自由切削阶梯端铣刀刀体造型与加工工艺的设计说明.docx
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自由切削阶梯端铣刀刀体造型与加工工艺的设计说明
1绪论……………………………………………………………………1
1.1本课题研究的目的和意义…………………………………………1
1.2刀具的国外发展………………………………………………2
2刀体设计………………………………………………………………5
2.1刀体结构……………………………………………………………5
2.2刀盘结构……………………………………………………………6
2.3刀体造型的设计……………………………………………………6
2.4刀体与机床的连接定位……………………………………………8
2.5表面处理……………………………………………………………10
2.5.1刀片的表面处理…………………………………………………10
2.5.2刀体表面处理技术的分类………………………………………10
3加工工艺路线…………………………………………………………12
3.1加工工艺方案………………………………………………………12
3.1.1方案一……………………………………………………………12
3.1.2方案二……………………………………………………………13
3.1.3方案三……………………………………………………………14
3.2工艺路线的制订……………………………………………………14
3.2.1选择加工方法考虑的问题………………………………………15
3.2.2方案选择…………………………………………………………15
4夹具……………………………………………………………………16
4.1夹具概述……………………………………………………………16
4.2机床夹具的组成……………………………………………………17
4.3夹具设计要求………………………………………………………18
4.3.1分度装置的设计…………………………………………………18
4.3.2夹紧装置的设计…………………………………………………20
4.3.3夹具总体结构……………………………………………………20
4.3.4具体夹具设计细节见夹具设计图………………………………22
5结论……………………………………………………………………23
参考文献…………………………………………………………………24
致……………………………………………………………………25
1绪论
1.1本课题研究的目的和意义
机械制造工业在国民经济中起着特殊重要的作用，它为各个经济部门提供先进的技术装备，为人民生活提供所需的机械商品，为国防事业提供现代化的武器。
我国社会主义建设的迅猛发展，在很大程度上决定于机械制造工业的技术水平和能力，它是技术进步最重要的标志，而目前随着重大技术装备向大型、大容量、高参数、高效率方向发展，大件及超大件机械加工的工作量越来越大。
而在大件加工中，平面铣削加工又占切削加工工作量的60%以上。
在我国，重点工程建设型设备制造的任务很重，迫切需要高效率的重型端铣刀来满足平面加工的要求[1]。
但是，我国重型机械加工刀具技术与国外相比要落后20～25年，生产效率只有国外同类先进企业的1/5～1/10。
如国外早已出现了重型端铣刀，原联有直径2.25m的端铣刀，德国、美国和日本等国直径2m以上的重型端铣刀都为提高铣削效率发挥了很大作用[2]。
近二十年，我国的刀具技术突飞猛进，在很多领域取得了非常大的进步，缩小了与发达国家的差距，某些方面甚至已经领先，但是也存在一些突出的问题。
为了缩短在重型机械、重电工、重化工等大型机械制造中与世界先进国家的差距，结合我国重型机械毛坯制造余量过大（80～200mm）和表面凹凸不均的现状，很有必要对重型端铣刀的研究加大力度[3]。
例如，中北大学的常兴教授等对重型自由切削阶梯端铣刀进行了多年的研究，并以自由切削理论为基础创造性地研制出了一种强力端铣刀，它靠不同主偏角和刀尖位置的组合，形成阶梯和特殊切削层，除末阶刀齿外，其余刀齿均属自由切削，虽然这种刀具有很大创新，解决了许多根本和关键性的问题，但也存在不足，主要表现在这种刀具的刀体是圆柱状的，显得笨重、浪费材料、造型不够美观、表面颜色单调（如图1.1）。
这些问题尽管不影响刀具的基本性能，但是由于刀体造型和外观不理想，目前在市场推广方面的效果不太理想，所以要在刀体造型和外观方面有必要进行改进[4]。
图1.1自由切削阶梯端铣刀
1.2刀具的国外发展
国外刀体有圆锥形（如图1.2），短圆柱与锥体、短圆柱与圆弧过渡（如图1.3）等造型[5]，这些刀具不但重量较轻、节省材料，而且外形美观。
刀具表面处理不但可改善刀具表面硬度，还可获得各种具有增强效果的颜色。
在各种刀具表面处理技术中，表面涂层技术是近几十年国外兴起的发展较快的表面改性技术。
采用涂层技术不但可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率，而且使刀具的外观大大改善[6]。
因此，涂层技术被称为切削刀具制造领域的关键技术。
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类。
为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，发达国家制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视[7]。
图1.2端铣刀图1.3端铣刀
我国的刀具设计，制造技术进步很快，但是有很多薄弱环节，存在重实用轻外观的思想，很多刀具的使用性能很好，但是由于刀体造型和外观的原因，使我国刀具的市场化推广受阻。
如工具研究所开发的ZM型重型面铣刀，在结构上有所独创之处，但造型外观不太理想[8]。
目前，一些科技工作者已经意识到了这种问题，开始重视外观设计并已经开发出多种表面处理技术，其中涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期。
因此，充分了解国外刀具涂层技术的现状及发展趋势，瞄准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地发展刀具涂层技术，对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义[9]。
其中化学涂层（CVD）仍然是可转位刀片的主要涂层工艺，已开发出中温CVD、厚膜Al2O3、过渡层等新工艺，在改进基体材料的基础上，使CVD涂层的耐磨性和韧性均得到提高。
物理涂层（PVD）的进展也尤为引人注目，在涂层炉结构、工艺过程、自动控制技术等方面都取得了新进展，不仅开发了适用于高速切削、干切削、硬切削的高耐热性涂层（如超级TiAlN）以及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层，而且通过对涂层结构的创新，开发了纳米、多层结构，大幅度提高了涂层硬度和韧性。
PVD涂层技术的新进展，显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势，通过对涂层工艺参数的控制和对靶材、反应气体的调整，可不断开发出新的高性能涂层，以满足加工多样性的需要。
涂层技术将成为提高和改善刀具性能的捷径，有着十分广阔的应用前景[10]。
高速切削时，为使刀具保持足够的夹持力，以避免离心力造成刀具损坏，对刀具装夹装置也提出了相应的要求。
加工中心等NC机床多年来一直采用7:
24实心锥柄工具系统，这种实心锥柄具有以下缺点：
①由于只靠锥面结合，刀柄与主轴的联接刚性较低，尤其当主轴转速超过10000r/min时，联接刚性的不足更为明显；②当采用ATC（AutomaticToolChanging，自动换刀）方式安装刀具时，重复定位精度较低，难以实现高精度加工；③当主轴高速回转时，主轴前端在离心力作用下会发生膨胀，易导致主轴与刀柄锥面脱离，使径向跳动急剧增大（可达15µm）,从而降低刀柄接触刚度，且易发生安全事故。
因此，传统的长锥刀柄不适宜用于高速切削加工[11]。
为解决这一问题，引进采用了锥部和主轴端面同时定位的双定位式刀柄（如德国的HSK空心刀柄、美国KM系列刀柄等）。
此类刀柄通过锥部定心，并使机床主轴端面紧贴刀柄凸缘端面。
这种刀柄安装时重复定位精度较高（轴向重复定位精度可达0.001mm），在高速转动产生的离心力作用下，刀柄会牢固锁紧，其径向跳动不超过5µm，在整个转速围可保持较高的静态和动态刚性。
因此，此类刀柄特别适合高速切削加工[12]。
2刀体设计
在选择刀体材料时考虑到40Cr是机械制造业使用最广泛的钢之一。
调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。
钢的淬透性良好，切削性能较好，当硬度为HB174～229时，相对切削加工性为60%，经济性好。
所以是刀体设计时的最佳选择材料[13]。
2.1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（如2.1，图2.2，图2.3）[14]。
图2.1刀体前视图
2.3刀体造型的设计
参考了国外这种重型铣刀的结构特点，结合我国具体情况，博取了众家之长，可采用圆柱形及圆锥过渡面（如图1.2）、圆柱形及圆弧过渡或圆锥体造型（如图1.3）。
从造型和外观上看比圆柱形刀体明显有很大的提高[15]。
在三维造型时用传统的手工绘图设计方法效率很低，费时费力，且不易保证设计质量。
国外出现了许多三维造型软件，如UniGraphics、Pro/E、Catia、ANSYS，solidworks大学课程开设过solidworks，对solidworks有一定的了解。
SolidWorks是功能强大、易学易用和高效创新的三维CAD系统，可进行机械设计、零件设计、模具设计、装配体和工程图设计、消费品设计等。
且solidworks软件是世界上第一个基于windows开发的三维cad系统，第一个创featuremanager特征管理员的设计思想，第一个实现智能化装配的cad软件。
基于此solidworks可以很好的实现三维造型设计，它强大的三维实体造型及绘图功能可使刀具的设计变得简单、方便，大大提高了设计效率和设计精度，且易于实现产品的CAD/CAM一体化开发，不仅缩短了产品开发周期，提高了产品质量，而且在节约原材料、提高一次合格率等方面取得了明显成效。
有强大的三维到二维的转换功能。
基于solidworks的各种功能优势考虑，使用它作为设计使用软件。
如图2.5、图2.6为solidworks设计图。
图2.5刀体造型
图2.6刀体造型
2.4刀体与机床的连接定位
刀体的安装有两种形式，一种方法是以铣床主轴外径与主轴端面定位，这是比较旧的安装方法；另一种方法是采用铣刀孔及芯轴定位，这种方法安装铣刀方便，刀体定位精度高。
因为铣刀的制造和使用的定位基准一致。
同时这种安装结构形式的制造精度也容易得到保证。
通过比较分析，采用第二种方案[16]。
当加工转速达到15000r/min时，传统的7：
24锥度刀柄主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极降低了刀柄在主轴锥孔的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可靠性。
而1:
10HSK锥度刀柄满足要求，所以我选用1：
10HSK锥度刀柄。
在刀柄和主轴间选择用键和键槽传递扭矩。
如图2.7、2.8所示[17]。
图2.7刀柄
图2.8刀柄
2.5表面处理
表面处理是本课题研究的重点之一，它直接关系到刀具的市场化推广。
2.5.1刀片的表面处理
二十世纪六十年代以来，CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。
尽管CVD涂层具有很好的耐磨性，但CVD工艺亦有其先天缺陷：
一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染，与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触，因此自九十年代中期以来，高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。
目前PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多元复合涂层。
ZX涂层（即TiN-AlN 涂层）等纳米级涂层的出现使PVD涂层刀具的性能有了新突破。
这种新涂层与基体结合强度高，涂层膜硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剥离性强，而且可显著改善刀具表面粗糙度，成为现在刀具表面处理的首选[18]。
2.5.2刀体表面处理技术的分类
（1）电镀包括合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀、非金属电镀等。
（2）涂装包括特殊用途及特殊类型的新涂料及新的涂装工艺。
（3）热喷涂包括火焰丝材喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。
（4）热渗镀分固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗。
其中液体渗中包含一种覆层和渗镀结合一起的技术，称为热浸镀，热浸镀只用于低熔点金属或合金。
（5）化学转化膜包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜等。
（6）彩色金属包括电化学着色、化学着色及染料染色。
（7）气相沉积分为化学气相沉积和物理气相沉积。
（8）三束改性包括离子束技术、电子束技术和激光束技术。
在本课题中由于是研究刀体的表面处理，考虑到电镀适合刀体，涂层适合于刀片处理。
所以在刀体设计中应用了镀铜和镀镁处理。
处理后表面颜色好，而且经济性好[19]。
如图2.9所示。
图2.9镀镁处理
图2.10镀铜处理
3加工工艺路线
3.1加工工艺方案
3.1.1方案一
1毛坯的选择
铣刀刀体用40Cr圆棒料锻造而成。
毛坯经过加热锻造后，可使金属部纤维组织沿表面均匀分布，获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度，以选用锻件。
4夹具
4.1夹具概述
在机械制造个行业的工艺过程中广泛应用着各种不同的，用于固定加工对象，使之占有正确位置，以便接受施工的一种工艺装备，统称为夹具。
因此，无论是在机械加工、装配、检验，还是在焊接、热处理等冷、热工艺中，以及运输工作中都采用大量夹具。
但是在机械加工中应用最为广泛的是金属切削机床上使用的夹具，我们统称为机床夹具[18]。
机床夹具是在基础机床上用以准确、迅速地安装工件或刀具，从而保证工件与刀具间正确相对位置的一种工艺装备。
由此可知，机床夹具总的来看可以分为两大类。
一类是用以安装工件的，一般通称为夹具；另一类是用以安装刀具的，一般通称为辅具[19]。
4.2机床夹具的组成
机床夹具虽然分成各种不同的类型．但它们的工作原理基本相同。
如将各种类型的夹具中作用相同的元件或机构加以概括，则可以得出夹具一般共有的几个组成部分，这些组成部分既互相独立又互相联系[20]。
1．定位装置
这种装置包括定位元件或元件的组合．其作用是确定工件在夹具中的位置。
如图4.1中的定位销2。
2．夹紧装置
这种装置包括夹紧元件或其组合以及动力源。
其作用是将工件压紧夹牢，保证工件在定位时所占据的位置在加工过程中不因受力而产生位移，同时防止或减少振动。
如图4.1中的螺母3和开口垫圈4。
3．导向、对刀元件
这类元件用于引导刀具或确定刀具与被加工面之间的正确位置。
如图4.1中的钻套5。
4．连接元件
这类元件用乎确定夹具本身在机床上的位置并与机床连接。
例如夹具与机床工作台（铣；刨、钻、撞床等）连接的定向键或与机床主轴（车、磨床等）连接的锥柄等。
5．其它装置或元件
这类装置或元件主要有分度装置、靠模装置、上下料装置和顶出器等。
6．夹具体
夹具体是夹具的基座和骨架，用来连接或固定各元件，使之成为一个整体。
如图4.1中的夹具体l。
本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，精通各类机械设计，服务质量优秀。
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5结论
我国的刀具技术在很多领域取得了非常大的进步，但是由于也存在一些突出的问题，如刀体显得笨重、浪费材料、造型不够美观、表面颜色单调。
在此次设计工作中解决了刀体造型的外观设计及表面处理，对在刀体设计中用到的三维造型软件及刀体加工的加工工艺做出了介绍，最后设计了刀体的刀杆安装槽专用夹具。
由于水平有限，在设计中有许多不足之处，例如在夹具的设计过程中没有考虑到铣削力很大，只用摩擦力来保证铣刀与分度盘的相对固定。
还有在刀体的造型设计时没有考虑到排屑和刀体的自重的影响。
好在指导老师及时发现了问题得以改正。
通过这次的设计，我学到了很多刀具方面的知识，对solidworks的使用更加熟练。
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