專利名稱：整體式高速銑刀及其設計方法
技術領域：
本發明涉及一種滿足高轉速和高穩定性要求的整體式高速銑刀及其設計方法。
背景技術：
高速加工工具系統通常指由切削刀具、刀柄和夾頭構成的工具體系，刀具通過夾 頭裝入刀柄之中，刀柄與機床主軸相連。高速加工工具系統對工件尺寸精度和表面質量影 響顯著，同時也影響到高速切削可靠性及機床加工性能。由德國阿亨工業大學機床實驗室研制的一種雙面夾緊HSK(空心短錐柄)刀柄被 廣泛應用于高速銑削機床主軸與刀具聯結。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。但當銑刀直徑較大，無法采用夾頭，由銑刀與HSK(空心短錐柄)刀柄 直接配合時，存在微小配合誤差，從而導致刀具產生徑向圓跳動，不僅消弱了工具系統的剛 度，而且破壞了工具系統的動平衡和高速切削穩定性。由于高速銑刀普遍采用可轉位刀片結構，其高速加工工具系統一般為5至6件組 件(刀片、緊固件、刀體、刀柄、拉緊構件等)，在刀片更換后必須與刀柄一道重新進行動平 衡。在高轉速條件下，較大離心力會削弱拉緊機構作用，從而影響銑刀軸向定位精度。因 此，在高速銑削加工中，由高速可轉位銑刀與刀柄共同組成的高速銑削加工工具系統，不僅 需要重復多次進行動平衡，占用非加工時間過多，而且其剛度、穩定性和動平衡精度隨著轉 速的提高而下降，常常在遠低于額定切削速度的工況下就出現強烈振動，同時，由于其組件 數量較多，消弱了高速銑削加工工具系統安全性，對提高大型精密零件的加工精度、加工效 率產生不利影響。

發明內容
本發明的目的是為了解決上述高速可轉位銑刀與HSK(空心短錐柄)刀柄組成的 高速銑削加工工具系統剛度、動平衡精度和切削穩定性隨著轉速的提高而下降，易于產生 較強振動的問題，提供一種具有HSK(空心短錐柄)刀柄結構的整體式高速銑刀，以滿足大 型零件高效、高精度加工對高轉速和高穩定性的要求。上述的目的通過以下的技術方案實現整體式高速銑刀，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構，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)刀柄結構。整體式高速銑刀，其設計方法方法包括如下步驟(1)依據高速銑刀動態切削模型和高速銑刀動力學微分方程，進行固有頻率和轉 速對高速銑刀振動影響分析；(2)依據高速銑刀固有頻率和轉速對其離心力和切削力振動影響分析結果，提出整體式高速銑刀設計方案；(3)依據該設計方案，開發具有HSK(空心短錐柄)刀柄結構的整體式高速銑刀；(4)采用有限元分析方法，驗證高速銑刀安全性與切削穩定性。本發明的有益效果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速條件下保證切削穩定性，并傳遞較大扭矩，為大幅度提高加工 效率和加工精度創造了條件。同時，該高速銑刀不僅節省了刀具與刀柄安裝和安裝后重新 進行動平衡的時間，而且省去了刀具附件(如防止切削液外流的裝置)，使刀具結構得到簡 化，其高速切削安全性和穩定性得到明顯提高。因此，該高速銑刀的有益效果在以較高轉速 進行鋁合金工件高效、高精度加工中表現尤為明顯。2.本發明采用機械夾固方式將可轉位刀片緊固在刀體上，并將刀體與刀柄“合二 而一”，聯結成一個剛性的整體式新型刀具。該刀具消除了因銑刀與刀柄分離、聯結產生的 不平衡和振動，使得刀具的動剛度和動平衡更容易得到保證。該刀具結構不僅提高了刀具 的動態切削性能，保證高轉速條件下刀具能夠進行穩定、高效切削，而且還具有節省刀具動 平衡的時間，刀片更換快捷等優點。3.該高速銑刀刀體與刀柄合為一體，刀體與刀柄聯結誤差被消除，保證了動平衡 精度和切削穩定性；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 螺釘聯結，滿足刀片夾緊可靠、拆換方便的要求；刀體后端與機床主軸接口采用HSK(空心 短錐柄)刀柄結構，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組件數量 被減少至最少(由5個減至3個)，其安全可靠性得到顯著提高。


附圖1是高速銑刀動態切削模型。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為進給速度，fzi為相鄰刀齒間每齒進給量，κ r為 銑刀主偏角，爐ο為切入角，外為接觸角，爐為進給方向角，η為銑刀轉速，F。為沿銑刀切向的 切削分力，Fr為沿銑刀徑向切削分力。附圖2是高速銑刀固有頻率和轉速對其離心力振動振幅影響規律曲線，圖中ω/ 為工作轉速與固有頻率比值。附圖3是高速銑刀固有頻率和轉速對其切削力振動振幅影響規律曲線，圖中ω/ 為工作轉速與固有頻率比值。附圖4是整體式高速銑刀的結構示意圖。附圖5是直徑50mm整體式高速銑刀變形量分析曲線。
具體實施例方式實施例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構，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)刀柄結構。實施例2
整體式高速銑刀的設計方法，該方法包括如下步驟1.依據高速銑刀動態切削模型和高速銑刀動力學微分方程，進行固有頻率和轉速 對高速銑刀振動影響分析。高速銑刀在切削加工過程中，受到離心力和動態切削力作用時，會產生相對微小 的位移或轉動，使刀具既儲存能量又消耗能量，表現出既有彈性又有阻尼的特性，其彈性可 用等效彈簧來代替，其阻尼可用阻尼器來代替，因此，可將刀具動態切削模型簡化為用一組 等效彈簧和等效阻尼器來表示。銑刀軸向剛度遠大于其徑向剛度，切削力和離心力主要作用在刀具的徑向切削工 作平面內。因此，在該平面內建立兩個自由度的高速銑刀動態切削模型，如圖1所示。根據結構動力學原理，高速銑刀動力學微分方程為
權利要求
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構，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構。
2.根據權利要求1所述的整體式高速銑刀，其特征是其設計方法方法包括如下步驟(1)依據高速銑刀動態切削模型和高速銑刀動力學微分方程，進行固有頻率和轉速對 高速銑刀振動影響分析；(2)依據高速銑刀固有頻率和轉速對其離心力和切削力振動影響分析結果，提出整體 式高速銑刀設計方案；(3)依據該設計方案，開發具有空心短錐柄刀柄結構的整體式高速銑刀；(4)采用有限元分析方法，驗證高速銑刀安全性與切削穩定性。
全文摘要
整體式高速銑刀及其設計方法。由于高速銑刀普遍采用可轉位刀片結構，其高速加工工具系統一般為5至6個包括刀片、緊固件、刀體、刀柄、拉緊構件等，在刀片更換后必須與刀柄一道重新進行動平衡。在高轉速條件下，較大離心力會削弱拉緊機構作用，從而影響銑刀軸向定位精度。本發明的組成包括刀柄(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構，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構。本發明用于分析在高轉速下銑刀的安全性。
文檔編號B23C5/26GK102120276SQ20101003245
公開日2011年7月13日 申請日期2010年1月11日 優先權日2010年1月11日
發明者姜彬, 鄭敏利 申請人:哈爾濱理工大學