專利名稱：整體式高速銑刀及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種滿足高轉(zhuǎn)速和高穩(wěn)定性要求的整體式高速銑刀及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
高速加工工具系統(tǒng)通常指由切削刀具、刀柄和夾頭構(gòu)成的工具體系，刀具通過(guò)夾 頭裝入刀柄之中，刀柄與機(jī)床主軸相連。高速加工工具系統(tǒng)對(duì)工件尺寸精度和表面質(zhì)量影 響顯著，同時(shí)也影響到高速切削可靠性及機(jī)床加工性能。由德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)機(jī)床實(shí)驗(yàn)室研制的一種雙面夾緊HSK(空心短錐柄)刀柄被 廣泛應(yīng)用于高速銑削機(jī)床主軸與刀具聯(lián)結(jié)。該刀柄采用錐面(徑向)和法蘭端面(軸向) 雙面定位和夾緊，工作時(shí)空心短錐柄與主軸錐孔能完全接觸，起到定心作用。HSK(空心短錐柄)刀柄突出特征是采用端面和錐面同步接觸雙重定位，保證刀柄 與主軸配合可靠性。但當(dāng)銑刀直徑較大，無(wú)法采用夾頭，由銑刀與HSK(空心短錐柄)刀柄 直接配合時(shí)，存在微小配合誤差，從而導(dǎo)致刀具產(chǎn)生徑向圓跳動(dòng)，不僅消弱了工具系統(tǒng)的剛 度，而且破壞了工具系統(tǒng)的動(dòng)平衡和高速切削穩(wěn)定性。由于高速銑刀普遍采用可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)，其高速加工工具系統(tǒng)一般為5至6件組 件(刀片、緊固件、刀體、刀柄、拉緊構(gòu)件等)，在刀片更換后必須與刀柄一道重新進(jìn)行動(dòng)平 衡。在高轉(zhuǎn)速條件下，較大離心力會(huì)削弱拉緊機(jī)構(gòu)作用，從而影響銑刀軸向定位精度。因 此，在高速銑削加工中，由高速可轉(zhuǎn)位銑刀與刀柄共同組成的高速銑削加工工具系統(tǒng)，不僅 需要重復(fù)多次進(jìn)行動(dòng)平衡，占用非加工時(shí)間過(guò)多，而且其剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)平衡精度隨著轉(zhuǎn) 速的提高而下降，常常在遠(yuǎn)低于額定切削速度的工況下就出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，同時(shí)，由于其組件 數(shù)量較多，消弱了高速銑削加工工具系統(tǒng)安全性，對(duì)提高大型精密零件的加工精度、加工效 率產(chǎn)生不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述高速可轉(zhuǎn)位銑刀與HSK(空心短錐柄)刀柄組成的 高速銑削加工工具系統(tǒng)剛度、動(dòng)平衡精度和切削穩(wěn)定性隨著轉(zhuǎn)速的提高而下降，易于產(chǎn)生 較強(qiáng)振動(dòng)的問(wèn)題，提供一種具有HSK(空心短錐柄)刀柄結(jié)構(gòu)的整體式高速銑刀，以滿足大 型零件高效、高精度加工對(duì)高轉(zhuǎn)速和高穩(wěn)定性的要求。上述的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)整體式高速銑刀，其組成包括刀柄、刀體及鑲嵌在刀體上的刀片，所述的刀柄與 所述的刀體為一體式結(jié)構(gòu)，所述的刀片與所述的刀體之間采用螺釘連接，所述的刀柄后端 采用HSK (空心短錐柄)刀柄結(jié)構(gòu)。整體式高速銑刀，其設(shè)計(jì)方法方法包括如下步驟(1)依據(jù)高速銑刀動(dòng)態(tài)切削模型和高速銑刀動(dòng)力學(xué)微分方程，進(jìn)行固有頻率和轉(zhuǎn) 速對(duì)高速銑刀振動(dòng)影響分析；(2)依據(jù)高速銑刀固有頻率和轉(zhuǎn)速對(duì)其離心力和切削力振動(dòng)影響分析結(jié)果，提出整體式高速銑刀設(shè)計(jì)方案；(3)依據(jù)該設(shè)計(jì)方案，開發(fā)具有HSK(空心短錐柄)刀柄結(jié)構(gòu)的整體式高速銑刀；(4)采用有限元分析方法，驗(yàn)證高速銑刀安全性與切削穩(wěn)定性。本發(fā)明的有益效果1.該高速銑刀固有頻率是采用HSK(空心短錐柄)刀柄連接的高速銑刀三倍，較 高的刀具剛度可在較高轉(zhuǎn)速條件下保證切削穩(wěn)定性，并傳遞較大扭矩，為大幅度提高加工 效率和加工精度創(chuàng)造了條件。同時(shí)，該高速銑刀不僅節(jié)省了刀具與刀柄安裝和安裝后重新 進(jìn)行動(dòng)平衡的時(shí)間，而且省去了刀具附件(如防止切削液外流的裝置)，使刀具結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn) 化，其高速切削安全性和穩(wěn)定性得到明顯提高。因此，該高速銑刀的有益效果在以較高轉(zhuǎn)速 進(jìn)行鋁合金工件高效、高精度加工中表現(xiàn)尤為明顯。2.本發(fā)明采用機(jī)械夾固方式將可轉(zhuǎn)位刀片緊固在刀體上，并將刀體與刀柄“合二 而一”，聯(lián)結(jié)成一個(gè)剛性的整體式新型刀具。該刀具消除了因銑刀與刀柄分離、聯(lián)結(jié)產(chǎn)生的 不平衡和振動(dòng)，使得刀具的動(dòng)剛度和動(dòng)平衡更容易得到保證。該刀具結(jié)構(gòu)不僅提高了刀具 的動(dòng)態(tài)切削性能，保證高轉(zhuǎn)速條件下刀具能夠進(jìn)行穩(wěn)定、高效切削，而且還具有節(jié)省刀具動(dòng) 平衡的時(shí)間，刀片更換快捷等優(yōu)點(diǎn)。3.該高速銑刀刀體與刀柄合為一體，刀體與刀柄聯(lián)結(jié)誤差被消除，保證了動(dòng)平衡 精度和切削穩(wěn)定性；刀具剛度高并可傳遞大的扭矩，提高切削效率；刀體前端與刀片采用 螺釘聯(lián)結(jié)，滿足刀片夾緊可靠、拆換方便的要求；刀體后端與機(jī)床主軸接口采用HSK(空心 短錐柄)刀柄結(jié)構(gòu)，保證刀具與主軸配合可靠性；該刀具使得高速加工工具系統(tǒng)組件數(shù)量 被減少至最少(由5個(gè)減至3個(gè))，其安全可靠性得到顯著提高。


附圖1是高速銑刀動(dòng)態(tài)切削模型。圖中，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，d為銑刀直 徑，\為工件銑削寬度，ap為銑削深度，Vf為進(jìn)給速度，fzi為相鄰刀齒間每齒進(jìn)給量，κ r為 銑刀主偏角，爐ο為切入角，外為接觸角，爐為進(jìn)給方向角，η為銑刀轉(zhuǎn)速，F(xiàn)。為沿銑刀切向的 切削分力，F(xiàn)r為沿銑刀徑向切削分力。附圖2是高速銑刀固有頻率和轉(zhuǎn)速對(duì)其離心力振動(dòng)振幅影響規(guī)律曲線，圖中ω/ 為工作轉(zhuǎn)速與固有頻率比值。附圖3是高速銑刀固有頻率和轉(zhuǎn)速對(duì)其切削力振動(dòng)振幅影響規(guī)律曲線，圖中ω/ 為工作轉(zhuǎn)速與固有頻率比值。附圖4是整體式高速銑刀的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖5是直徑50mm整體式高速銑刀變形量分析曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 整體式高速銑刀，其組成包括刀柄1、刀體2及鑲嵌在刀體上的刀片3，所述的刀 柄與所述的刀體為一體式結(jié)構(gòu)，所述的刀片與所述的刀體之間采用螺釘4連接，所述的刀 柄后端采用HSK (空心短錐柄)刀柄結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2
整體式高速銑刀的設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟1.依據(jù)高速銑刀動(dòng)態(tài)切削模型和高速銑刀動(dòng)力學(xué)微分方程，進(jìn)行固有頻率和轉(zhuǎn)速 對(duì)高速銑刀振動(dòng)影響分析。高速銑刀在切削加工過(guò)程中，受到離心力和動(dòng)態(tài)切削力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)微小 的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)，使刀具既儲(chǔ)存能量又消耗能量，表現(xiàn)出既有彈性又有阻尼的特性，其彈性可 用等效彈簧來(lái)代替，其阻尼可用阻尼器來(lái)代替，因此，可將刀具動(dòng)態(tài)切削模型簡(jiǎn)化為用一組 等效彈簧和等效阻尼器來(lái)表示。銑刀軸向剛度遠(yuǎn)大于其徑向剛度，切削力和離心力主要作用在刀具的徑向切削工 作平面內(nèi)。因此，在該平面內(nèi)建立兩個(gè)自由度的高速銑刀動(dòng)態(tài)切削模型，如圖1所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，高速銑刀動(dòng)力學(xué)微分方程為
權(quán)利要求
1.一種整體式高速銑刀，其組成包括刀柄、刀體及鑲裝在刀體上的刀片，其特征是 所述的刀柄與所述的刀體為一體式結(jié)構(gòu)，所述的刀片與所述的刀體之間采用螺釘連接，所 述的刀柄后端采用空心短錐柄刀柄結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體式高速銑刀，其特征是其設(shè)計(jì)方法方法包括如下步驟(1)依據(jù)高速銑刀動(dòng)態(tài)切削模型和高速銑刀動(dòng)力學(xué)微分方程，進(jìn)行固有頻率和轉(zhuǎn)速對(duì) 高速銑刀振動(dòng)影響分析；(2)依據(jù)高速銑刀固有頻率和轉(zhuǎn)速對(duì)其離心力和切削力振動(dòng)影響分析結(jié)果，提出整體 式高速銑刀設(shè)計(jì)方案；(3)依據(jù)該設(shè)計(jì)方案，開發(fā)具有空心短錐柄刀柄結(jié)構(gòu)的整體式高速銑刀；(4)采用有限元分析方法，驗(yàn)證高速銑刀安全性與切削穩(wěn)定性。
全文摘要
整體式高速銑刀及其設(shè)計(jì)方法。由于高速銑刀普遍采用可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)，其高速加工工具系統(tǒng)一般為5至6個(gè)包括刀片、緊固件、刀體、刀柄、拉緊構(gòu)件等，在刀片更換后必須與刀柄一道重新進(jìn)行動(dòng)平衡。在高轉(zhuǎn)速條件下，較大離心力會(huì)削弱拉緊機(jī)構(gòu)作用，從而影響銑刀軸向定位精度。本發(fā)明的組成包括刀柄(1)、刀體(2)及鑲嵌在刀體上的刀片(3)，所述的刀柄與所述的刀體為一體式結(jié)構(gòu)，所述的刀片與所述的刀體之間采用螺釘(4)連接，所述的刀柄后端采用空心短錐柄刀柄結(jié)構(gòu)。本發(fā)明用于分析在高轉(zhuǎn)速下銑刀的安全性。
文檔編號(hào)B23C5/26GK102120276SQ20101003245
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者姜彬, 鄭敏利 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)