the existing technical problems,and puts forward the corresponding prospects for the later research of NC milling tool technology.Key words㊀Milling tool ;Design ;Optimization ;MachiningCorresponding author :MENG LongHui ,E-mail :menglonghui @ ,Tel :+86-25-58139352,Fax :+86-25-58139352The project supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No.BK20190676),and the Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (No.19KJB460019).Manuscript received 20210728,in revised form 20210902.0㊀引言㊀㊀国家的强大和日益兴盛离不开国家的制造业发展,而一个国家的机械制造业的水平也从一定程度上体现着整个国家的制造业发展水平㊂机械制造属于我国基础性工业,需要持续优化生产效率与质量㊂尽管我国机械制造技术研究起步较晚,但目前已获得良好成果,增强了我国工业制造在国际市场中的竞争力[1]㊂虽然目前制造领域不断发展,出现很多新兴产业和制造技术,而切削加工作为机械制造领域中的传统加工方式,其目前的地位仍然无法被取代,而切削加工中数控刀具技术的发展,会对该领域产生举足轻重的影响㊂近年来,数控加工技术的快速发展进一步促进了数控刀具结构基础研究的快速发展和新产品的研发㊂世界各大数控刀具厂商生产的数控机床用刀具种类规㊀第45卷第2期汪东明等:数控铣刀设计与优化技术研究综述415㊀㊀格繁多㊁数量庞大,往往令人眼花缭乱[2],相应的出发点基本可以总结为加工效率㊁加工精度,以及加工成本(经济性)等方面[3]㊂而刀具技术的改进往往是从刀具材料㊁刀柄结构㊁涂层以及刀具几何特征等方面着手而进行的设计和改进㊂本文对前人在数控铣刀的设计和优化方面的代表性的研究进行介绍,并对相应的研究进展进行相应的分析,最后对该领域的研究进行总结和展望㊂1㊀刀具设计方法㊀㊀刀具设计主要考虑到加工质量㊁刀具寿命㊁加工成本以及环境保护等方面㊂被加工件表面质量除了受切削参数影响外,还会受刀具参数影响,特别是几何参数,有研究给出了相应答案[4-8],同样,刀具的基体材料[9-12]㊁涂层[13-17]㊁刀具振动[18-22]以及排屑性能[23-25]均会对工件表面产生重要影响㊂目前数控刀具的设计和优化绝大部分是根据实际需求对刀具多方面同时优化,且主要还是基于刀具几何参数㊁材料㊁涂层这些方面进行展开[26][27]954-959[28]933-941[29]12-25,同时与切削参数和切削条件优化配合,最终满足相应工艺要求㊂2㊀刀具设计优化的不同方面2.1㊀加工质量㊀㊀机械加工表面质量包含表面形貌㊁表面粗糙度㊁微观组织㊁显微硬度㊁位错密度以及表面残余应力等方面[30],目前针对加工质量对刀具所做的优化主要是针对表面粗糙度[31-33]㊂文献[27]954-959对硬质合金铣刀进行了设计㊁优化和评价,从四个方面对刀具设计过程进行表述,即刀具材料㊁涂层㊁几何参数以及切削条件㊂在刀具材料方面,给出了几种常用刀具材料:碳钢㊁合金钢㊁高速钢(HSS)㊁硬质合金等,其指出由于硬质合金钢诸多方面的优越性能,目前为最常用的刀具材料;在几何参数方面,指出与三刃铣刀相比,两刃铣刀具备更好的排屑空间;其提到三种刀具涂层,氮化钛(TiN)㊁碳氮化钛(TiCN)和氮化铝钛(AlTiN),不同涂层有自身相应运用,不过碳氮化钛涂层适用于高速㊁高进给和高温下的切削过程㊂其通过实验和仿真进行分析,结果表明相应刀具能有效加工MS200工具钢,获得较高的表面光洁度㊂文献[28]933-941基于Taguchi法,采用试验㊁信噪比和方差分析,确定表面粗糙度主要影响因素㊂基于高速钢刀具铣削6061铝合金,设计刀具轴向前角29ʎ,刀尖圆半径0.15mm,导程角45ʎ,最终得出在主轴转速884r/min,进给量243mm/min,轴向前角0ʎ下,表面粗糙度达到最优㊂文献[29]12-25主要从表面加工质量和刀具寿命两方面分析了某特殊硬质合金刀具设计对AISI D3钢端铣加工的影响㊂实验所用WC刀片(AlCrN涂层)和刀柄如图1所示㊂图1㊀AISI D3硬质钢端铣实验刀具Fig.1㊀AISI D3hard steel end milling tool used in the experiment结果表明,在可接受的刀具寿命下,可获得表面粗糙度R a在0.1~0.3μm之间㊂针对参数的优化,建立了铣削工艺参数(切削速度v c和进给量f z)㊁表面粗糙度和刀具磨损形态之间的关系分布,得到了R a分布直方图㊂结果表明,刀具几何参数,如倒角,切削角以及刀尖圆弧半径等参数对精加工质量有至关重要的影响㊂文献[34]提出了将剪切/锯齿切削(主刃切削)和断裂/剪切复合切削(主刃和微切削刃依次切削)两种切削方式组合的新型刀具设计,如图2所示㊂在不同切削用量下,材料去除机理依次发生变化,使得加工面损坏量最小并保证相应的加工质量㊂图2㊀复合切削方式的刀具设计Fig.2㊀Compound cutting mode tool design2.2㊀刀具磨损㊀㊀刀具一定程度磨损后若不及时更换,会产生振动[35]㊁切削温度急剧升高[36],使得表面粗糙度[37-38]和表面残余应力发生恶化[39-40]㊂高效优化刀具寿命不仅降低加工成本,同时也保证加工质量㊂目前有研究通过优化切削参数提高刀具寿命[41-42],其属于被动优化,以牺牲加工效率来提高刀具寿命,如果以材料去除量来评价刀具耐磨性,其并不具备明显优势㊂文献[43]根据508III钢的材料性能和铣削条件,设计了分层面铣刀的阶梯结构,铣削加工件断面图和实验设备如图3所示㊂通过单因素实验,分析切削力随轴向和径向前角的变化规律;根据刀具后刀面磨损状态选择最佳前角㊂其基于模糊数学理论建立分层面铣刀性能的多级模糊㊀416㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀图3㊀阶梯结构分层面铣刀加工件断面和实验设备Fig.3㊀Section of part machined with stepped structure layered facemilling cutter and the experimental equipment综合评价体系,对四种结构刀具进行了性能评价㊂结果表明,采用多齿二级结构的T1型平面铣刀性能最优,其径向前角γf ㊁轴向前角γp 以及切削刃角κr 分别为3ʎ㊁5ʎ㊁75ʎ㊂文献[44]提出计算刀体刀片分布的数学方法,目的为使刀片的刃口磨损率相等㊂其选择商用标准刀片,将其放置于成形铣刀轴向截面中,如图4所示;根据刀具切削用量和磨损率,估算各位置的刀具寿命㊂为均匀刀片磨损和优化刀具寿命,可在同一位置使用多个刀片㊂确定刀片位置和每个位置刀片数量后将刀片螺旋分布于刀体外围㊂该成形铣刀成本远低于特殊定购刀片的铣刀,其刀片均从标准刀片中选取,刀刃变钝可及时更换㊂图4㊀在成形铣刀轴向部分的刀片布置Fig.4㊀Blade arrangement in axial part of forming milling cutter文献[45]通过PCBN 和硬质合金刀具端铣AISI13㊁AISID6和DIN1273材料(切削速度在60~100m /min)㊂结果表明,刀具后刀面磨损很大程度取决于切削速度㊂PCBN 刀具所加工表面粗糙度R a 可达0.2~0.35μm,硬质合金刀具加工表面质量也算好,但刀具寿命较短,PCBN 刀具端铣加工AISI13和DIN1273过程刀具寿命可接受㊂相应的刀具磨损如图5所示;当工件材料含硬质合金颗粒时,刀具后刀面会出现严重磨损,端铣过程冷却液的使用会增大表面下裂纹出现的可能㊂文献[46]指出在CFRP 螺旋铣削制孔过程中,刀具磨损是加工表面损伤的主要因素㊂为优化刀具寿命,其结合碳纤维布双向螺旋铣削成孔技术,对阶梯式双向铣刀的设计㊁制造和切削性能进行分析㊂利用微分几何法,建立阶梯式双向铣刀齿形几何模型和螺旋图5㊀PCBN 和硬质合金刀具端铣加工DIN12713的磨损状态(v =60m /min)Fig.5㊀Wear state of PCBN and cemented carbide end millingtools in machining DIN12713(v =60m /min)刃数学模型㊂对所设计的阶梯式双向铣刀的磨削过程和精度进行测试㊂结果表明,阶梯式双向铣刀(图6a)轴向切削力比对称式双向铣刀(图6b)轴向切削力小,且反向铣削波动更为平缓㊂特别在后向切削刃上,前刀面磨损分布均匀,磨损较慢,加工质量优于后者㊂图6㊀阶梯式双向铣刀和对称双向铣刀对比图Fig.6㊀Comparison between stepped bidirectional milling cutter andsymmetrical bidirectional milling cutter文献[47]指出,球头铣刀(图7a)在钛合金加工过程中存在效率低㊁磨损严重㊁加工表面质量难以保证等问题,对钛合金加工用旋转摆线铣刀(图7b)进行了相应的优化㊂建立旋转摆线铣刀廓面数学模型,提出旋转摆线铣刀正交螺旋线刃口曲线参数方程;基于刃口曲线方程和坐标变换,推导了旋转摆线铣刀前刀面的五轴磨削轨迹方程;制作了旋转摆线铣刀,并对刀具轮廓和几何角度的磨削精度进行检测;对旋转摆线铣刀和球头铣刀切削TC11合金过程进行对比实验㊂结果表明,与球头铣刀相比,旋转摆线铣刀的轴向力与切向力之比较小㊂其侧面磨损缓慢,可保证良好的表面加工质量㊂2.3㊀切削振动㊀㊀切削振动与多因素有关,如机床结构[48-49],切削力(切削参数)[50-51]以及刀具磨损[52-53],切削振动造成加工表面质量恶化和刀具加剧磨损,形成恶性循环㊂目前通过优化切削参数降低切削振动的研究有不少,其依然属于被动优化,其在一定程度上可达到降低振㊀第45卷第2期汪东明等:数控铣刀设计与优化技术研究综述417㊀㊀图7㊀球头铣刀与旋转摆线铣刀示意图Fig.7㊀Schematic diagram of ball end milling cutter androtary cycloid milling cutter动的效果,但大部分时候会对加工效率产生影响㊂文献[54]对两自由度被动阻尼器进行建模并优化,并运用于长悬伸减振铣刀的优化设计中㊂对两自由度被动阻尼器的动力学进行建模;对两自由度阻尼器减振铣刀提出设计方案;对两种结构的铣刀进行实验测试,如图8所示,以证实所设计减振铣刀的优越性㊂图8㊀无阻尼器铣刀和减振铣刀切削效果对比Fig.8㊀Comparison of cutting effect under non damper millingcutter and vibration damping milling cutter文献[55]在分析传统立铣刀加工过程振动机理的基础上,提出不等螺旋角立铣刀结构,如图9所示㊂通过理论分析,推导出不等螺旋角立铣刀在圆周方向等分隔处的刃长表达式㊂通过软件模拟验证表达式的可靠性㊂分析立铣刀各刃等分隔影响因素,提出不等螺旋角立铣刀结构㊂结果表明,与传统立铣刀相比,不等螺旋角立铣刀有较好的抗震效果㊂图9㊀不等齿距抗振铣刀结构设计Fig.9㊀Structural design of anti-vibration milling cutterwith unequal tooth pitch文献[56]指出通过在刀盘上布置不均匀分布刀片可避开系统固有频率,避免产生共振,从而降低加工过程振动幅度,其通过实验验证了自己的观点;文献[57]提出并制造了一种面铣刀,以改善加工过程动态特性,刀具结构包括双阶梯刀片,刀盘上固定两组刀片,外圆刀片A 和内圆刀片B,内圆刀片B 介于相邻两个外圆刀片之间,如图10a 所示,内圆刀片呈现不均匀分布,角度呈现2ʎ~4ʎ的差别,实验过程所用刀具如图10b 所示㊂图10㊀刀盘和刀片示意图和实物图Fig.10㊀Schematic diagram and picture of cutter disk and blade最终发现该刀具加工过程中,振动幅值在时域内减小20%~40%,频域振动谱峰值比传统商用刀具低15%~25%,实验与仿真结果吻合度较高,进一步验证了其优化观点㊂文献[58]指出铣刀采用变节角可提高加工效率,抑制颤振,应用变螺距刀具可提高加工稳定性㊂其提出设计变螺距铣刀的解析法㊂相应的等螺距和变螺距刀具如图11所示㊂结果表明,在期望主轴转速下,与等螺距刀具相比,变螺距刀具能使得临界稳定轴向切深提高126%;切削力降低53%,证实了其颤振抑制设计的实用性㊂图11㊀等螺距刀具和变螺距刀具对比图Fig.11㊀Comparison between constant pitch tools and variable pitch tools文献[59]基于深腔和深孔特征结构件的加工需求,指出随着刀具悬伸量的增加易发生颤振,其基于单自由度被动减振器,设计了一种阻尼铣刀,采用等峰值准则对嵌入式阻尼器进行刚度和阻尼设计,实验过程所用刀具如图12所示㊂模态分析表明,长径比约为8的阻尼刀具在所有方向都能达到75%的振幅减小量㊂文献[60]针对大长径比铣刀在工作过程发生强烈颤振现象,提出被动式阻尼动力减振铣刀,如图13所示㊂分别从颤振稳定性㊁切削力和表面质量等方面将其与普通铣刀对比,结果表明,减振铣刀模态参数得到显著优化,颤振幅值减小约35.3%,加工表面质量㊀418㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀图12㊀实验过程中所用铣刀Fig.12㊀Milling cutter used in the experiment显著提高㊂图13㊀减振铣刀三维装配模型Fig.13㊀Three dimensional model of vibration damping milling cutter2.4㊀排屑顺畅性㊀㊀切削过程中所产生的切屑,如果不能顺畅地流出,缠绕在刀具上,与刀具前刀面产生剧烈摩擦,加剧前刀面磨损,产生更多切削热,使得切削温度升高,最终影响刀具切削性能[61]332-339㊂文献[61]332-339指出,安装双面八角形 ON 可转位铣刀片的45ʎ平面铣刀目前应用较为广泛,通过分析该刀具使用情况并结合该刀具结构特点,基于市面常见的ON 刀片,如图14a 所示,提出一款新切削刃结构 ON 刀片 ,如图14b 所示,安装ON 刀片后的可转位铣削刀具如图14c 所示㊂图14㊀双面八边形可转位铣削刀片和安装ON 刀片可转位铣削刀具Fig.14㊀Double sided octagonal indexable milling blade andindexable milling tool with ON blade文献[62]基于激光在PCD 刀具前刀面加工出断屑槽,相应的断屑槽设计主要有5个参数,即棱带宽度㊁倾角㊁反屑角㊁槽宽和反屑面转角;其工作可归纳为三个方面:确立PCD 刀具断屑槽棱带宽度和反屑角的关系;对槽宽值的表达式进行了改进;对于倾角和反屑面转角范围进行了确定㊂最终通过实验和仿真验证了相应设计的有效性㊂文献[63]对不同刀具倾角和切削参数组合下的结果进行分析,实验装置如图15a 所示㊂结果表明,铣刀片倾角对于加工面粗糙度和切屑断面形状有重要影响,切削断面形状受刀片倾角影响程度达95%,不同刀具倾角下的切屑形态如图15b 所示,其给出合理的倾角范围为30ʎ~45ʎ,指出在该区间内可得到较好的表面加工质量和切屑断面形态㊂图15㊀不同刀具倾角的实验装置和不同切屑形态Fig.15㊀Experimental device for different tool inclination anddifferent chip morphologies文献[64]对自行式和可转位刀具加工TC11合金过程进行分析,相应的刀具结构如图16a 所示㊂结果表明,相对于可转位刀具,自行式旋转刀具的切削力更小,且具有更好的耐磨性;两种刀具均产生锯齿状切屑,但自行式旋转刀具下的切屑卷曲度大于可转位铣刀,随着铣削时间的增加,自行式旋转刀具下的切屑形态更加规则,锯齿分布更加均匀,如图16b 所示;不仅如此,随着时间推移,可转位铣刀加工表面质量急剧恶化,而自行式旋转铣刀加工表面仍呈现较规则平整形貌㊂图16㊀自行式旋转刀具和不同刀具下的切屑Fig.16㊀Self propelled rotary tool and chips obtained underdifferent cutting tools文献[65]以生产实际需求为目标,设计了三种齿形的倒角铣刀,分别为双层齿倒角铣刀㊁直齿倒角铣刀和斜齿倒角铣刀,同时进行了相应的铣削实验分析,根据实验结果发现,双层齿结构倒角铣刀的结构相对较为合理,刀尖部位有更大的容屑空间,在很大程度上改善了切屑堵塞现象,有良好的分屑排屑性能,在铣削加㊀第45卷第2期汪东明等:数控铣刀设计与优化技术研究综述419㊀㊀工过程中受到的铣削力要明显小于斜齿和直齿倒角铣刀,在三种齿形倒角铣刀中性能表现最优,最终提高了加工质量及生产效率㊂文献[66]基于能耗和断屑问题提出在刀刃上设计相应的凹槽,如图17a 所示,结果表明,其加工过程能耗大幅降低,同时在断屑方面具备相应优势,如图17b ~图17c 所示㊂图17㊀新型铣刀结构和切屑对比Fig.17㊀New milling cutter structure and comparison of chips2.5㊀生产效率㊀㊀单纯靠增大切削用量提高加工效率会加剧刀具磨损,目前有研究通过提高刀具耐磨性来提高切削用量㊂文献[67]针对碳钢和高速钢刀具,优化刀具涂层,基于相应涂层增大刀具耐磨性㊂文献[68]表明,刀具前角14ʎ㊁主间隙角10ʎ的几何特征最适合低温加工条件,同时其分析了切削速度对刀具寿命的影响,结果表明,切速110m /min 时可得最长刀具寿命91min㊂其指出,在Ti6Al4V 合金精加工过程中,采用液氮低温冷却与所提出的刀具相结合可使材料去除效率提高83%㊂文献[69]针对钛合金侧铣加工,对铣刀几何参数进行了优化,优化结果为:前角10ʎ,后角12ʎ,螺旋角38ʎ,相应的设计角示意图如图18所示㊂通过实验和仿真表明,优化后的刀具配合优化后的切削参数,在保证加工效率基础上进一步提高加工质量㊂图18㊀铣刀圆横截面各几何参数示意图Fig.18㊀Schematic diagram of geometric parameters ofcircular cross section of milling cutter文献[70]将锯齿立铣刀的形状转换为圆形可转位铣刀,如图19所示㊂切削力㊁边界条件和刀具几何参数间的高度非线性说明了该设计方案的必要性;传统的矩形可转位刀片可得到较平整的加工面,而圆形可转位刀片加工表面质量不具备优势,不过其可降低径向切削力和切削力矩㊂作为工艺限制性因素之一的最大径向力,圆形可转位铣刀可将其降低14%,进而在一定程度上提高切削用量和加工效率㊂图19㊀矩形可转位铣刀和圆形可转位铣刀Fig.19㊀Rectangular indexable milling cutter and circularindexable milling cutter3㊀结论与展望㊀㊀作为传统加工领域中的刀具技术,经过这几十年的发展,从刀具的材料㊁几何参数以及涂层等方面,都取得了不错的发展㊂不过目前刀具技术依然存在以下问题:1)目前高端刀具制造成本依然较高,且一直是该领域的一个制约因素,虽然刀具技术在进步,但刀具的价格依然居高不下,从而使得加工成本的降低出现瓶颈㊂2)对于难加工材料,如钛合金,镍基合金等,会造成刀具的快速磨损,目前的刀具技术均难以较好地克服该问题,许多时候需要很苛刻的切削条件,如相应的冷却液等,而由于冷却液使用会造成环境的污染,目前大环境下提倡干切削,因此对刀具提出了更严格的要求㊂3)刀具设计应与智能系统结合,不能仅依靠刀具本身实现加工过程优化,加工过程刀具磨损无法避免,如何在线准确检测刀具状态并及时调整工艺参数㊁加工条件或更换刀具,最大限度地延长刀具使用时间并保证加工质量,还有待多个学科的共同进步㊁融合发展㊂参考文献(References )[1]㊀王新甲,张㊀燕.我国现代机械制造技术的发展趋势研究[J].南方农机,2021,52(12):138-140.WANG Xinjia,ZHANG Yan.Research on the development trend of modern machinery manufacturing technology in China [J].ChinaSouthern Agricultural Machinery,2021,52(12):138-140(InChinese).[2]㊀杨晓晶.数控刀具的现状与发展趋势[J].装备制造技术,2011(12):103-105.YANG Xiaojing.The current stage and development trend of the NC cutting tools[J].Equipment Manufacturing Technology,2011(12):103-105(In Chinese).[3]㊀亓㊀军.绿色制造技术在金属加工中刀具的选择应用[J].内燃机与配件,2021(11):117-118.㊀420㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀QI Jun.Selection and application of green manufacturing technologyin metal 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