折线刃球头铣刀刀片的磨削方法
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球头立铣刀作为高性能的自由曲面加工刀具,是复杂三维曲面精加工中的重要刀具之一,广泛应用于模具、汽车、航空航天、机械电子等领域。球头立铣刀的制造精度、效率和使用性能对被加工产品的制造精度、效率和成本有直接而重要的影响。
球头立铣刀作为高性能的自由曲面加工刀具,是复杂三维曲面精加工中的重要刀具之一,广泛应用于模具、汽车、航空航天、机械电子等领域。球头立铣刀的制造精度、效率和使用性能对被加工产品的制造精度、效率和成本有直接而重要的影响。
图1 球头铣刀头部刃口形状(上:(a)直线刃球头铣刀;下:(b)螺旋刃(S刃)球头铣刀。鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
根据刀刃曲线形状的不同,球头立铣刀可分为直线刃和螺旋形刃等。直线刃是早期的球头立铣刀形状,其特点是球头部分的切削刃在端面(垂直于刀具轴线)的投影为直线(见图1a)。直线刃球头立铣刀有以下特点:①刃形简单,易于刃磨加工,制造和刃磨成本低;②切削刃为直线刃,刀具在切入或切出时会产生振动,切削不平稳,加工表面质量差,刀具易崩刃,一般适用于不太复杂曲面的粗加工;③切削过程中不易排屑,切屑容易聚集在刃口附近,堵塞铣刀,影响加工精度,降低刀具的使用寿命。
随着刀具设计与制造技术的不断提高,尤其是5轴数控磨床的普遍使用,目前在整体球头立铣刀的刀具上已很少使用直线刃,刀刃形状已逐渐改进成螺旋形曲线。其中,等螺旋角螺旋形刀刃的刃形为S形,使切削的均匀性有很大的提高,改善了切削条件,提高了加工质量,延长了刀具寿命(见图1b)。

1 螺旋刃球头立铣刀特点

螺旋刃(S刃)球头立铣刀具有以下特点:①由于球刃为螺旋形切削刃,铣削时切入和切出过程比较平稳。试验证明,与平面刃球头立铣刀相比,用S形刃球头立铣刀铣削时,不但三个切削分力比较小,而且在切入和切出的过程中,三个分力的波动范围也比较小。②刀刃上各点的刃倾角不同,由于刃倾角的作用,可使切屑沿切削刃外沿方向顺利排出,能够有效防止切屑粘附在刀刃上,避免刀刃损坏。③结构复杂,设计和加工都比较麻烦,目前国内主要依靠进口或进口昂贵的设备来制造与刃磨,加工成本较高。④强度不高,主要应用于精加工或半精加工。
由于等螺旋角刀刃曲线无法达到球头顶部,因此必须在靠近球头的顶部处利用其他刃口曲线来代替,使得基于该刃口曲线的球头立铣刀前刀面和后刀面的设计与制造变得更加复杂。
如图2a所示,基于直线刃球头铣刀的性能缺陷,日本黛杰公司推出了圆弧刃球头立铣刀作为曲面刀刃的球头立铣刀,主要用于焊接式硬质合金球头铣刀。该铣刀克服了直刃球头立铣刀的缺点,对切削性能有很大改善,但是由于本身结构固有的局限性,铣刀不能根据被加工工件的形状在任意方向上进刀,对于自动加工来说,这种结构不太理想。这种铣刀也被称为螺旋形刃硬质合金球头立铣刀,但其前刀面为锥面而非螺旋面,切削刃端面的投影呈圆弧状,可称为圆弧刃球头立铣刀。
(a)圆弧刃球头立铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
(b)超硬材料球头立铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(c)机夹球头铣刀刀片
图2 球头铣刀种类(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

综合来看,S形刃球头立铣刀是目前切削性能最好的球头立铣刀,但并不完全理想,还存在成本高、寿命短等缺陷。

2 机夹式球头铣刀刀片刃形结构及特点

虽然整体式球头立铣刀较少使用直线刃,但焊接式超硬材料球头铣刀和硬质合金球头铣刀仍普遍使用直线刃(见图2b和图2c)。
机夹式硬质合金球头铣刀比整体式球头铣刀的材料利用率大大提高,所以除小直径铣刀因受空间结构限制无法实现外,国外公司提供的较大直径(6mm以上)球头铣刀都采用机夹式结构。整体式球头立铣刀的S刃是一条空间曲线,若将刀片的切削刃也做成空间曲线,会使刀片的制造十分困难。
根据刀具球头部分刀片的配置方式不同,机夹式硬质合金球头铣刀分为单片对称式和多片搭接式两大类(见图2c):多片搭接式机夹球头铣刀的刃形采用分段直线刃搭接形成完整的切削刃,主要用于粗加工;单片对称式机夹球头铣刀则是单片双刃,因各刃口受力均匀,振动小、精度高,适用于高效高精加工。目前单片对称式球头铣刀刀片的刃形有直线刃和S形刃两种,如图3a和图3b所示。
直线刃球头铣刀刀片制造简单,但切削性能较差。虽然S刃球头铣刀刀片加工性能较好,但加工工艺比整体球头铣刀更复杂,加工效率低,精度也低于直线刃刀片和整体刀具。磨削刀片时,需要将其安装在刀杆上并通过螺钉夹紧,在数控磨刀机上以磨削整体式刀具的方式加工,复杂程度超过加工一支相同直径的铣刀,生产效率低,制造成本高。同时,由于安装误差和磨削让刀,即便在进口五轴数控工具磨床上,S刃球头铣刀刀片的R精度也很难控制在±0.01mm以内,而直线刃球头铣刀刀片的R精度则可达±0.002。
(a)圆弧刃球头立铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
(b)S刃球头铣刀刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 直线刃和S刃球头铣刀刀片

3 折线刃球头铣刀

3.1 刀片刃形特点

从使用要求来看,球头铣刀在普通铣刀的基础上增加了刀具的成形精度和钻铣功能(轴向进给)要求,不仅可用于成型加工,由于铣刀与加工面始终为点接触,还可以用于各种自由曲面的精密加工。
球头刀片的成形精度主要受刀片刃形曲线形状和加工方法的影响。形状越简单,越容易保证成形精度,五轴联动的数控刀片周边磨床是目前最先进的精密机夹刀片加工方法。
为实现钻铣功能和R成型精密加工,要求铣刀刃形曲线从铣刀球头最外缘沿球面连接到过球心的轴线,即刃形曲线要通过刀具轴线。这里的刃形曲线实际上就是刀具加工轮廓的母线,过球心的轴线也是刀具回转轴。
对于轮廓母线与回转轴有交点的回转面刀具,刀齿必须延伸到回转轴上。在这类刀具轮廓母线与回转轴交点附近,螺旋线刀刃曲线理论上要旋转无数次,在工艺上显然无法实现,因此在靠近球头的顶部,只能采用平面刀刃曲线来代替。
由此逆向推广到整体,提出用平面曲线分段局部替代S刃形曲线的新刃形—折线刃球头刀片。
用与球头铣刀半径相同球面的平面截圆圆弧,分段由球头最外缘连接到球头顶部,并与刀具回转轴线相交于球顶,两侧刃形以刀具回转轴线为对称轴对称分布。从端面投影看,整个刃形呈折线状,具体方案如图4所示。
1.第一安装面 2.第二安装面 3.安装孔 4.外侧段圆弧刃AB 5.中间段圆弧刃BC 6.内测段圆弧刃CD 7.第一基准平面 8.第二基准平面 9.第三基准平面 10.后刀面
图4 折线刃球头刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
以与球心等距的两个平行平面和一个与两平行平面垂直的平面截取任一球体,得到一个基本体。在基本体球面上,选取不共面的圆弧4、5、6,依次连接后形成一条空间曲线S(S=4+5+6),S及其以轴线(EF)为中心的中心对称曲线S’(S’=4’+5’+ 6’)是球头刀片的两个切削刃。
S和S’在轴线(EF)和球面的交点处相对接,所述曲线S绕基本体的轴线(EF)回转后形成一个半球面。使用时,刀片安装在刀体上,轴线(EF)与刀体回转轴线重合。组成每条切削刃S的多段圆弧至少包括三段圆弧,分别为外侧段圆弧AB(4)、中间段圆弧BC(5)及内侧段圆弧CD(6)。外侧段圆弧AB (4)的弧线终点连接于中间段圆弧BC(5)的弧线起点,中间段圆弧BC(5)的弧线终点连接于内侧段圆弧CD(6)的弧线起点,内侧段圆弧CD(6)的弧线终点连接于所述轴线与球面的交点。其中,中间段圆弧可以是一段(见图5),也可以是多段(见图6)。
图5 三段式折线刃球头刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 四段式折线刃球头刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

3.2 刀片性能优势

折线刃球头铣刀刀片克服了直线刃刀片整个刀刃几乎同时切入切出所引起的切削振动,可以替代S刃球头铣刀刀片,用于高速加工复杂型腔和自由曲面。刃形上各段切削刃的刃倾角不同,由于刃倾角的作用,可使切屑沿切削刃外沿方向顺利排出,能有效防止切屑粘附在到刃上,避免刀刃损坏。该刀片可以在机夹刀片专用周边磨床上大批量磨制,加工效率是同功能刀片在磨刀机上加工效率的5倍以上,生产成本低。刃形曲线没有理论误差,工艺上可将轮廓度误差控制在±0.002mm以内,可用于精密加工。此外,刀片刃口强度好,成本低,也可用于粗加工。
图7 折线刃球头铣刀装配效果(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
如图7所示,使用这种刀片时,用螺钉将刀片安装到相应刀体上,组装成完整的机夹球头铣刀。

3.3 刀片磨削方法

参照图4和图8,折线刃球头铣刀刀片在德国WENDT(万特)周边磨床上的磨削方法有以下步骤:
  1. 建立编程参考基准平面。在基本体1上定义三个参考基准平面,其中第一基准平面7在基本体1的两个平行平面中任选其一,第一基准平面为加工所在平面的外侧段圆弧AB(4)而建立,并以第一基准平面为基准建立加工中间段圆弧BC(5)的第二基准平面8以及加工内侧段圆弧CD(6)的第三基准平面9;
  2. 计算所需的编程尺寸参数。分别计算外侧段圆弧AB(4)、中间段圆弧BC(5)、内侧段圆弧CD(6)的圆弧的半径及A、B、C、D各点坐标;
  3. 磨削第二基准平面8及第三基准平面9。通过刀片断屑槽磨削模块编制第二基准平面8及第三基准平面9的磨削程序,并磨削加工第二基准平面8及第三基准平面9;
  4. 图8 编程参考基准平面(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
  5. 外侧段圆弧AB(4)、中间段圆弧BC(5)及内侧段圆弧CD(6)的磨削加工。应用圆弧周边磨削模块编制外侧段圆弧AB(4)、中间段圆弧BC(5)及内侧段圆弧CD(6)三段圆弧的磨削程序,磨削加工外侧段圆弧AB (4)、中间段圆弧BC (5)、内侧段圆弧CD(6)三段圆弧及其后刀面10(圆锥面),并实现所需后角角度;
  6. 将工件翻转180°,以上述相同磨削加工方式加工另一条切削刃S′。

4 小结

综上所述,折线刃球头铣刀刀片可用于复杂型腔和自由曲面的高速加工,既可以改善直线刃的切削性能,又可在WENDT周边磨床上实现高效磨削和低成本制造。
本文作者:师润平
原载:《工具技术》
上载于:2017-1-10 12:35:35

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