毕业论文（设计）毕业论文（设计）淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计目 录摘 要.III1 高速铣削加工表面质量与效率分析 .11.1 高速铣削淬硬模具钢表面质量影响因素 .11.2 高速铣削淬硬模具钢加工精度影响因素分析 .11.2.1 从材料和刀具和刀具的匹配关系.11.2.2 走刀方式和刀具轨迹的影响.11.2.3 拐角处过切.11.3 高速铣削加工效率影响因素分析 .21.3.1 切削参数.21.3.2 刀具轨迹.21.4 高速铣削加工质量与加工效率冲突及解决方案 .22.1 模具铣刀的分类和使用条件 .32.1.1 立铣刀.42.1.2 圆锥铣刀.42.1.3 球头铣刀.52.2 设计目标和方法.52.4.1 齿数.82.4.2 螺旋角.92.4.3 几何参数.92.5 刀具连接结构 .11参考文献.13致谢.14摘 要本文研究了涉及高速铣削各方面的加工要素，如切削参数对表面粗糙度的影响，切削特征量的变化规律，用数学方程描述模具几何特征，并加以归类，论述了模具几何特征之间的关系，结合实例具体分析，为提高高速加工的编程效率打下了基础。关键词：高速铣削 淬硬钢 模具铣刀 几何特征1 高速铣削加工表面质量与效率分析1.1 高速铣削淬硬模具钢表面质量影响因素已加工表面质量，是指零件在加工后的表面层状态。主要包括表面粗糙度(表面几何学方面的参数)、表面层加工硬化程度和表面层残余应力的性质及其大小(表面物理性能方面的参数)等指标。已加工表面质量对零件的使用性能有很大的影响。如表面粗糙度会影响接触刚度、配合性质、耐磨性、抗腐蚀性及疲劳强度等。表面层残余拉应力容易使表面产生微裂纹，降低疲劳强度，使刚度差的零件发生变形而降低形状精度，但残余压应力则可阻止微裂纹的产生与扩展，提高零件的使用寿命。表面加工硬化层虽然会增加其耐磨性，但由于硬化不均匀，同时脆性也增加，降低零件抵抗冲击的能力，成为发生裂纹而促使表面破损和疲劳破坏的主要原因。因此，为了加工出所要求的表面质量，就有必要了解己加工表面层的形成及表面层质量的变化规律。1.2 高速铣削淬硬模具钢加工精度影响因素分析1.2.1 从材料和刀具和刀具的匹配关系如果材料的硬度和刀具的硬度较接近，切削参数选择的不合理，会加剧刀具的磨损，已有试验可以证明，刀具加剧磨损阶段，表面粗糙度会急剧恶化，会造成配合精度的下降。1.2.2 走刀方式和刀具轨迹的影响前面曾经提到数控加工一般采用顺铣方式，也是考虑到对加工精度的影响。在进退刀时，要采用合适的方法，降低对刀具的冲击，提高加工精度。在刀具轨迹方面，要根据加工对象几何特征划分不同区域，对不同的区域采用不同的刀具轨迹方法，控制残留高度值，尽量使其相等。1.2.3 拐角处过切（1）轮廓曲率半径小于刀具半径由于刀具半径大于曲面的曲率半径，对理论轮廓线进行刀具功能补偿时，必然导致部分轮廓线被加工，即产生过切；而不破坏理论轮廓线加工时，又有部分未加工，即产生欠切。而对于拐角两直线段相交，实际也是曲率半径无限小的圆弧相交，按理论轮廓加工时也必然出现过切现象。（2）刀具补偿过程中的过切在实际编程时，常常由于刀具补偿在建立或取消时程序轨迹方向不当引起过切；在半径补偿模式下，使用无坐标轴移动类指令，即两个或两个以上连续程序段内无指定补偿平面内的坐标移动，也会导致过切现象。前者是刀具补偿建立或取消引起的过切，后者是无移动类指令引起的过切。（3）机床加减速特性不能满足插补指令由于一般数控机床只有直线和圆弧插补功能，对于复杂曲线加工一般由若干段直线和圆弧插补逼近形成，在各段衔接时由于数控系统与伺服系统的不同步导致在加工中的停顿，在节点处由于铣削力减小，工艺系统的弹性变形减小而产生过切。在拐角加工时，某一加工路径沿着机床坐标轴时，会出现由于拐角处的转向而导致某一方向的坐标伺服系统减速到零，然后又加速到给定进给速度，而另一坐标方向由零直接加速到某一进给速度，这时可能由于机床坐标方向的加减速度不足和运动惯性导致过切。1.3 高速铣削加工效率影响因素分析1.3.1 切削参数材料的切除率：材料的切除率是指在特定瞬间、单位时间里被刀具切除的工zQ件材料体积。相当于切削层公称横截面积以值沿切削速度方向运动一个单位时间cv所包含的空间体积，它是反映切削效率高低的一个指标。其计算公式如下(11)favQpcz1000影响因素：切削速度、进给量、背吃刀量，加工效率与三者呈正比关系，因此使三者乘积最大，工序的切削加工时间最短。但是提高切削用量要受到工艺装备(机床、刀具)与技术要求(加工精度和表面质量)的限制。粗加工时，一般是先按照刀具使用寿命的限制确定切削用量，之后再验算系统刚度、机床与刀具的强度是否允许。精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。1.3.2 刀具轨迹高速铣削时由于切削速度高，金属切削率高，相应地要求提高数控系统的运算速度，选用合适的算法。可采用等残留高度轨迹规划方法，保证了两条刀具轨迹之间残留高度为定值，刀具轨迹行距疏密一致。 1.4 高速铣削加工质量与加工效率冲突及解决方案1.4.1 基本原则从式(11)看，增大三要素中任何一个似乎都可以提高生产率，但从刀具寿命与三要素关系式看，三者的影响程度是不同的，影响最大，次之，最小。cvfpa(12)/(/1/1/1p pnm cTafvCT 在刀具寿命已经确定的条件下，欲使三者乘积即金属切除率最大，无疑应favpc首先选择尽量大的背吃刀量，其次再选择尽量大的进给量，最后依据三要素与paf刀具寿命关系式计算确定切削速度。cv1.4.2 解决方法（1）粗加工切削用量的选择确定背吃刀量：背吃刀量根据工序余量来确定。除留给以后工序的余量papa外，其余的粗加工雨量尽可能依次切除，以使走刀次数最少。确定进给量：粗加工时，进给量受切削力的限制。在工艺系统强度和刚ff度允许的情况下选择较大的进给量。确定切削速度：在和选定后，再根据达到的合理寿命 T(min)，就可以cvpaf确定切削速度(单位：m/s)。cv（2)半精加工、精加工切削用量的选择确定背吃刀量：半精加工的余量较小，约在 12mm 左右，精加工余量更小，pa约在 0.050.80mm 之间。在半精加工、精加工时，应在一次进给中切除工序余量。确定进给量：半精加工和精加工的值较小，产生的切削力不大，故进给fpa量主要受到表面粗糙度的限制，一般选得较小。但也不能太小，否则切削层公称厚度太薄不易切下，对已加工表面质量反而不利。确定切削速度：半精加工、精加工的和较小，切削力对工艺系统的刚cvpaf度影响较小，消耗功率较少，故切削速度值受刀具寿命和已加工表面质量的限制。cv2 高效模具铣刀设计2.1 模具铣刀的分类和使用条件 模具铣刀包括圆柱铣刀、圆锥铣刀，其头型共分 3 类，即直角头、球头和圆弧头。图 1 为整体直角头圆柱铣刀结构示意图。图 1 整体圆柱直角头立铣刀结构2.1.1 立铣刀立铣刀主要用于模具二维型面的粗加工和半精加工。立铣刀又可分为带小倒角的直角头与完全直角头。完全直角头用于壁薄，易发生振动情况下与必须加工出清角情况使用。带小倒角直角头用于完全直角头易破90损时，若用它也发生破损，则需要再改用圆弧头立铣刀。直角头立铣刀主要用于加工槽（包括键槽） ，侧平面等。圆弧头立铣刀可以加工有转角 R 的侧面型模的等高线。零件转角部分是圆弧 R形时，圆弧头立铣刀比球头立铣刀刚性大，加工效率高。在高硬材料加工、高速大进给加工、深雕三维加工时，直角头立铣刀头会产生缺损，用圆弧头立铣刀代之，刀头抗缺损性能可大为提高。圆弧头立铣刀圆弧 R 的精度也不断提高高精度圆弧头立铣刀圆弧 R 达到0.01mm，外径达到 00.01mm 的高精度。2.1.2 圆锥铣刀主要精加工模具拔模面，如模具型腔和外轮廓，如图 2 所示。图 2 圆锥铣刀2.1.3 球头铣刀球头铣刀主要用于型腔精加工和复杂曲面精加工，斜面、成形等。球头立铣刀应用时注意事项为：（1）在高速加工机床上高速加工时，应使用夹紧力大、刚性好的铣削夹头。（2）确认工具的振摆：R 部最外径处应在 10以内、高速加工时应在 3以mm内。（3）加工时立铣刀应尽量缩短伸出量(只伸出需加工长度)。（4）小背吃刀量大进给量对工具寿命有利。（5）尽可能用等高线加工方法加工，不易损伤刀具。图 3 球头铣刀2.2 设计目标和方法以高速高效作为设计目标，加工表面质量、切削力、切削热、刀具寿命、常用的刀具轨迹作为约束条件，进行刀具材料、刀具结构、切削参数的优选。在现有条件下，高速铣削时机床主轴转速应在 10000r/min 以上，选择刀具时应考虑加工阶段不同而采用不同的刀具选择方法。粗加工时应首先较高的刀具寿命和金属切除率，加工效率要考虑刀具寿命的限制，应设法控制切削力。精加工时主要考虑高的表面质量控制表切削振动。针对图 4 所示的模具型腔设计精加工圆槽的球头铣刀和精加工有拔模斜度的三角形槽的圆锥铣刀。图 4 加工示例2.3 铣刀材料性能比较2.3.1 涂层硬质合金硬质合金是用粉末冶金工艺制成的。它用硬度和熔点都很高的金属碳化物(碳化钨 WC、碳化钛 TiC、碳化钽 TaC 和碳化铌 NbC 等)作硬质相，用金属钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉末，按一定比例混合，压制成型，在高温高压下烧结而成。在高速切削条件下，广泛使用的是有涂层的硬质合金铣刀。而 TiAlN 具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力