一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀

1.本发明涉及铣削加工弱刚性薄壁件领域，特别是一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀。


背景技术：

2.叶轮、叶片是汽轮机、燃气轮机、航空发动中最为重要的核心部件，为满足其在高温、高压、高转速、高负荷等极端复杂环境下的高可靠性、长寿命等服役要求，对叶轮、叶片的精度和表面质量也提出了更高的要求。叶轮、叶片是薄壁结构件，加工过程中材料去除率高达90%以上，加工中弱刚性、动态特性变化大，在切削力和切削热的影响下极易发生变形和颤振问题，导致叶轮、叶片的加工及和精度和表面质量难以得到保证，严重影响发动机整体性能和工作寿命。铣削力是引起薄壁件变形、颤振并产生加工误差的主要原因，当前研究中避免颤振的常用方法有两种，一种是建立动力学模型进行稳定性分析，在刚度较弱、稳定性差的加工区域选用适当的加工参数降低切削力。另一种是对加工过程进行在线监测，当发现加工系统中出现颤振趋势时调整加工参数，降低切削力，从而避免颤振的发生。


技术实现要素：

3.针对现有叶轮、叶片等薄壁件加工中容易出现颤振而影响进度及表面质量的问题，本发明提供了一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀。
4.本发明的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，所属刀具包括相连接的前端锯齿形切削部、中部侧刃、后段夹持部。
5.所述的前端切削部呈球头结构，前端铣削部、中部侧刃的外表面均匀分布着数量相等且依次平滑连接的切削刃k及切削刃k。
6.前端锯齿形切削部切削刃呈右旋，前端锯齿形切削部切削刃k、及切削刃k延伸至中部侧刃、后段夹持部。
7.前端铣削部切削刃上分布着多条相互平行的底刃副切削刃，以及与底刃副切削刃数量相等且与底刃副切削刃垂直的侧刃副切削刃。
8.优选的，底刃副切削刃与刀具轴线夹角等于切削过程中刀具的前倾角。
9.优选的，侧刃副切削刃以及底刃副切削刃上设有前角、后角、刃带宽度，侧刃副切削刃的前角、后角、刃带宽度及底刃副切削刃的前角、后角、刃带宽度与切削刃k、及切削刃k的前角、后角、刃带宽度采用相同设置。
10.优选的，所述前端铣削部中底刃副切削刃与相邻的侧刃副切削刃相互垂直。
11.优选的，所述前端切削部外表面均匀分布着数条切削刃，中部侧刃外表面均匀分布着数量相等的切削刃，且与前端切削部切削刃平滑连接，延伸至后段夹持部且排屑槽深度逐渐减小至淡出；所述的中部侧刃呈圆柱形且为周铣刀结构。
12.优选的，前端锯齿形切削部球头部分直径、中部侧刃直径、后段夹持部直径采用相同设置。
13.优选的，前端切削部包括中心对称分布且沿刀具进给方向切削的两条切削刃。
14.所述的刀具加工过程中，通过数控程序保持刀具与待加工表面呈固定的前倾角，切削深度应小于刀具最低点与前端锯齿形切削部旋转中心的垂直距离。
15.本发明的有益效果：本发明的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，通过在前端切削部构建底刃副切削刃、侧刃副切削刃，通过数控程序控制刀具与待加工表面呈固定的前倾角，使加工过程中材料主要通过前端锯齿形切削部中的底刃副切削刃进行去除，有效地控制切削力的方向，增加工件刚度较大方向的切削力分量，减小切削过程中沿工件弱刚度方向的切削力分量，减小工件弱刚度方向由切削力引起的变形及由切削力引起的颤振，提高工件的精度及表面质量。同时通过锯齿形切削刃的分屑作用实现了多条切削刃同时切削，有效地减小了切屑的体积，降低了大尺寸切屑卷曲、变形过程中的切削力及切削热，减少刀具磨损提高刀具寿命。
附图说明
16.图1为本发明的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀结构图。
17.图2为本发明的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀整体结构图。
18.图3为本发明刀具的端面视图。
19.图4为前端锯齿形切削部的局部放大视图。
20.图5为图4中b处侧刃副切削刃的局部放大视图。
21.图6为图2所示本发明刀具的a-a断面图。
22.图7为图5中e处底刃副切削刃的局部放大视图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-7所示，一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，包括依次连接的前端锯齿形切削部1、中部侧刃2、后段夹持部3。
24.前端切削部1呈球头结构，前端铣削部1、中部侧刃2的外表面均匀分布着数量相等且依次平滑连接的切削刃k1及切削刃k2。
25.本实施方式的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀的前端锯齿形切削部1球头部分直径、中部侧刃2直径、后段夹持部3直径4采用相同设置，刀具切削刃k1、切削刃k2的螺旋角为5，切削刃k1及切削刃k2的夹角为6。
26.本实施方式中前端锯齿形切削部1切削刃呈右旋，前端锯齿形切削部1切削刃k1、及切削刃k2延伸至中部侧刃2、后段夹持部3。中部侧刃2呈圆柱形且为周铣刀结构，延伸至后段夹持部3的切削刃k1、及切削刃k2所形成的排屑槽深度逐渐减小至淡出。
27.侧刃副切削刃的前角12、后角13、刃带宽度11及底刃副切削刃的前角9、后角10、刃带宽度8与切削刃k1、及切削刃k2的前角、后角、刃带宽度采用相同设置。
28.本实施方式中前端铣削部1切削刃k1上分布着相互平行的底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14
……
底刃副切削刃d1n。切削刃k2上分布着相互平行的底刃副切削刃d21、底刃副切削刃d22、底刃副切削刃d23、底刃副切削刃d24
……
底刃副切削刃d2n。以及与底刃副切削刃d11相垂直的c11、与底刃副切削刃d12相垂直的c12、与底刃副切削刃d13相垂直的c13、与底刃副切削刃d14相垂直的c14
……
与底刃副
切削刃d1n相垂直的c1n。以及在k2切削刃上与底刃副切削刃d21、底刃副切削刃d22、底刃副切削刃d23、底刃副切削刃d24
……
底刃副切削刃d2n相垂直的对应的侧刃副切削刃。
29.底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14
……
底刃副切削刃d1n与刀具轴线夹角等于切削过程中刀具的前倾角7。
30.加工过程中，沿刀具轴线的剖面内底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14
……
底刃副切削刃d1n与待加工表面接触时底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14
……
底刃副切削刃d1n垂直于待加工表面，侧刃副切削刃c11、侧刃副切削刃c12、侧刃副切削刃c13、侧刃副切削刃c14
……
侧刃副切削刃c1n平行于待加工表面。
31.本实施方式加工时，刀具使用固定的前倾角进行加工，切削深度低于前端锯齿形切削部1的旋转中心。底刃副切削刃及侧刃副切削刃的数量可根据加工阶段及工件表面质量要求适当选取。前倾角较小时，加工过程刀具更加贴近已加工表面，刀具许用最大切削深度较大，更适于粗加工。前倾角较大时，刀具许用最大切削深度较小，更适于半精加工及精加工。
32.本实施方式加工时，通过数控程序控制刀具与待加工表面呈固定的前倾角，使前端切削部1构建的底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14
……
底刃副切削刃d1n与待加工表面接触时所形成的角度接近90
°
，侧刃副切削刃c11、侧刃副切削刃c12、侧刃副切削刃c13、侧刃副切削刃c14
……
侧刃副切削刃c1n平行于待加工表面，与待加工表面接触时所形成的角度接近0
°
，使待加工材料主要由底刃副切削刃进行去除，有效地控制切削力的方向，增加工件刚度较大方向的切削力分量。减少侧刃副切削刃去除材料体积，减小切削过程中沿工件弱刚度方向的切削力分量，减小工件弱刚度方向由切削力引起的变形及由切削力引起的颤振，提高工件的精度及表面质量。通过锯齿形切削刃代替传统球头铣刀整体切削刃，通过分屑作用改变切屑形状、减小切屑内部的相互作用降低了大尺寸切屑卷曲、变形过程中的切削力及切削热，减少刀具磨损提高刀具寿命。
33.具体实施例1：本实施方式前端锯齿形切削部1球头直径8mm，中部侧刃2直径8mm，长30mm，后段夹持部3在保证装夹的稳定并保证刀具夹持装置与工件不发生碰撞、干涉的条件下减小后段夹持部3长度，以缩短刀具、工件的运动距离。
34.前端切削部1包含切削刃k1、切削刃k2，切削刃k1、切削刃k2夹角为180
°
，切削刃k1、切削刃k2的前角为10
°
，后角为10
°
，刃带宽度为0.5mm。
35.刀具以60
°
前倾角进行加工，最大切削深度小于1.34mm，以球头部球心为圆心，刀具轴线与球头部角点为0
°
位置， 以切削刃k1上30
°
位置为起始向球心方向以垂直距离0.3mm为间隔布置平行于待加工表面的侧刃副切削刃平面，以侧刃副切削刃平面与切削刃k1、切削刃k2的交点为起点布置垂直于侧刃副切削刃平面的底刃副切削刃，形成了与刀具轴线呈60
°
的侧刃副切削刃c11、侧刃副切削刃c12、侧刃副切削刃c13、侧刃副切削刃c14、侧刃副切削刃c15、侧刃副切削刃c16、侧刃副切削刃c17、侧刃副切削刃c18、侧刃副切削刃c19以及与刀具轴线呈30
°
的底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14、底刃副切削刃d15、底刃副切削刃d16、底刃副切削刃d17、底刃副切削刃d18、底刃副切削刃d19。侧刃副切削刃的前角12为10
°
、后角13为10
°
、刃带宽度11为0.5mm，底刃副切削刃的前角9为10
°
、后角10为10
°
、刃带宽度8为0.5mm。
36.加工过程中通过数控程序控制刀具位姿使刀具与待加工表面的夹角始终保持60
°
。
37.具体实施例2：本实施方式前端锯齿形切削部1球头直径10mm，中部侧刃2直径10mm，长40mm，后段夹持部3在保证装夹的稳定并保证刀具夹持装置与工件不发生碰撞、干涉的条件下减小后段夹持部3长度，以缩短刀具、工件的运动距离。
38.前端切削部1包含切削刃k1、切削刃k2，切削刃k1、切削刃k2夹角为180
°
，切削刃k1、切削刃k2的前角为7
°
，后角为7
°
，刃带宽度为0.5mm。
39.刀具以30
°
前倾角进行加工，最大切削深度小于2.5mm，以球头部球心为圆心，刀具轴线与球头部角点为0
°
位置， 以切削刃k1上60
°
位置为起始向球心方向以垂直距离0.4mm为间隔布置平行于待加工表面的侧刃副切削刃平面，以侧刃副切削刃平面与切削刃k1、切削刃k2的交点为起点布置垂直于侧刃副切削刃平面的底刃副切削刃，形成了与刀具轴线呈30
°
的侧刃副切削刃c11、侧刃副切削刃c12、侧刃副切削刃c13、侧刃副切削刃c14、侧刃副切削刃c15、侧刃副切削刃c16、侧刃副切削刃c17、侧刃副切削刃c18以及与刀具轴线呈60
°
的底刃副切削刃d11、底刃副切削刃d12、底刃副切削刃d13、底刃副切削刃d14、底刃副切削刃d15、底刃副切削刃d16、底刃副切削刃d17、底刃副切削刃d18。侧刃副切削刃的前角12为7
°
、后角13为7
°
、刃带宽度11为0.5mm，底刃副切削刃的前角9为7
°
、后角10为7
°
、刃带宽度8为0.5mm。
40.加工过程中通过数控程序控制刀具位姿使刀具与待加工表面的夹角始终保持30
°
。
41.本实施方式刀具基体材料采用yg8型钨钴类硬质合金，其co含量为8%，适于铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的加工，此种材料具有硬度高、热硬性好、不易变形、不易破损等特点，具有较好的韧性和耐磨性。
42.上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，包括前端锯齿形切削部（1）、中部侧刃（2）、后段夹持部（3）；所述的前端切削部（1）呈球头结构，前端铣削部（1）、中部侧刃（2）的外表面均匀分布着数量相等且依次平滑连接的切削刃k1及切削刃k2；前端锯齿形切削部1切削刃呈右旋，前端锯齿形切削部1切削刃k1、及切削刃k2延伸至中部侧刃（2）、后段夹持部（3）；球头铣刀的前端铣削部（1）切削刃上分布着多条相互平行的底刃副切削刃，以及与底刃副切削刃数量相等且与底刃副切削刃垂直的侧刃副切削刃。2.根据权利要求1所述的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，底刃副切削刃与刀具轴线夹角等于切削过程中刀具的前倾角。3.根据权利要求1所述的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，侧刃副切削刃以及底刃副切削刃上设有前角、后角、刃带宽度，侧刃副切削刃的前角、后角、刃带宽度及底刃副切削刃的前角、后角、刃带宽度与切削刃k1、及切削刃k2的前角、后角、刃带宽度采用相同设置。4.根据权利要求1所述的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，所述前端铣削部（1）中底刃副切削刃与相邻的侧刃副切削刃相互垂直。5.根据权利要求1所述的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，所述前端切削部（1）外表面均匀分布着数条切削刃，中部侧刃（2）外表面均匀分布着数量相等的切削刃，且与前端切削部（1）切削刃平滑连接，延伸至后段夹持部（3）且排屑槽深度逐渐减小至淡出，所述的中部侧刃（2）呈圆柱形且为周铣刀结构。6.根据权利要求1所述的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，加工时，前端锯齿形切削部（1）球头部分直径、中部侧刃（2）直径、后段夹持部（3）直径（4）采用相同设置。7.根据权利要求1所述的一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，其特征在于，前端切削部包括中心对称分布且沿刀具进给方向切削的两条切削刃。

技术总结
本发明公开了一种抑制叶片加工颤振的球头铣刀，包括相连接的前端锯齿形切削部、中部侧刃、后段夹持部；所述的前端切削部呈球头结构，前端铣削部、中部侧刃的外表面均匀分布着数量相等且依次平滑连接的切削刃；前端铣削部切削刃上分布着多条相互平行的底刃副切削刃，以及与底刃副切削刃数量相等且与底刃副切削刃垂直的侧刃副切削刃，底刃副切削刃与刀具轴线夹角等于切削过程中刀具的前倾角。本发明涉及铣削加工弱刚性薄壁件技术领域，本发明的有益效果是，可在叶片等薄壁件加工中降低刀具产生的径向切削力，有效抑制因工件刚度不足而产生的颤振。生的颤振。生的颤振。


技术研发人员：郝兆朋 孔令昊 范依航 林洁琼 高嵩
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：2023.08.25
技术公布日：2023/9/20