加工陣列微圓柱的銑刀設計

段治如 ， 閻兵 ， 劉清剛

（1.天津職業技術師范大學，天津300222；2.天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

0 引言

在紡織機械中，噴絲板是重要的零件，其上的噴絲孔最為精密，噴絲板微孔的圓柱度影響纖維的縱、橫向截面形狀，粗糙度影響了纖維的結構和性能。每塊噴絲板上的噴絲孔數量少則幾十個，多則成千上萬，如圖1、圖2所示。噴絲板微孔的常用加工方式是電火花加工，電極的加工精度決定微孔的精度。加工圖2所示的噴絲板電極如圖3所示，其上面有很多（陣列）微圓柱。對于這類含有陣列微圓柱的工件，現有的加工方式為圓周銑削，如圖4所示，不僅加工效率低，而且精度不易保證。本文提出一種新的加工方式，用于加工噴絲板電極的微圓柱，它以插銑工件特征的方式銑削微圓柱如圖5所示，不僅加工效率高，而且精度易保證。插銑是一種能夠在Z軸方向上快速去除大量金屬的加工方式，又稱Z軸銑削法［1］，為了實現這種加工方式，設計了專用的銑刀——雙翼插銑刀。

圖1 圓盤形噴絲板

圖2 長方形噴絲板

圖3 噴絲板電極

圖4 圓周銑

圖5 插銑

1 陣列圓柱的插銑工藝

圖3為長、寬、高為92 mm×62 mm×10.8 mm噴絲板電極，材料為鎢銅，其上有187個直徑為0.3 mm、高度為0.8 mm且間距為5 mm的微圓柱。其微圓柱的直徑誤差小于0.02 mm，表面粗糙度為Rz0.4。工件表面粗糙度值在0.8～1.6 μm時，需要粗插銑、精插銑；工件表面粗糙度值在0.2～0.8 μm時，需要粗插銑、半精插銑、精插銑。粗銑是為了獲得足夠大的動力，主軸轉速選擇較低，精銑是為了獲得高的精度，主軸轉速較高，具體切削參數如表1所示。

表1 圓周銑噴絲板電極的切削用量

表2 插銑噴絲板電極的切削用量

為滿足插銑加工工藝要求，機床要選擇剛性好、定位精度高、高扭矩的加工中心；為保證銑刀在高速條件下受力平衡，插銑刀要選擇具有偶數齒；冷卻方式為外冷卻。

插銑法（Plunge Milling）又稱為Z軸銑削法，在插銑加工過程中刀具沿刀軸方向做進給運動，利用底部切削刃進行鉆、銑組合切削［1-2］，如圖6所示。與側銑相比，插銑加工軸向切削力較大，徑向切削力較小，這恰好利用了刀具受力各向異性的特點，即刀具承受軸向力優于承受徑向力的特點。插銑加工切削力相對穩定，刀具振動?。?］，適用于加工材料的大余量去除以及刀具懸伸長度較大時的加工情況。由插銑工藝可知，插銑加工做的是軸向直線進給運動。

2 加工陣列微圓柱工藝適應性分析

2.1 加工陣列微圓柱效率分析

加工圖3現行的銑削方法為圓周銑削，采用直徑為4 mm的四刃高速鋼立銑刀，選擇表1的切削用量加工噴絲板電極，在UG的CAM模塊中，獲得圓周銑削電極的刀具路徑，如圖6所示，獲得加工電極工序所用的時間如圖7所示,加工噴絲板電極所用的總時間為1 295 s。而插銑噴絲板電極采用直徑為8 mm雙翼插銑刀，粗插銑中清除圓柱間殘料，圖8中陰影部分為銑刀銑削時的交集（圖8也是圖12插銑過程中的刀具軌跡），選擇表2的切削用量加工噴絲板電極，用UG的CAM模塊中得到圓周銑噴絲板電極刀具路徑如圖9所示，得到噴絲板電極工序所用的時間如圖10所示，插銑噴絲板電極所用的總時間為75s。因此，對比圓周銑和插銑噴絲板電極的加工時間，插銑效率更高。

圖7 圓周銑噴絲板電極的時間

圖8 插銑示意圖

圖9 插銑噴絲板電極刀具路徑

圖10 插銑噴絲板電極的時間

2.2 加工陣列微圓柱精度分析

對于一個零件上有陣列微圓柱的加工，我們通常的加工方法為圓周銑，如圖11所示，當微圓柱受到徑向力時，由于微圓柱剛度不夠發生傾斜，造成微圓柱的形狀誤差。然而，微圓柱的插銑的設計，解決了上述的弊端，正如圖12所示，在銑削的過程中，依靠插銑刀內部的一對對稱切削刃作用在微圓柱上，從而保證了微圓柱在銑削過程中的受力平衡，提高了加工精度。

圖11 圓周銑微圓柱

圖12 插銑微圓柱

2.3 加工陣列微圓柱雙翼插銑刀通用性分析

陣列微圓柱的零件，其上微圓柱的直徑大部分都在0.1～0.3 mm，圓柱與圓柱之間的間距大部分都在2～5 mm之間。雙翼插銑刀有1對端刃、1對外切削刃和1對內切削刃。微圓柱的形狀及精度是由1對內切削刃來保證，粗加工時，內切削刃之間的間距為1 mm，半精加工時內切削刃之間的間距為0.5 mm，精加工時，內切削刃之間的間距為0.1～0.3 mm。工件上微圓柱直徑的變化，插銑刀內部切削刃之間的間距也要變化，工件上微圓柱與微圓柱之間的間距較小時，插銑刀直徑受到限制，因此，刀具的通用性不好，但是通過以上的分析，雙翼插銑刀的加工微圓柱的效率高，精度好，它具有一定的經濟價值。

3 雙翼插銑刀結構設計

3.1 刀具材料的選擇

根據工件的材料選擇合理的刀具材料，由于噴絲板電極的材料為鎢銅，銑削鎢銅的刀具材料為高速鋼。高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼。常用的高速鋼牌號為W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W12Cr4V5Co5等，依據加工材料的性能選擇刀具為W6Mo5Cr4V2的高速鋼。

3.2 銑刀的切削刃形狀特征

切削刃是刀具的重要組成部分，形狀是否合理對刀具的耐用度和使用壽命、加工效率、工件的質量起著重要的作用。刀具切削刃的刃形對切削變形、切削的形狀有很大的影響，常見的刀具刃形有直線形、折線形、圓弧形、波紋形、螺旋形等［4］。雙翼插銑刀有3對切削刃、1對外圓周副切削刃、1對內圓周副切削刃和1對端面主切削刃，但是對工件的形狀及精度起決定性作用的是內圓周切削刃，為保持微圓柱在銑削的過程中受力平衡，內圓周切削刃的刃形為兩條平行且對稱的直線。

3.3 參數設計

3.3.1 銑刀端截面參數

一把合理的銑刀，既要保證銑刀能加工制造出來又要保證銑刀能加工出合格的產品，正確選取各部分的結構尺寸相當重要，圖13為加工圓柱面銑刀的主要端截面參數。

圖13 加工圓柱面銑刀的主要端截面參數

直線AB為前刀面的截型線，長度為l，與X軸正向夾角為V，q為線AB在X軸上的投影長度：

v1是一個角度變量，其值從直線PB與X軸的正向夾角到直線PC與X軸的正向夾角范圍之內變化v，ω2），直線 EF 為第一后刀面的截型線，長度為 l1，α1為第一后角，q1為直線EF在X軸上的投影長度：

直線DE為第二后刀面的截型線，長度為l2，α2為第二后角，q2為直線DE在X軸上的投影長度：

直線 PG 與 X 軸的正向夾角為 ω2，ω2∈（180，270），且

因此，我們可以得到曲線AF的5個參數方程，分別為：

3.3.2 銑刀側螺旋刃參數

平頭立銑削圓柱螺旋線方程為［5］

加工微圓柱面銑刀幾何主要參數：主后角α2=20°，前角 γ=10°，主偏角 κr=90°，螺旋角 ω1=30°，副偏角 φ1=2°，刃傾角λ=15°。內切削刃長1 mm，內切削刃間距0.3～0.4 mm，通過數學建模建立微圓柱銑刀如圖14所示。

圖14 微圓柱插銑刀

圖15 插銑力

4 插銑力

雙翼插銑刀有6個切削刃，2個主刃、2個外副刃和2個內副刃。各切削刃上所受的切向力Fx、徑向力Fy和軸向力Fz如圖15所示。因為徑向力Fy相互平衡，所以總軸向力為

將雙翼插銑刀的主刃簡化為二元直角切削模型（如圖16所示）。主刃上所受的作用力及大小分別如下：

圖16 二元直角切削模型

1）耕犁力F。F作用于D點處（D點為刀刃圓弧上的極點，由它將刀具分為前刀面和后刀面）。

式中：b為切削寬度，h為切削厚度，Φ為剪切角，ω為F與剪切面的夾角，τs為剪切變形應力。

2）前刀面上主要的切削分力FC和摩擦力F2，

由前刀面上的應力分布，可推出作用在前刀面上的摩擦力F2是平均摩擦應力和接觸面積的乘積［6］，即

根據切削得到的切屑的硬度和剪切變形應力有以下的關系［6］：

式中，Hv韋氏硬度值。

3）后刀面的吃刀抗力Ft和摩擦應力F1。

式中：lf為后刀面與加工表面的接觸長度，τf為接觸部位的平均應力。

大越和佐田用后角為0°的棱邊車刀做切削實驗，得知τc與τf大致相等?？墒呛蟮睹娴慕佑|狀態不像前刀面接觸那么嚴格，可認為τf?τc，而lf通常為lc的1/10以下，所以摩擦應力F1是非常小的，可以小到忽略不計。

在圖16中，作用在刀具上的水平合力Fxo和垂直合力Fzo分別為：

由圖的幾何關系可知前角γ與β、Φ、ω之間的關系如下：

若已知Φ和ω就可以求出切削力。用M.E.Merchant剪切角公式對本文所給出的前角γ=10°進行剪切角計算，獲得剪切角為34.5°。

整理已知參數：γ=10°，h=0.1 mm，b=3.6 mm，Φ=34.5°，Hv=205，w=45°。求切削力：

通過對雙翼插銑刀切削過程中的受力分析，徑向力Fy相互平衡，切向力Fx為10 N，受力最大的軸向力Fz為29.74 N。因此，刀具受到的切削力不大，被加工材料與刀具受熱變形小，從而提高了零件的加工精度和刀具的耐用度。

5 結語

通過UG中的CAM模塊計算圓周銑和插銑噴絲板電極的刀具路徑和切削時間，得出插銑比圓周銑的效率更高；由以上兩種銑削方式中的切削刃對工件作用力的方向可知，圓周銑時，工件受單一方向的作用力，而插銑時，工件受一對平衡力，形狀精度更易保證。建立刀具模型，并對銑削力進行分析與計算，為切削的變形和刀具的耐用度預測提供了依據。該銑刀在某紡織廠反復驗證，性能可靠，不僅解決了加工噴絲板電極的費時費力問題，同時提高了加工精度，滿足了企業要求，為以后設計加工陣列圓錐面的插銑刀提供了理論支持。

［1］ Altintas Y，Ko J H.Chatter stability of plunge milling［J］.Annals of the CIRP，2006，55（1）：361-364.

［2］ Ko J H，Altintas Y.Time domain model of plunge millingoperation［J］.Machine Tools and Manufacture，2007，47：1351-136.

［3］ Wakaoka S，Yamane Y，Sekiya K，et al.High-speed and highaccuracy plunge cutting for vertical walls［J］.Materials Processing Technology，2002，127（2）：246-250.

［4］ 高佑方.刀具的刃形結構和立銑刀的數學模型研究［J］.株洲工學學報，2001（15）：55-56.

［5］ 柳克辛.刀具設計的螺旋面理論［M］.彭祥曾，譯.北京：機械工業出版社，1984：20-95.

［6］ 中山一雄.金屬切削加工理論［M］.李云芳，譯.北京：機械工業出版社，1985：93-128.