； KF =1.366—修正系数 。
zap =121N
加载平面为前刀面， 幅值 150N 的载荷， 方向指向 y 负向。约 束类型为固定顶面约束。划分网格越小得到的解越精确， 但相对 运算量会成倍增加， 根据实际将网格划为尺寸 4 的 3D 四面体网 格 （CTETRA10 ） ， 求解器选为 NX NASTRAN DESIGN 进行线性静 力学结构分析。结果， 如图 5 所示。
D1
由分析结果得出刀具整体最大变形量 △ 整=0.09520mm； 实际 △ 不为零， 需要修改参数刀杆 D1。 在 UG 建模中将 D1 修改为 D1=19.8mm， 重新分析， 步骤同上。
△
分析结果显示刀具最大变形量 △ 整=0.1032mm； 单层切削时由切削力引起刀具变形产生的不垂直度 △ △ ＝ ap ×△ 刀 ＝ 1 × 0.1032=0.00065mm L 159 式中： ap —单层当背吃刀量 （取值为 1mm ） ； L —为刀具夹持长度。
234
文章编号： 1001-3997 （2010 ） 06-0234-02 ＊＊＊＊＊ ＊＊ ＊＊＊＊＊
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第6期 2010 年 6 月
模 具
深腔铣削刀具的研制
张丽娜 1 王 彪 1 金 新 2
高硬度、 高韧性以及耐磨、 耐热等材料， 来提高机电产品的使用质
4 刀体静力学分析
4.1 加工表面几何微观分析
当铣刀加工时受到切削力的作用， 引起刀具体变形。 因此， 切 削时刀具在已加工表面刻下一条条相间均匀的凹痕， 这些切痕与 背吃刀量 ap、 切削力有关。如图 4 所示， △ 与背吃刀量 ap 有关， 是 △ 刀的细化， 影响工件的表面粗糙度和刀杆与工件的干涉。△ 刀的 尺寸最大， 影响工件的垂直度。
9.520e－002 8.727e－002 7.934e－002 7.140e－002 6.347e－002 5.554e－002 4.760e－002 3.967e－002 3.173e－002 2.360e－002 1.567e－002 7.934e－001 0.000e+000 1.032e－001 9.464e－002 8.603e－002 7.743e－002 6.883e－002 6.022e－002 5.162e－002 4.302e－002 3.441e－002 2.581e－002 1.721e－002 8.665e－003 0.000e+000
1 深腔零件简介
对于槽类零件， 如果是通槽， 最后一道工序通常在插车上插 成， 但是对于不通的腔体类零件， 须在数控镗铣床上对深腔类零 件进行铣削加工， 采用普通加长刀具清理凹槽圆角， 由于是深腔， 选择铣刀时， 在保证满足加工要求的前提下， 需选择较小直径的 立铣刀， 长径比较大的立铣刀在加工时所受应力变形很大， 铣刀 的径向最大应变量随着刀具悬臂长度的增加不断的增大， 悬臂长 度的增加， 相应会降低刀具的定位可靠性， 导致所加工出的深腔 呈现梯形的状态， 与此同时， 受到刀具长度限制， 刀具刚性不足， 刀具径向力过大， 使刀具发生弯曲变形， 刀体变形严重， 使得切削 效率很低。在许多机械产品中经常遇到这种深腔零件， 深度尺寸 较大， 圆角清理要求精度较高， 如图 1 所示。槽体零件， 在生产中 要求加工四个这样的深腔， 槽宽 200mm， 槽深 170mm， 在圆上均 匀分布的槽， 原采用在立式铣床上用加长立铣刀逐个铣出， 由于 小直径铣刀加工时容易脆断， 加工成本很高， 生产效率比较低。 为 此， 设计了单齿铣刀， 提高了生产效率， 较好地解决了这个问题。
235
zap
中， 由于铝合金塑性变形大， 切削速度越高， 切屑流动速度大于切 削变形速度， 即切屑来不及变形就从后刀面流出， 在高速加工时， 剪切角将变大， 变形系数变小， 变形系数接近于 1， 所以切削变形 产生的热量很少， 但对前刀面的压力增大， 大部分热量来自切屑 与刀刃的摩擦， 有效降低摩擦热的生成是高速铣刀设计的特点之 一。借鉴镶齿铣刀和 Φ50 端面盘铣刀结构，决定设计制造一把 Φ20 镶齿高速铣刀。 选用山特维克可乐满 390 刀片， 如图 2 所示。 刀片宽度 iW =6.8mm； 刀片厚度 S =3.5mm； 切削刃长度 bs =0.9
刀片长度 la =11mm； 刀尖圆角 rε =0.4mm
o a
19°
ZC
YC XC
Z
r bS S
Y X
Z
Y X
图 2 山特维克可乐满 390 刀片 Fig.2 Sandvik coke with 390 blade
图 5 刀体受力分析 Fig.5 Blade stress analysis
如图 3 所示， 单齿铣刀。
随着技术日新月异的发展， 在机械制造中， 广泛应用高强度、
R565
R539
第6期
张丽娜等： 深腔铣削刀具的研制
铣削力 Fc = CF kF ae fz d0 每齿进给量 fZ =0.2mm/z， 当背吃刀量 ap =1mm， 侧吃刀量 ae =20mm， Fc = CF kF ae fz d0
0.86 0.72 -0.86 0.86 0.72 -0.86
5 总结
单齿深腔铣刀的研制围绕着深腔类零件的精加工展开， 在设 计和制作过程中充分考虑制作成本、 制作工期等功能需要， 通过 对闲置棒料进行车铣加工， 并利用特特维克的可乐满刀片， 实现 了利用较小投资高效高精度的深腔零件的加工，刀具运行平稳， 在刀具设计过程中通过用 ug 和 NX Nastran 软件， 以数字化的方 式进行建模仿真、 确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周 期中较早地运用数字化仿真性能， 可以改善产品质量， 同时减少 或消除对于样品的耗时的设计、 构建， 以及对变更周期的依赖， 加 工的产品完全达到图纸要求。 此单齿深腔铣刀已经应用于某机械 降 厂的生产， 生产出的产品符合各项要求， 并且提高了生产效率、 低生产成本的预期目的。
4.2 要求
保证工件的型位公差的获得高的切削效率。 。 约束条件： 刀具夹持长度 L叟159mm 刀具直径 D燮20mm 刀杆直径 D1燮D+△
4.3 建模分析
实体模型用 UG5.0 建立， 先假设变形量 △=0， D 和 D1 取最大 值 20mm， 刀具夹持长度 L 取最小值 159mm 时， 刀具整体刚度最 好， 进行建模， 然后在运行设计仿真菜单， 选择 NX nastran 进行分 析。设置刀杆的材料属性， 选择材料为 steel， 各向同性， 杨氏模量 （E ） 为 206GPa、 剪切模量 （G ） 为 79.4GPa、 泊松比 （u ） 为 0.3。 在 daoti-sim1.sim 下， 设置载荷类型为力， 切削力是 根据经验公式由切削用量计算得来，取转速 n0 =2000r/min，
＊来稿日期： 2009-08-15
3 单齿铣刀设计及变形分析
根据铝合金高速切削的特点及对刀具的要求， 在铝加工过程
3.2
对于槽类零件更是如此， 如果是通槽， 最后 的零件质量也难保证。
1 4×R
0
240
量。 但选用这些材料加工时， 加工难度就相对增大了， 同时加工出
3.2
200
＊＊
（1 中北大学 机械制造工程及自动化学院， 太原 030051 ） （2 广西工学院 机械设计及理论， 柳州 545000 ）
Research of the deep groove single-tooth milling cutter
ZHANG Li-na1， WANG Biao1， JIN Xin2 （1 North University of China， Taiyan 030051， China ） （2 Guangxi University of Technology， Liuzhou 545000， China ） 【摘 要】探讨了在机械加工中， 针对深腔类零件的加工， 通常采用加长立铣刀， 对于径长比较大的 加长铣刀径向变形严重的情况， 设计制造了专用单齿铣刀， 通过使用长径比较大的立铣刀所受应力变形 的分析对比， 反应了单齿铣刀的可行性及经济性， 并对所设计的铣刀进行线性静力学结构分析， 针对刀体 的变形进行了参数优化。以期用该单齿刀具取代传统刀具加工方法， 从而提高加工效率和经济效益。 关键词： 深腔； 铣削； 刀具 【Abstract】Discusses the mechanical processing， deep cavity for the removal of round parts， design and manufacture of special single-tooth cutter， milling cutter designed for linear static structural analysis. With a view to using the single-tooth cutter tool to replace the traditional processing methods， thereby en－ hancing the processing efficiency and economic benefits. Key words： Deep cavity； Milling； Cutter 中图分类号： TH16， TB472 文献标识码： A
△刀 a
Y Y Z X
整体最大的不垂直度 △ 刀 ＝ △ × la =0.00715=0.02 式中： la —刀片长度； △ 刀 —零件设计要求中的垂直度要求 （取值为 0.02 ） 。
图 3 单齿铣刀 Fig.3 Single tooth cutter
图 4 深腔零件加工剖视图 Fig.4 Deep cavity machining sections
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一道工序通常在插车上插成， 但是对于不通的腔体类零件， 须在 数控镗铣床上对深腔类零件进行铣削加工， 采用普通加长立铣刀 进行精加工时， 由于受到最终圆角大小的限制， 导致所选择的道 具径长比增大， 刀具径长比的增大难以保证加工精度， 大大降低 针对于这种情况， 研制了单齿铣削刀具， 不但提高了 加工的效率。 生产效率， 而且提高了产品质量， 解决了一些生产中的实际问题。