通用型阶梯式可转位端铣刀设计与制造(含图纸)

通用型阶梯式可转位端铣刀设计与制造

摘要：本设计在阶梯切削法原理的基础上，采用径向错移量较大的单组阶梯式铣削方法，进行阶梯式可转位端铣刀的结构设计，并收集大量的资料来证明该刀具的可行性，为促进中小企业顺利推广刀具可转位技术开辟了一条新途径。

关键词：阶梯切削法；刀具可转位技术；径向错移量

Design and manufacture

on the Universal Indexable Step Face Milling Cutter

Abstract: This design base on the principle of step cutting，adopting the single-group step milling method of a bigger radial shift，going to design the structure of the step indexable face milling cutter，and collecting a large number of materials to prove that is usable，to open a new way for promoting the small or medium-sized enterprises to popularizing the indexable technology of the cutting tool smoothly.

Key words:step cutting method

indexable technology of the cutting tool

radial shift

目录

引言 (1)

一、本阶梯式铣刀主要尺寸参数及结构类型选择 (2)

1 使用条件 (2)

2 铣刀公称直径 (2)

3 铣刀刀削角度类型和特点 (2)

4 铣刀主要结构型式 (3)

5 确定铣刀类型 (3)

二、设计计算 (3)

1 铣刀刀具切削角度选定及计算 (3)

2 各刀齿轴向错移量△X和齿数Z (5)

3 各刀齿径向错移量△R (6)

4 各刀齿圆周分布顺序的确定及等分齿距问题 (7)

5 小刀齿结构参数的确定 (8)

6 楔铁尺寸参数 (10)

7 差动螺丝长度 (11)

8 刀体及槽尺寸参数计算 (12)

三、工艺流程卡 (19)

1 刀体工艺表 (19)

2 刀体工艺卡 (19)

四、相关专用夹具的设计 (30)

1 问题的提出 (30)

2 夹具设计 (30)

3 铣床夹具的装配图 (31)

五、经济性分析 (32)

1 阶梯式可转位端铣刀的切削对比实验 (32)

结论 (35)

参考文献 (36)

引言

端铣刀是加工平面的最常用刀具之一，在实际机械加工生产中，端铣刀的普及使用越来越广泛。上个世纪七十年代后，国家经委和机械工业部大力推广运用硬质合金端铣刀可转位技术，因此得到了更广泛的运用。但是，由于生产的传统性和技术推广的限制性，目前国内大多数的中小机械企业仍然沿用传统的机夹焊接式端铣刀，机夹焊接式端铣刀存在着以下两个缺点：

1、由于机夹焊接式端铣刀的刀片少，所以能承受的切削力少，背吃量小，加工效率低。

2、加工时，每块刀片的刀刃都在同一个圆周上，一旦其中的一块刀刃磨损，就要将各刀片重磨，使各刀刃重回同一圆周上方能加工，这就要花费一定的时间用于重磨刀片，降低了加工效率，如果不进行刀片重磨，就会使得各刀刃上的受力不均，严重影响加工精度并使得刀片更易磨损和磨钝，增加了加工的使用费用。

推广使用可转位端铣刀可以解决上述问题，但在我国内，出售的可转位铣刀其各刀尖之间的位置公差要求较严格，刃磨需要专用机床，因此使用费用较高，难于在中小型企业中大面积推广。因此特别需要进行通用型阶梯式可转位端铣刀的设计与制造。本端铣刀不同于普通可转位端铣刀，也不同于普通阶梯式端铣刀，在结构上有其独到和新颖之处，其设计和计算只能借助现有资料，必须结合实际作出创新性的处理。本端铣刀有以下的优点：

1、该刀具将阶梯切削法引入可转位端铣刀的设计之中，采用径向错移量较大的单组阶梯铣削法，这可以降低各刀尖之间位置公差要求，能够直接装夹不经磨制的可转位铣刀片，大大节省了更换刀具的时间。

2、允许手工磨砺，使用方便，从而可大大降低加工成本，有利于中小型企业推广硬质合金可转位技术。有着广大的市场效益。

一 本阶梯式铣刀主要尺寸参数及结构类型选择

1、使用条件

主要用户：普通中小机械厂或有关维修车间 主要设备：立铣X52

工件材料：一般碳钢件，灰铸铁件。 2、铣刀公称直径 0d

由于铣刀安装费时费力，要考虑通用性较好，并符合直径系列，取较大的直径：mm d 1600=，mm d 2000=

本设计取mm d 1600=的公称直径。 3、铣刀刀削角度类型和特点 根据一般用途的可转位端铣刀，其切削角度有三大类型：

Ⅰ型（正前角正刃倾角型）：采用带后角刀片，每片可用刃数少。这种铣刀

楔角小，具有锋利的切削刃。由于切屑收缩比小，所耗切削功率较小，切屑成螺旋状排出，不易形成积屑瘤。但抗冲击强度差，这种铣刀最宜用于软材料和不锈钢、耐热钢等材料的切削加工。对于刚性差(如主轴悬伸较长的镗铣床)、功率小的机床和加工焊接结构件时，也应优先选用双正前角铣刀。

Ⅱ型（正前角负刃倾角型）：采用带后角刀片，每片可用刃数少；这种结构

的铣刀综合了双正前角和双负前角铣刀的优点，轴向正前角有利于切屑的形成和排出；径向负前角可提高刀刃强度，改善抗冲击性能。此种铣刀切削平稳，排屑顺利，金属切除率高，适用于大余量铣削加工。但负后角偏大，刃口变弱。

Ⅲ型（双负前角）：采用不带后角铣刀片毛坯，每刃可用次数多；刀刃强度好，不易崩刃打刀，适应性强，但切削力稍大。由于切屑收缩比大，需要较大的切削力，因此要求机床具有较大功率和较高刚性。由于轴向前角为负值，切屑不能自动流出，当切削韧性材料时易出现积屑瘤和刀具振动。

作为系列化设计，三种型式都可考虑，但基于实际生产情况，中小型企业以

推广使用Ⅱ型Ⅲ和型为好。

4、铣刀主要结构型式

4.1、该铣刀属粗齿结构，考虑便于制造，夹固可靠性，采用径向楔铁螺钉结构而不采用轴向夹紧方式。

4.2、由于刀片毛坯厚薄不均，不宜采用后压式，以前压式为宜。

4.3、考虑便于制造采用组装式刀体结构。

4.4、本铣刀较普通可转位端铣刀在结构上作了如下的改正：

4.4.1、采用双头差动螺丝代替左右螺丝，它具有制造方便，夹紧力大，刀体螺纹不易损坏的特点；

4.4.2、刀垫采用可转位式，提高刀垫的使用次数；

4.4.3、为了确保可靠夹紧毛坯刀片，刀垫底部中间有较大的孔，以保刀片边缘接触，楔铁边缘离主副刀刃距离减少，保证压紧可靠。

5、确定铣刀类型

本设计确定为大直径第Ⅰ型双正前角端铣刀。

二设计计算

1、铣刀刀具切削角度选定及计算

1.1、刀具切削角度选定

可转位铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。为满足不同的加工需要，有多种角度组合型式。各种角度中最主要的是主偏角和前角，前角已经定为双负前角，故在此重点讨论主偏角。

主偏角为主切削刃与切削平面的夹角。可转位铣刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种。

主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。铣刀的主偏角越小，其径向切削力越小，抗振性也越好，但切削深度也随之减小

90°主偏角：在铣削带凸肩的平面时选用，一般不用于纯平面加工。该类刀

具通用性好(即可加工台阶面，又可加工平面)，在单件、小批量加工中选用。由于该类刀具的径向切削力等于切削力，进给抗力大，易振动，因而要求机床具有较大功率和足够的刚性。在加工带凸肩的平面时，也可选用88°主偏角的铣刀，较之90°主偏角铣刀，其切削性能有一定改善。

60°～75°主偏角：适用于平面铣削的粗加工。由于径向切削力明显减小(特别是60°时)，其抗振性有较大改善，切削平稳、轻快，在平面加工中应优先选用。60°主偏角铣刀主要用于镗铣床、加工中心上的粗铣和半精铣加工；75°主偏角铣刀为通用型刀具，可直接采用毛坯刀片，重磨后可以形成0050~40角，不致过小，切削比压最少，适用范围较广。

45°主偏角：此类铣刀的径向切削力大幅度减小，约等于轴向切削力，切削载荷分布在较长的切削刃上，具有很好的抗振性，适用于镗铣床主轴悬伸较长的加工场合。用该类刀具加工平面时，刀片破损率低，耐用度高；在加工铸铁件时，工件边缘不易产生崩刃。

根据以上判断及实际加工经验，铣刀的主偏角取?=75γK ，此时副偏角

?=15,

γK 。

1.2、刀具角度换算

p r （纵向前角）

， f r （横向前角）， 0r （主剖面前角）， 0α（主剖面后角）

， s λ（刃倾角）， '0α（副剖面后角） 计算公式：

r f r p tg k tg tg κγγγsin cos 0+= r p r f s tg tg tg κγκγλsin cos +-= s s

np s np tg tg tg tg tg λλγαλγααcos cos 1cos 000?+-=

'''0''0'0cos cos 1cos s s

np s np tg tg tg tg tg λλγαλγαα?+-=

)cos()sin(''0'r r s r r s tg tg tg κκλκκγλ+-+= )sin()cos(''0'r r s r r s tg tg tg κκλκκγγ+++=

其中： np α---刀片法向后角

按第Ⅰ型（正前角及正刃倾角型），根据上述公式计算得：

02=f γ，05=p γ，011=np α，002.3=γ，03.4=s λ，009.7=α，0'08.6=α

2、各刀齿轴向错移量△X 和齿数Z

铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径的可转位铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的可转位铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型：

①、粗齿铣刀 适用于普通机床的大余量粗加工和软材料或切削宽度较大的铣削加工；当机床功率较小时，为使切削稳定，也常选用粗齿铣刀。

②、中齿铣刀 系通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性。

③、密齿铣刀 主要用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工。在专业化生产(如流水线加工)中，为充分利用设备功率和满足生产节奏要求，也常选用密齿铣刀。

因此铣刀选用粗齿铣刀，齿数Z=6，而各刀齿轴向错移量1=?X mm 。其分析理有如下：

①、必须大于各刀尖制造累积误差，以形成相应的阶梯（详细计算见后面）； ②、普通铸锻件表面不平均度约6.0~3.0mm ，避免减少最后刀齿切在硬皮上的可能性，△X 应大于0.6mm ；

③、在余量一定时，△X 增大，Z 减少，切削效率变低； ④、当△X 接近f a （每齿走刀量）时，其比能最少。

一般中小厂，平面加工余量约6mm ，综合以上原因取 △X=1mm ，Z=6。 3、各刀齿径向错移量△R

3.1、最小理论错移量min R ?（为形成阶梯所必须的最小错移量）

设铣刀主偏角090=r k ，齿数4，为了使各阶梯切削表面前后相互衔接而又不重叠，其中间剖截形应如图2所示：

显然：

[])2

11('

min -=-=?f a f R f 计

式中：f ---- 铣刀每转走刀量，

计f a --- 每齿计算走刀量，即相邻两齿间角角差所导致的附加减小量， 若考虑 090=r k ，则应改成下式（图3）

3.2、制造累积误差： r δ 2222其

槽磨片δδδδδ+++=r

式中：

片δ---毛坯刀片边长偏差在径向的变化量 15cos 15.02?

磨δ---由于手工磨砺不均匀性的偏差，取2.0±

槽δ---刀体槽高不均匀性偏差，取05.0±

其δ---包括刀尖轴向位移，主偏角，刀体径向振摆等引起刀尖轴向位置变

化量，取0.3 显然：

r R R δ+?≥?min

即 2

222)2

11(其槽磨片δδδδα++++?+-?≥?r pi ctgk f R

设，1max =f ，则代入以上各式得：

2222

3.01.0

4.0)15

cos 15.02(751)611(1+++?+?+-?≥?

ctg R 70.1≥?R mm

为安全起见，取2=?R mm 。

4、各刀齿圆周分布顺序的确定及等分齿距问题

设最后形成加工表面的刀齿为1?NO ，其它各齿依次为2?NO ，

3?NO ，4?NO ，

5?NO ，6?NO （切毛坯表面的），则刀齿圆周分布有以下三种可能：顺序，交叉和对称（如图4）

图4

对称

交叉

顺序

刀齿分布顺序影响铣削均衡率，该种端铣刀参加切削的倒齿数与工件加工余量有关，若余量为6，依次切深，有6个刀齿参加工作，若依次切深3，则只有三个刀齿（1?NO ，2?NO ，3?NO ）起切削作用，其余情况依此类推。

如果设普通等分齿距铣刀均衡率为00100，则顺序分布均衡率为0033，交叉分布为0050，对称分布为66%。

据上所述和实际生产经验可知，采用对称分布形式最为合理。

此外，刀齿有等分齿距和不等分齿距问题，本铣刀采用等分齿距结构：

①、若刀体刀槽是等分的，由于各齿径向错移量较大，实际已属不等分齿距； ②、当切深不同时，也属于较大不等分齿距工作； ③、刀体做成不等分，制作困难些，特别是倒角部分。 5、小刀齿结构参数的确定

除考虑必要的切削角度、强度、刚度和制造要求外，应尽量采用通用性的原则，刀片当按相同尺寸设计。

5.1、基本结构尺寸。见下图（图5）

5.2、各刀齿的长度i l

长度l 仅与刀号有关，各型刀体同一号采用同一长度，“i ”代表刀齿号，相邻号刀齿差值l ?可由图6算出，

[]

mm k k X R l r r 67.115cos )15tan 2()90cos()90tan(=?-=-?-??-?=? 取mm l 5.261=，则mm l 17.282=，mm l 84.293=，mm l 51.314=，

mm l 18.335=，mm l 85.346=。

5.3、侧垫片厚度i b

由图6可知，相邻齿之差值为

mm K l k X B R r 48.115tan 67.115cos /1)90tan()90cos(/=?+=-??+-?=?

齿号6，其垫片最薄，取10.6mm ，则：

mm b 6.106=，mm b 08.125=，mm b 56.134=，mm b 04.153=，mm b 52.162=，mm b 181=。 6、楔铁尺寸参数：

楔铁尺寸由i α，i c 和i f 组成的，它仅与尺号有关，与刀具直径和型式无关，以NO.1为基准，再计算其它齿号楔铁尺寸。

由图7可知楔铁（NO.1齿）

宽度： ββαsin )(sin 11AB BO AO +=?=

[]βββsin )(cos /sin /)(111??-+-=l M H 厚度： 31131cos )(cos ?-??-=?-?=ββl AB c 宽度： mm b b f 325.2185.16211=-+=?-+= 其它齿号尺寸分别按以下公式计算： βsin )1(1???-+=l z a a i i βcos )1(1???-+=l z c c i i B z f f i i ??--=)1(1

把已知数据mm H 60.331=，mm M 15=， 6.11=β，mm l 5.261=，mm 41=?，mm b 5.16=，mm b 181=，mm 5.22=?，mm 5.13=?代入上面公式，计算结果如

下：

mm a 51.231=，mm a 85.232=，mm a 18.243=，mm a 52.244=，

mm a 86.245=，mm a 19.256=

mm c 54.201=，mm c 18.222=，mm c 81.233=，mm c 45.254=，mm c 08.275=，mm c 72.286=

mm f 321=，mm f 52.302=，mm f 04.293=，mm f 56.274=，mm f 08.265=，

mm f 6.246= 7、差动螺丝长度

当楔铁楔紧时，应保证螺钉头端面与楔铁上表面齐正。

如图8所示。螺钉开始装配初始位置，螺钉头应高出楔铁c ?，其值为：

mm S S l S S l c c c c 5.83

32122

0120''''''≈??????+??-+??-=

???????+?+?=? 其中取mm l 110=，mm 5.13=?，mm s 11=，mm s 75.12= 则各螺钉总长按公式c c l l i i ?++=0计算得结果如下：

mm L 04.401=，mm L 68.412=，mm L 31.433=，mm L 95.444=，

mm L 58.465=，mm L 22.486=

8、刀体及槽尺寸参数计算：

8.1、NO.1和NO.6刀齿与刀体边缘尺寸的关系有关尺寸如图9所示。

其中i h 按下式计算（见图9）

[]

)(90cos '22r i i i k h +-?+=θεε

而：i

i εεθ'

tan =

把mm i 8.3=ε，mm i 6.2'=ε， 15'=r k 代入上面得：

40.34=θ，mm h i 5.3= 8.2、刀槽斜角φ2（图10） 根据一般资料可知（证明从略）；

f p r r cos tan tan 3?=φ

代入Ⅰ型数值02=f γ，05=p γ，可得：

53=φ

8.3、刀槽偏距e 和A 由

图10可知：

30

tan sin 2

φh r d e f +=

而 3

cos φM

e A +

=， 式中0d ——铣刀直径，而M=15 将以上有关数值代入可算得： Ⅰ型0d 为160φ： mm e 8.3=，mm A 8.18= 8.4、刀体外锥角 由图11可知：

6.26)10

5

(tan tan 11

1===--p k ε 752==r k ε

15'3==r k ε

8.5、刀体刀槽高度H 由图12可知

'''10

)(cos )tan ()cos 2

(

r r f A k k l r d H ?--=ε '2)()(tan tan r A B k M H H φ+= )(A H 下简称H

已知Ⅰ型数据0d 为160φ，02=f γ， 15'=r k ，mm l 5.261=，mm 6.2'=ε代入整理可得：

mm H 01.75=

8.6、刀体外缘各部分直径： 由图12(见附表1)可知

[]

2

'

3'121tan tan cos )(2r r k M k l H A d φε--++?=

[]

2

'3'1232tan tan cos )()tan (2r r k M p k l H k A d φεφ-+++++?=

{}

+--++?

=2

3

33tan ])90cos(cos [2φφ

h k b k e d r

{}

2

'

6'13

'cos /]tan )()cos [(tan r r r

k l k l h k b k H +---++εφ

将已知Ⅰ型数据0d 为160φ，mm A 85.18=，mm H 01.75=，mm l 5.261=，

mm 5.3=ε， 15'=r k ，mm M 15=， 75=r k ，mm p 10=， 53=φ，mm e 8.3=，

mm h 5.3=，mm k 5=, mm l 85.346=,mm b 5.16=，代入可得：

mm d 38.1971=，mm d 20.2172=，mm d 74.2283= 8.7、刀体刀槽端面斜角1β

图13中DBE 表示楔铁的法剖面，其斜角为β，此即刀体刀槽的法向斜角，为了制造时便于分度头分度，必须算出刀槽端面斜角1β

r r k k BE DE

AE DE sin /tan )

90cos(tan 1ββ=-==

将 6.11=β代入，得 121=β

8.8、刀体刀槽轴向高度'H

由图14可知刀槽底角点K 到刀体端面的垂直距离'H 可按下式计算： '3''6'sin 5)90cos(cos )5(r r k l k b B b H ?--??-+?+=φε

将已知Ⅰ型数据mm b 6.106=，mm B 48.1=?，mm b 5.16=，mm 5.3''=ε，

53=φ， 75=r k ，mm l 67.1=?， 15'=r k 代入上式，得：

mm H 67.27'=

8.9、刀体槽内圆端面槽宽q

4d 为刀体内圆直径（图15），端面内圆槽宽q=12，为此，只要求出点1和点2分别在xoy 平面的平面的坐标位置，即可解得。 圆方程 )1()2

(

222

4??????+=x y d 直线W 1方程 )2(???????????=A y 直线Q 2方程 )3(tan )(cos 13

??????-=+-

βφH x A H

y 联解(1)和(2)可得点1的坐标:22

41)2

(A d x -=，A y =1 联解(1)和(3)可得点2的坐标：

)

tan 1(2)tan cos (tan 4)tan cos (tan 22

2

13

1123112ββφββφβ+--+---=

H A H

H A H x

???

???---+-24213

112)2()tan cos ()tan 1(4d H A H βφβ

A H H x y -+-=3

1

122cos tan )(φβ 再由下式求q :

212212)()(12x x y y q -+-==

把已知Ⅰ型数据0d 为160φ，mm d 1764=，mm A 85.18=， 6.11=β， 121=β，mm H 01.75=，mm H 60.331=， 53=φ代入公式计算结果如下：

mm q 79.47=

8.10、刀槽倒角计算 楔端刀体外圆倒角高度Δ前i 由图16可知：

)cos (tan tan '112r k ββ-= 2

2

OT ST OS +=

226226'1'6')cos ()sin cos cos sin 5(e a a k k l k B H r r r -+-?-+??+=ββ

NO.6：OS d -=

?2

2

6前 ， 06=?后 将已知Ⅰ型数据代入可得 mm 81.46=?前 ， 06=?后

其它齿号前后端倒角： βcos )1??--?=?l Z Z i i （前前 l Z Z i i ?--=?)(0后

则其各齿号的前后端倒角为如下：mm 81.41=?前, mm 36.112=?前，

mm 72.93=?前，mm 09.84=?前，mm 46.65=?前；mm 35.81=?后，mm 68.62=?后，mm 01.53=?后，mm 34.34=?后，mm 67.15=?后