專利名稱：自由切削階梯端銑刀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種階梯端銑刀。
背景技術(shù)：
隨著重大技術(shù)裝備向大型、大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展，大件及超大件加工技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。根據(jù)各國統(tǒng)計資料表明，在大件的切削加工中，平面銑削加工占切削加工工作量的60％以上，而且對高銑削效率和低加工成本等要求越來越高。為了解決重大技術(shù)裝備制造的共性問題，研制適合銑削鑄鋼件和鍛件毛坯的重型面銑刀是十分必要的。
在重型機械制造的銑削加工中，由于鑄、鍛件毛坯余量過大，有的大到200毫米，伴有夾砂、夾渣、澆口和冒口氣割后留下凹凸不平的冷硬層等缺陷，用現(xiàn)有的階梯端銑刀加工時，銑削力和銑削溫度高，對刀具的耐用度影響很大。同時，銑削力波動大，刀尖很容易破損。由于鑄、鍛件的毛坯質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低、加工周期長，加工成本高。
經(jīng)申請人多年研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的階梯端銑刀，各階刀齒的主偏角相等，不同階刀齒的刀尖所處的半徑和高度不同，其銑削圖形的階梯如樓梯狀，參見圖1。其各階刀齒的刀尖不僅都進行切削工作，而且還在已加工硬化的表面上啃刮和摩擦，加速了刀尖的磨損，嚴重地影響到端銑刀的使用壽命和銑削效率，所以使用壽命短，銑削效率低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有階梯端銑刀磨損快使用壽命短的不足，本發(fā)明提供一種銑削效率高、使用壽命長的階梯端銑刀。
本發(fā)明的出發(fā)點是保護切削工件表面的這組刀齒的刀尖和增大切削刃的工作長度。保護刀尖最好的辦法是只讓主切削刃參加切削。克服現(xiàn)有階梯端銑刀各階刀齒的刀尖在自己的已加工表面上切削和啃刮，并能自動分屑。則自由切削成為自階梯層剝強力端銑刀刀具技術(shù)的理論基礎(chǔ)。試驗研究表明，在同等切削條件下，刀具主偏角45°時的切削溫度是90°時的1/2左右；自由切削比非自由切削的切削溫度低60％～70％，切削力低30％以上，刀具耐用度高50％～60％。
本自由切削階梯端銑刀與普通階梯端銑刀的基本結(jié)構(gòu)相同，它包括刀體、刀桿，每個刀桿上安裝或焊接著一個刀齒，刀桿安裝在刀體上。本發(fā)明的技術(shù)方案是在普通端銑刀的刀盤上安裝兩個或兩個以上刀齒為一組的多組刀齒，每組中的各刀齒分別稱為第一階刀齒、第二階刀齒、……，每組中各刀齒的主偏角Kr不同，其中第一階刀齒的主偏角最小，末階刀齒的主偏角最大。Kr1＜Kr2＜Kr3＜Kr4＜Kr5……，其中第一階刀齒的主偏角Kr1由設(shè)計者選定，例如45°、50°。銑削時只有末階刀齒的刀尖與切削刃同時工作，其它階刀齒只有一條直線主切削刃切削，刀尖不參與切削。因而只有末階刀齒的刀尖受力、磨損，其它階的刀齒的刀尖不受力也不磨損。當(dāng)采用可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)時，末階刀齒的刀尖磨損后，可把末階刀齒的刀片換到第一階或第二階、第三階等刀齒的刀槽中，把第一階刀齒或第二階刀齒的刀片換到末階刀齒的刀槽中繼續(xù)使用，從而明顯提高切削刃的利用率，增加了各刀齒的使用壽命。
本發(fā)明的階梯端銑刀不同階刀齒的安裝刀尖位置分等高直徑不相等及直徑相等高度不相等兩大類型。它們的銑削圖形參見圖2。
根據(jù)刀齒的安裝不同，分兩種情況討論。
A刀尖處于端銑刀相同的直徑上，刀尖相對刀盤端面的高度不相等。當(dāng)確定了第一階刀齒的主偏角Kr1、背吃刀量即銑削深度αp、背吃刀量的等分值N、每組進給量αfz之后，其中αfz等于每齒進給量αf與每組內(nèi)刀齒數(shù)m的乘積，第二、第三、……第m階刀齒的主偏角可分別由以下各式確定tgκr2=apNapNctgκr1-afz---(1)]]>tgκr3=apNapNctgκr2-afz---(2)]]>tgκr4=apNapNctgκr3-afz---(3)]]>tgκr5=apNapNctgκr4-afz---(4)]]>
通式為tgκrm=apNapNctgκu-afz---(5)]]>m＝2、3、4、……u＝m-1為便于計算，上述(1)至(5)式分別用角度表示為κr2=arctgapNapNctgκr1-afz---(1′)]]>κr3=arctgapNapNctgκr2-afz---(2′)]]>κr4=arctgapNapNctgκr3-afz---(3′)]]>κr5=arctgapNapNctgκr4-afz---(4′)]]>通式為krm=arctgapNapNctgκru-afz---(5′)]]>m＝2、3、4、……u＝m-1式(1`)、(2`)、(3`)、(4`)、(5`)中，對于每個m值krm只取第一項。
在設(shè)計本階梯端銑刀時先確定第一階刀齒刀尖相對刀盤端面的高度為H1例如，例如H1＝20毫米，相臨各階刀齒刀尖之間的高度差分別安下列各式計算H1-2=[apNctgκr2+afz(1-tgκr2)]tgκr1---(6)]]>H2-3=[apNctgκr3+afz(1-tgκr3)]tgκr2---(7)]]>H3-4=[apNctgκr4+afz(1-tgκr4)]tgκr3---(8)]]>H4-5=[apNctgκr5+afz(1-tgκr5)]tgκr4---(9)]]>通式為 Hm-n＝Hn-Hm(11)m＝1、2、3、4、……， n＝m+1上述式中αp為背吃刀量N為背吃刀量即銑削余量的等分數(shù)N＝2m 或N＝2m+1。
除末階刀齒即每組刀齒的最后一個刀齒外其余刀齒實現(xiàn)了自由切削，即只有一條主切削刃參加切削，刀尖和副切削刃不參加切削。
仍以兩階梯為例，參見圖8，圖中第一階梯刀齒的刀尖由A1移到了C點。為了保護刀尖，C點不應(yīng)在臺階處。同時，為了便于測量和調(diào)整，把第一階刀齒的刀尖置于第二階刀齒刀尖同一直徑的D點。圖8和圖5形成的銑削圖形和階梯互相交替的位置雖沒有發(fā)生變化，但第一階刀齒徹底實現(xiàn)了自由切削。
B 刀尖等高而刀尖處于端銑刀的不同半徑上第一階刀齒的主偏角Kr1仍由設(shè)計者選定，二、三、四、……m階主偏角仍由代數(shù)式(1)至(4)……確定。設(shè)各階刀齒刀尖的半徑分別為R01、R02、R03、R04、R05、……Rm，而且R01＜R02＜R03＜R04＜R05、……＜R0(m-1)＜Rm，而2R01按標準直徑系列選取，例如d0＝2R01，＝100、125、160、200、……2000，公比為1.25。相鄰兩階刀齒之間的半徑差ΔR(例如R03-R02)均為每組刀齒的進給量αfz。αfz等于組內(nèi)各刀齒每齒進給量αf之和。
2R0m+1＝2R0m+2αfzm＝1、2、3、……(12)為了便于理解，首先用不同主偏角端銑刀的銑削圖形說明準自由切削和特殊切削層的形成。圖3、圖4分別是第二階刀齒的主偏角等于和小于90°時的銑削圖形。第一階刀齒的主偏角分別為tgκr1a=apafz---(13)]]>tgκr1b=ACAD=apafz+AB=apafz+apctgκr2b---(14)]]>述式中 αp—背吃刀量(mm)；αfz—每組進給量圖3與圖4中標“+”號的部分為第一階刀齒銑削的金屬層，標“剖面斜線”的為第二階刀齒銑削的金屬層。圖3、圖4所示的銑削圖形雖然達到了“輪切式”以加大進給量和減小第一階刀齒刀尖負荷的目的，但背吃刀量大時圖5更合理。從圖5中看出，第一階刀齒提前切除了第二階刀齒應(yīng)切的部分材料(如圖中的△GEF)，緊接著第二階刀齒又提前切除了第一階刀齒應(yīng)切的部分金屬(如圖中的△DGE)。第一階刀齒銑削金屬材料的面積與第二刀齒銑削金屬材料的面積相等，而且形成了階梯銑削。其階梯的位置是交替的，這與普通階梯端銑刀形成不變的階梯是有本質(zhì)區(qū)別的。由圖5和切削刃的工作位置圖6、圖7可知，這種端銑刀第一階刀齒刀尖的工作量很小，其附近的切削刃沒有參加切削，所以這階刀齒切削時十分接近自由切削。圖5中，N＝3，兩階刀齒的銑削面積相等，我們稱這種切削圖形為最佳切削圖形。圖9中，N＝4，第一階刀齒的銑削面積較小，使切削負荷減小，有利于切削有硬皮或表層有缺欠的工件。不難看出，工件表面惡劣時，N取偶數(shù)為佳；工件表面硬度較低時N取奇數(shù)為佳。圖10是三階梯自階梯層剝強力端銑刀N＝5時的銑削圖形。第一階刀齒和第二階刀齒切削寬度較大，刀尖也切不到已加工表面，即使刀尖等高時切到已加工表面負荷也不大，所以這種切削圖形可看成是最佳的。設(shè)計四階以上的自階梯端銑刀時，其原理和上述相同。
使用時，應(yīng)注意下述四點1最佳銑削圖形設(shè)計時、應(yīng)合理選取背吃刀量等份值N。方法是N＝2m或N＝m-1，其中m為刀齒的階數(shù)，工件表面質(zhì)量較差時，取N＝2m，工件表面質(zhì)量較好時，取N＝2m-1。
2本階梯端銑刀的刀盤上所有刀槽深在徑向均一致，便于刀盤的制造和刀齒的安裝。
3本階梯端銑刀的刀齒分為焊接式、可轉(zhuǎn)位式結(jié)構(gòu)。
4不同主偏角的可轉(zhuǎn)位刀片，因其刀刃工作位置不同，當(dāng)銑削一段時間之后，可換到其它主偏角的刀桿上繼續(xù)切削。
本發(fā)明的端銑刀不僅適用于重型機械、礦山機械、國防、造船、機車車輛等制造廠大型鑄、鍛件的平面銑削加工，而且也適用于其他普通機械制造廠例如機床底座等和較小余量工件(如紡織機龍墻板)的平面銑削加工。
本發(fā)明的優(yōu)點是(1)刀具耐用度高由于本端銑刀不僅保護了刀尖和刀尖附近的切削刃，而且改善了刀齒的受力位置和散熱條件，提高了整個刀齒抗沖擊的能力和刀具壽命；(2)刀片利用率高當(dāng)采用可轉(zhuǎn)位或積木式結(jié)構(gòu)時，不同階刀齒的刀片或刀塊可以互換，從而便于充分利用整條切削刃，使其比普通階梯端銑刀又能節(jié)省刀具材料費，有的達1/3以上；(3)生產(chǎn)率高銑削效率是普通階梯端銑刀銑削效率的二倍左右；(4)銑削力低銑削力比普通階梯端銑刀低30％以上，通過節(jié)能也能提高經(jīng)濟效益；(5)制造成本低在刀具系統(tǒng)中，螺釘、刀墊、刀片等屬于標準件。自階梯端銑刀的刀盤比普通階梯端銑刀的刀盤加工工藝簡單得多，制造費可降低1/4。另外，刀盤通用性好，少裝幾個主偏角相同的刀齒就成為普通端銑刀或普通強力端銑刀，裝滿主偏角相同的刀齒就成為密齒端銑刀，這也是降低刀具成本的重要條件。對于直徑達的刀體如直徑大于2米的刀體，可安裝12組或12組以上的刀齒。在實際使用中由于制造、調(diào)整或刃磨不當(dāng)，即使出現(xiàn)刀尖高度不相等或直徑不相等的情況，或者調(diào)整好的刀齒在銑削加工時，由于背吃刀量ap、每組進給量afz稍有變化，雖然銑削效果不是最佳，但仍能實現(xiàn)自由切削、層剝和自動分屑的作用。


圖1是普通階梯端銑刀銑削后工件的剖面圖。
圖2是本發(fā)明的自由切削階梯端銑刀銑削后工件的剖面圖。
圖3是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀第二階刀齒主偏角等于90°的銑削圖形。
圖4是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀第二階刀齒主偏角小于90°的銑削圖形。
圖5是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀在刀尖相對被加工面高度相等，相對于端銑刀軸線的直徑不相等時的銑削圖形。
圖6是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀第一階刀齒切削刃的工作位置圖。
圖7是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀第二階刀齒切削刃的工作位置圖。
圖8是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀在刀尖相對已加工面高度不相等，相對于端銑刀軸線的直徑相等時的銑削圖形。
圖9是本發(fā)明的兩階梯自由切削階梯端銑刀N為偶數(shù)時的銑削圖形。
圖10是本發(fā)明的三階梯自由切削階梯端銑刀的銑削圖形。
圖11是本發(fā)明的實施例一的仰視圖。
圖12是刀桿在刀體的安裝圖，圖中右半部局部剖開。
圖13是與圖11相對應(yīng)的俯視圖。
圖14是與圖12相對應(yīng)的局部右視圖。
圖15是本發(fā)明實施例一的第一階刀齒與第二階刀齒的主偏角與相對高度關(guān)系示意圖。
圖16是本發(fā)明實施例二的仰視圖。
圖17是本發(fā)明實施例二的第一階刀齒、第二階刀齒和第三階刀齒的銑刀半徑及主偏角關(guān)系示意圖。
圖18是密齒端銑刀的安裝圖。
上述圖中1、刀體 2、工藝孔 3、安裝孔 4、第一階刀齒5、第二階刀齒6、第一階刀齒 7、第二階刀齒 8、軸向定位環(huán)9、圓柱銷孔 10、圓柱銷11、緊定螺釘12、螺旋壓縮彈簧13、楔形刀桿14、硬質(zhì)合金刀片 15、刀片安裝槽 16、壓塊17、緊固螺釘18、緊固螺釘 19、端面鍵槽20、楔塊21、雙頭螺柱22、第一階刀齒23、第二階刀齒 24、第三階刀齒25、第一階刀齒 26、第二階刀齒27、第三階刀齒28、工件的已加工平面 29、端銑刀軸線 30、內(nèi)六角圓錐頭螺釘31、圓錐頭32、內(nèi)圓錐面 33、內(nèi)圓錐面αp為背吃刀量N為銑削余量等分數(shù)R01、R02、R03分別為第一階刀齒、第二階刀齒、第三階刀齒刀尖相對端銑刀軸線的距離即銑刀半徑αf各刀齒每齒進給量αfz每組刀齒的進給量Kr1、Kr2、Kr3分別為第一階刀齒、第二階刀齒、第三階刀齒的主偏角H1、H2、H3分別為第一階刀齒、第二階刀齒、第三階刀齒的刀尖距刀體底平面的距離H1-2第一階刀齒與第二階刀齒之間的高度差
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及其附圖對本發(fā)明的自由切削階梯端銑刀及其調(diào)整方法進行詳細的說明，但本發(fā)明的自由切削階梯端銑刀及其調(diào)整方法不局限于下述的實施例。
圖11、圖13給出的自由切削階梯端銑刀具有圓盤形的刀體1，八個刀齒經(jīng)楔形刀桿安裝在刀體1上。楔形刀桿13的大面壓刀體1的刀桿槽底，楔塊20從刀柱上斜面卡緊楔形刀桿13，雙頭螺柱21旋入刀體1的一端螺紋為右旋，另一端和楔塊20的螺孔為左旋。當(dāng)雙頭螺柱21旋入刀體1的同時楔塊20就卡緊了楔形刀桿13，反之就松開刀桿13。軸向定位環(huán)8用緊固螺釘18緊固在刀體1上。本實施例的楔形刀桿13的下端有刀片安裝槽15，硬質(zhì)合金刀片14安裝在刀片安裝槽15內(nèi)，硬質(zhì)合金刀片14用緊固螺釘17由壓塊16壓住，參見圖12、圖14。本實施例是兩階梯自由切削階梯端銑刀，每兩個刀齒為一組，共有四組，如圖11中的第一階刀齒4與第二階刀齒5為一組，第一階刀齒6與第二階刀齒7為一組。本實施例的各刀齒刀尖距端銑刀軸線的距離相等，即銑刀直徑2R01＝2R02＝200毫米，分別選取切削余量等分數(shù)N＝3，背吃刀量αp＝6毫米，每組刀齒的進給量αfz＝0.6毫米，第一階刀齒4的主偏角Kr1＝45°，刀尖的高度不相等，第二階刀齒5的刀尖比第一階刀齒4的刀尖低，參見圖15。代入本申請文件給出的公式(1)可求得第二階刀齒5的主偏角Kr2＝55°。將已定的參數(shù)和求得的主偏角Kr2＝55°，代入式(6)可求得第二階刀齒5的刀尖與第一階刀齒4的刀尖高度差H1-2＝1.143，取近似值1.14。取第一階刀齒4的刀尖距刀體1的底面的距離為40.00毫米，第二階刀齒5的刀尖距刀體1的底面的距離為41.14毫米。
本發(fā)明的自由切削階梯端銑刀實施例二見圖16，本實施例是三階梯自由切削階梯端銑刀，每三個刀齒為一組，四組共有十二個刀齒，十二個刀齒的刀尖高度相等，如第一階刀齒、第二階刀齒、第三階刀齒的刀尖距刀體底平面的距離H1＝H2＝H3＝40毫米，即都在同一平面內(nèi)。刀齒在刀體1的安裝與實施例一相同。例如圖中第一階梯22、第二階刀齒23及第三階刀齒24為一組，第一階刀齒25、第二階刀齒26及第三階刀齒27為另一組。每組的三個刀齒的刀尖的銑刀直徑不相等，R01＜R02＜R03。參見圖17，分別選取切削余量等分數(shù)N＝6，背吃刀量αp＝10毫米，每組刀齒的進給量αfz＝0.5毫米，第一階刀齒22的主偏角Kr1＝50°。將上述參數(shù)代入式(1`)求得第二階刀齒23的主偏角Kr2＝61.67°，取整數(shù)Kr2＝62°，代入式(2`)求得第三階刀齒24的主偏角Kr3＝76.55°，取整數(shù)Kr3＝77°。取第一階刀齒22的刀尖的銑刀直徑2R01＝1600毫米，則第二階刀齒23的刀尖的銑刀直徑及第三階刀齒24的刀尖的銑刀直徑分別為2R02＝2R01+2αfz＝1600毫米+2×0.5毫米＝1601毫米，R03＝1602毫米。
上述兩個實施例的刀齒是安裝在刀桿上，也可把硬質(zhì)合金刀齒焊接在刀桿上。
為了便于說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，上述實施例僅以二階梯自由切削階梯端銑刀與三階梯自由切削階梯端銑刀為例。對二階梯以上的多階梯自由切削階梯端銑刀，初始結(jié)構(gòu)參數(shù)第一階刀齒的主偏角Kr1、第一階刀齒刀尖的銑刀直徑2R01、第一階刀齒刀尖高度如距刀體底面距離H1確定之后，其它的結(jié)構(gòu)參數(shù)R02、R03、R04……，Kr2、Kr3、Kr4……，H2、H3、H4……均可根據(jù)本發(fā)明給出的公式(1)至(12)確定。
密齒端銑刀用小直徑的圓體楔塊，也可以把內(nèi)六角圓柱頭螺釘把圓柱頭磨成圓錐形，成內(nèi)六角圓錐頭螺釘30，代替楔塊卡緊刀桿。在刀體1和楔形刀桿13均有與圓錐頭31與配的內(nèi)圓弧面32與內(nèi)圓弧面33。轉(zhuǎn)動內(nèi)六角圓錐頭螺釘30，圓錐頭31把楔形刀桿13卡緊，見圖18。
本階梯端銑刀的刀桿還可用其它方式安裝在刀體。
權(quán)利要求
1.一種自由切削階梯端銑刀，它包括刀體、刀桿、刀齒，每個刀桿上安裝或焊接著一個刀齒，刀桿安裝在刀體上，其特征是刀體上安裝著一至十二組銑刀齒，每組最少有兩個刀齒，每組刀齒的最后一個刀齒形成末階，每組刀齒的第一階刀齒的主偏角Kr1都相等，其它階刀齒的主偏角Krm與主偏角Kr1不同，主偏角Krm隨著m的增大依次增大，其中第一階刀齒的主偏角Kr1由設(shè)計者選定，Krm為每組刀齒第m階刀齒的主偏角，m是最小為2的自然數(shù)；每組中各階刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離及刀尖相距刀體端面的相互位置為下述兩種關(guān)系中的任一種a所有刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離相等，每組刀齒第一階刀齒的刀尖都在與端銑刀軸線垂直的同一個平面內(nèi)，每組刀齒的第m個刀齒的刀尖距該平面的距離，在離開刀體的方向，隨著m的增大依次增大；b所有刀齒的刀尖都在與端銑刀軸線垂直的同一個平面內(nèi)，每組刀齒的第一階刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離R01都相等，每組刀齒的第m階刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離R0m，隨著m的增大依次增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由切削階梯端銑刀，其特征是所有刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離相等，每組刀齒第一階刀齒的刀尖都在與端銑刀軸線垂直的同一個平面內(nèi)，每組刀齒的第m個刀齒的刀尖距該平面的距離，在離開刀體的方向，隨著m的增大依次增大；每組刀齒各階刀齒的主偏角Krm、第m階刀齒的刀尖與第m+1階刀齒的刀尖之間的距離差Hn-m，n＝m+1分別由以下公式確定κrm=arctgap/Nap/Nctgκru-afz,m=2,3,4,······u=m-1]]>對于每個m，值krm均取第一項 Hm-n＝Hn-Hmm＝1、2、3、4、……，n＝m+1上述通式中ap為設(shè)計者確定的背吃刀量，N設(shè)計者確定的銑削余量等分數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由切削階梯端銑刀，其特征是每組刀齒的各階刀齒的刀尖都在與端銑刀軸線垂直的同一個平面內(nèi)，每組刀齒的第一階刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離R01都相等，每組刀齒的第m階刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離R0m隨著m的增大依次增大，每組刀齒各階刀齒的主偏角Krm、第m階刀齒的刀尖距端銑刀軸線的距離R0m分別由以下的代數(shù)式確定κrm=arctgap/Nap/Nctgκru-afz,m=2,3,4······u=m-1]]>對于每個m，值krm均取第一項R0m＝R01+(m-1)afz上述通式中ap為設(shè)計者確定的背吃刀量，N為設(shè)計者確定的銑削余量等分數(shù)，afz為設(shè)計者確定的每組刀齒的進給量。
全文摘要
一種自由切削階梯端銑刀，它包括刀體、刀桿、刀齒，其特征是安裝著一至十二組銑刀齒，每組最少有兩個刀齒，每組刀齒的第一階刀齒的主偏角K
文檔編號B23C5/02GK1613591SQ20041006451
公開日2005年5月11日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月22日
發(fā)明者常興, 武文革, 龐學(xué)慧, 馮裕強, 陳五一 申請人:華北工學(xué)院