CN108284351B - 确定铣刀的每齿切削厚度及优化铣刀的切削参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定铣刀的每齿切削厚度及优化铣刀的切削参数的方法，铣刀从工件上沿圆(弧)形的切削路径切除完整或部分圆环形的材料，包括以下步骤：分别以圆环形的内外径为直径绘制出同心的圆(弧)形的内、外廓线；绘制出铣刀主轴线沿切削路径走过的呈圆(弧)形的主轴线轨迹；绘制出与铣刀主轴线在每齿切削过程中沿主轴线轨迹转过的角度对应的夹角，上述三个步骤能以任意顺序依次或同时进行且内外廓线的圆心、主轴线轨迹的圆心和夹角的顶点重合；分别以夹角的两条边与主轴线轨迹的两个交点为圆心并以铣刀的最大切削直径为直径绘制出呈圆(弧)形的第一和第二曲线；测量由内外廓线及第一和第二曲线共同围成的图形的厚度作为铣刀的每齿切削厚度。

Description

确定铣刀的每齿切削厚度及优化铣刀的切削参数的方法

技术领域

本发明涉及机加工领域，具体为一种确定铣刀的每齿切削厚度的方法，所述铣刀从工件上沿圆形或圆弧形的切削路径切除总体上呈完整或部分圆环形的材料。本发明还涉及一种利用所确定的每齿切削厚度来优化所述铣刀的切削参数的方法。

背景技术

在对工件进行机加工的过程中，例如在加工中心上执行数控加工程序时，需要设定刀具的切削参数，例如刀具的转速和切削进给速度，并结合其它的已知条件(例如工件尺寸、刀具切削有效直径等)计算出刀具切削的线速度和刀具的每齿(即，每个切削刃)切削厚度，然后审核刀具的线速度和每齿切削厚度是否满足刀具安全工作条件，由此判断刀具的切削参数是否合理，若不合理则进行重新设定，以最终达到参数优化，从而确保刀具工作安全，提高加工效率，以及延长刀具寿命。

在上述过程中，刀具切削的线速度容易用数学公式计算出来，而对于镗孔、钻孔、铣平面等工序的每齿切削厚度也容易用数学公式计算出来。然而，对于铣内孔、铣外圆、铣倒角等工序，用数学公式计算每齿切削厚度是非常麻烦的，在编制数控加工程序时，编程工程师往往不愿计算，只是估计一个参数。但是，估计的每齿切削厚度往往与理想参数差别较大，这使得难以精确地审核和判断刀具的切削参数是否合理，并最终不利地影响刀具的工作性能和加工效率。

本发明旨在解决现有技术中存在的上述及其它问题。

发明内容

一方面，本发明提供了一种确定铣刀的每齿切削厚度的方法，所述铣刀从工件上沿圆形或圆弧形的切削路径切除总体上呈完整或部分圆环形的材料，所述方法包括以下步骤：(a)分别以所述圆环形的内径和外径为直径绘制出形状为同心的圆形或圆弧形的内廓线和外廓线；(b)绘制出所述铣刀的主轴线沿所述切削路径走过的呈圆形或圆弧形的主轴线轨迹；(c)绘制出与所述铣刀的主轴线在每齿切削过程中沿所述主轴线轨迹转过的角度A对应的夹角，其中，所述步骤(a)、(b)和(c)能够以任意顺序依次进行或同时进行，并且所述内廓线和外廓线的圆心、所述主轴线轨迹的圆心和所述夹角的顶点这三者重合；(d)分别以所述夹角的两条边与所述主轴线轨迹的两个交点为圆心并以所述铣刀参与切削的最大直径为直径绘制出呈圆形或圆弧形的第一曲线和第二曲线；以及(e)测量由所述内廓线、所述外廓线、所述第一曲线和所述第二曲线共同围成的图形的厚度作为所述铣刀的每齿切削厚度。

另一方面，本发明提供了一种优化铣刀的切削参数的方法，所述铣刀从工件上沿圆形或圆弧形的切削路径切除总体上呈完整或部分圆环形的材料，所述方法包括以下步骤：(i)给定所述铣刀沿所述切削路径的移动速度F和所述铣刀围绕其主轴线的转速n；(ii)利用如上所述的方法来确定所述铣刀的每齿切削厚度；(iii)基于在所述步骤(ii)中确定的每齿切削厚度来判定在所述步骤(i)中给定的所述移动速度F和所述转速n是否合适，其中，在所述步骤(iii)的判定结果为不合适的情况下在所述步骤(i)中给定新的所述移动速度F和/或新的所述转速n并重复执行所述步骤(ii)和(iii)，而在所述步骤(iii)的判定结果为合适的情况下将所述步骤(i)中给定的所述移动速度F和所述转速n设定为优化的切削参数。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的铣刀切削操作的侧视示意图。

图2示出了一种示例性的用于审核铣刀切削参数的图表。

图3和4是根据本发明实施例的确定铣刀的每齿切削厚度的方法的示意性说明图。

具体实施方式

下面参照附图具体描述本发明的实施例。在本发明所涉及的机加工中，铣刀可从工件上沿圆形的切削路径切除总体上呈圆环形的材料，这可包括利用锥铣刀(倒角刀)对工件上的内孔或外圆进行倒角，或者利用圆柱铣刀(棒铣刀/侧面铣刀)在工件上铣内孔或铣外圆。此外，本发明也可涵盖铣刀只从工件上沿圆弧形的切削路径切除材料的操作，即对工件上的内孔或外圆进行局部倒角，或者在工件上铣出内孔或外圆的一部分；在这种情况下切除的材料不是完整圆环形，而是部分圆环形(即圆环形在周向上的一段)。

本文中以利用刀具对工件中的内孔进行倒角的操作为例进行说明。如图1所示，在卧式加工中心上对工件GJ进行加工，此工件中有一个直径例如为500毫米(mm)的内孔(具有中心轴线ZZ)需要倒角，倒角大小例如是5毫米。

如果用镗刀来进行镗倒角的操作，由于镗刀的直径超过510毫米，直径太大，超过加工中心刀库的容纳能力，无法实现自动换刀，而且刀具成本太高，所以不能用镗刀。因此，可改用直径为16毫米的例如整体由硬质合金制成的锥铣刀ZXD来进行倒角，锥铣刀的齿数(即，切削刃的数量)z例如为4个。在倒角过程中，锥铣刀ZXD绕其主轴线ZZX旋转，并同时围绕内孔的中心轴线ZZ沿圆形或圆弧形的切削路径移动。在本实施例中，根据倒角的大小，锥铣刀ZXD参与切削的最大直径(有效直径)d为14毫米，锥铣刀ZXD的主轴线ZZX距离内孔的中心轴线ZZ的距离为248毫米，也就是说锥铣刀的切削路径(即，锥铣刀的主轴线ZZX的移动轨迹)是直径D为496毫米的圆或圆弧。作为切削参数，可例如先设定锥铣刀沿其切削路径的移动速度(即，锥铣刀的进给速度)F为440毫米/分钟，而锥铣刀围绕其主轴线ZZX的转速n为2100转/分钟。

然而，在利用上述参数编制数控程序进行倒角操作后，发现两个问题，即(1)铣倒角时间较长，效率低；以及(2)刀具不耐用。

为了解决上述问题，可对切削时间和所用切削参数分析如下：

一、计算铣倒角的时间T

T＝π*D/F，其中：π为圆周率，在这里可取3.14；D为锥铣刀的主轴线轨迹的直径；F为锥铣刀沿切削路径的移动速度。

因此，T＝3.14*496/440＝3.54(分钟)

由此可见，只铣一个倒角就用3.54分钟，时间的确比较长，需要进行改进。

二、计算锥铣刀的切削线速度v

v＝π*d*n，其中d为锥铣刀参与切削的最大直径(有效直径)，n为锥铣刀围绕其主轴线的转速。

因此，v＝3.14*14*2100＝92300(毫米/分钟)，即92.3米/分钟。

图2是示出了铣刀的每齿切削厚度(横轴)、铣刀的切削线速度(纵轴)和铣刀的安全工作区域之间的关系的示例性经验图表。参照图2中所示的经验值，容易看出上述计算出的切削线速度v的值偏低。

为了提高切削效率，现假定将切削线速度v提高到130米/分钟，并将锥铣刀的进给速度(即，沿切削路径的移动速度F)提高到1500毫米/分钟。在这种情况下，计算锥铣刀绕其主轴线的转速n如下：

n＝v/π/d＝130*1000/3.14/14＝2957≈3000(转/分钟)

三、审核每齿切削厚度

如前所述，在设定铣刀的切削参数并判断是否合理时，需要审核铣刀的切削线速度和每齿切削厚度，并例如根据图2所示的经验图表来判断是否能满足铣刀的安全性要求。然而，铣刀的每齿切削厚度难以用数学公式来计算，也是数控编程时往往忽略的地方，常常只是估计一个很不精确的值。发明人在研究和实践后总结出一种能够很方便地得出每齿切削厚度的近似值的方法，亦即根据本发明的确定铣刀的每齿切削厚度的方法。该方法的一个实施例包括参照图3说明的以下步骤(a)至(e)：

(a)以从工件上切除的圆环形材料(即，切除掉的倒角，横截面呈三角形)的内径和外径为直径绘制出形状为同心的圆形或圆弧形的内廓线S2和外廓线S1(在图3中均为圆弧形实线)。在本实施例中，内廓线S2的直径为500毫米(对应于工件中的内孔的直径)，外、内廓线S1、S2之间的距离为5毫米(对应于倒角的大小)，并且圆心在点O。

(b)绘制出锥铣刀的主轴线沿切削路径走过的呈圆形或圆弧形的主轴线轨迹S3(在图3中为圆弧形点划线)。该主轴线轨迹S3的直径D为496毫米，并且圆心也在点O。

(c)绘制出与锥铣刀的主轴线在每齿切削过程中沿所述主轴线轨迹S3转过的角度A对应的夹角。其中，该夹角的顶点也设定在点O，两条边分别为J1和J2(在图3中均为点划线)。其中，角度A可通过下式计算得出：

A＝(F*360)/(π*D*n*z)，其中F为铣刀沿切削路径的移动速度，D为主轴线轨迹S3的直径，n为铣刀围绕其主轴线的转速(用每单位时间的转数来表示)，z为铣刀的齿数。因此，对于如上所述的先前设定的切削参数来说，A＝440*360/3.14/496/2100/4＝0.012(度)。

也就是说，在图中绘制出0.012度的夹角。这里应注意，图3中示出的所述夹角只是示意性的，并未按照真实比例绘制，而是为了清楚起见放大了所述夹角，但在实际作图时必须严格按照真实比例绘制才能最终得出正确的结果。

应指出，上述步骤(a)、(b)和(c)能够以任意顺序依次进行或同时进行(其中这里的“同时进行”包括这三个步骤都同时进行的情况，也包括其中的任两个步骤同时进行而剩余的一个步骤在这两个步骤之前或之后进行的情况)，只要确保内廓线S2和外廓线S1的圆心、主轴线轨迹S3的圆心和所述夹角的顶点这三者重合即可。

(d)分别以所述夹角的两条边J1和J2与主轴线轨迹S3的两个交点为圆心并以铣刀参与切削的最大直径d(在本实施例中为14毫米)为直径绘制出呈圆形或圆弧形的第一曲线Y1和第二曲线Y2(在图3中均为圆形实线)。

(e)测量由内廓线S2、外廓线S1、第一曲线Y1和第二曲线Y2共同围成的图形(即图3中的阴影部分)的厚度作为铣刀的每齿切削厚度。这里，图3中的阴影部分就是每齿切削的材料屑的近似图形。

在上述各步骤中，所绘制出的内、外廓线、主轴线轨迹以及第一和第二曲线为圆形或圆弧形均可，只要所绘制出的主轴线轨迹能与所述夹角的两条边相交并且第一和第二曲线能与内、外廓线共同围出与材料屑的形状近似的图形即可。

经测量可得出图3中的阴影部分的最大厚度是0.05毫米，平均厚度就更小。从图2的经验图表可以看出，在切削线速度为92.3米/分钟(m/min)而每齿切削厚度小于0.05毫米(mm)的情况下，刀具不在正常磨损的安全工作区域内，这也印证了上面所述的对于先前设定的切削参数(刀具进给速度F为440毫米/分钟，刀具转速n为2100转/分钟)而言刀具不耐用的实际生产状况。

显然，在上述步骤(a)至(d)中进行的绘制可利用计算机绘图软件(例如常规的CAD软件)来实现，这能够保证绘图的精度、速度和灵活性等。然而，从理论上说，用手动绘图也是可以的，只要能按照真实比例进行绘制和测量即可。

根据本发明的上述方法可称为“作图法”，其关键是假设铣刀的一个切削刃切削完毕后，刀具再移动到下一个位置，并开始第二个切削刃的切削。这样得出的每齿切削厚度与真实厚度差别很小，不会影响指导生产。

图4示出的是在如上所述将切削线速度v提高到130米/分钟(铣刀的转速n相应提高到约3000转/分钟)并将锥铣刀的进给速度F提高到1500毫米/分钟后利用上述“作图法”来确定铣刀的每齿切削厚度的示意图，其中各标号的含义与上面参照图3所述的相同。在这种情况下，锥铣刀的主轴线在每齿切削过程中沿主轴线轨迹S3转过的角度A被计算为：

A＝(F*360)/(π*D*n*z)＝1500*360/3.14/496/3000/4＝0.029(度)。

通过测量图4所示的阴影部分可得到其最大厚度为0.12毫米，参照图2中的经验数据可知，这个切削厚度结合130米/分钟的切削线速度是比较合理的，能保证铣刀处于安全工作区域内。另外，切削下来的材料屑呈月牙形状，其平均厚度可以看作是0.06毫米，对刀具来说这个厚度也是能够承受的。视判断标准的高低而定，也可以将通过“作图法”测得的阴影部分(材料屑的近似形状)的平均厚度作为铣刀的每齿切削厚度。

在如上所述提高了铣刀的切削线速度v(转速n)和进给速度F之后，铣完整个倒角的时间为T＝π*D/F＝3.14*496/1500＝1.04(分钟)。与采用先前设定的切削参数的情况(n＝2100转/分钟，F＝440毫米/分钟)相比：(1)铣倒角的时间缩短了3.54-1.04＝2.5(分钟)，铣倒角的效率提升比例为2.5/3.54＝70.6％；(2)改进后的铣刀寿命是改进前的2倍左右：改进前铣一个内孔的倒角需要的切削次数是π*D/F*n*z＝3.14*496/440*2100*4＝29733(次)，改进后铣一个内孔的倒角需要的切削次数是3.14*496/1500*3000*4＝12460(次)，改进后与改进前的切削次数比为12460/29733＝41.9％，切削次数减少为原来的41.9％，所以刀具寿命明显提高。

上文中描述了对铣刀的切削参数(铣刀的进给速度F和转速n)重新设定一次之后即得到满意结果的情况。显然，如果在重新给定了切削参数并通过根据本发明的上述方法确定了每齿切削厚度后例如根据图2所示的经验图表发现所给定的切削参数仍不合适，则可重复进行以下步骤：(i)给定铣刀的切削参数；(ii)利用上述“作图法”确定铣刀的每齿切削厚度；和(iii)基于所确定的每齿切削厚度来判定所给定的切削参数是否合适，直至最终获得令人满意的经优化的切削参数。由此，利用根据本发明的确定铣刀的每齿切削厚度的方法实现了根据本发明的优化铣刀的切削参数的方法。

工业实用性

如上文所述，根据本发明的方法可用于在利用锥铣刀对工件上的内孔进行倒角的机加工操作中确定铣刀的每齿切削厚度。然而，本发明不限于此。显然，本发明也可用于在利用锥铣刀对工件上的外圆进行倒角的操作中确定铣刀的每齿切削厚度；在这种情况下，图3和4中绘制出的第一曲线(圆)Y1和第二曲线(圆)Y2应位于内廓线S2的径向外侧。另外，根据本发明的方法还可用于利用圆柱铣刀在工件上铣内孔或铣外圆的操作中确定每齿切削厚度，在这种情况下圆柱铣刀采用周铣方式切除工件上的材料，切下的材料总体上呈横截面为方形的圆环形，并且铣刀参与切削的最大直径即为圆柱铣刀本身的直径。

此外，在根据本发明的方法中，铣刀的切削路径为圆形或圆弧形，其中对于圆弧形切削路径来说，其应理解为涵盖这样的情况，即，由于任意曲线都可视为是由多个微小的近似圆弧构成的，所以根据本发明的方法也可用于在任意曲线形状的切削路径中的任一足够短的部段上确定铣刀的每齿切削厚度。

利用根据本发明的上述“作图法”能够方便和相对精确地得出在工件上铣倒角、铣内孔、铣外圆等工序的每齿切削厚度，为确定更合理的切削参数提供可靠的依据，并最终实现数控加工程序的优化，确保刀具工作安全，提高加工效率，以及延长刀具寿命。

对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对上文所公开的实施例作出各种修改和变型。根据本说明书所公开的对本发明的实践，本发明的其它实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。本说明书及其公开的示例应被认为只是例示性的，本发明的真正范围由所附权利要求及其等同物指定。

Claims (9)

1.一种确定铣刀的每齿切削厚度的方法，所述铣刀从工件上沿圆形或圆弧形的切削路径切除总体上呈完整或部分圆环形的材料，所述方法包括以下步骤：

(a)分别以所述圆环形的内径和外径为直径绘制出形状为同心的圆形或圆弧形的内廓线和外廓线，

(b)绘制出所述铣刀的主轴线沿所述切削路径走过的呈圆形或圆弧形的主轴线轨迹，

(c)绘制出与所述铣刀的主轴线在每齿切削过程中沿所述主轴线轨迹转过的角度对应的夹角，

其中，所述步骤(a)、(b)和(c)能够以任意顺序依次进行或同时进行，并且所述内廓线和外廓线的圆心、所述主轴线轨迹的圆心和所述夹角的顶点这三者重合，

(d)分别以所述夹角的两条边与所述主轴线轨迹的两个交点为圆心并以所述铣刀参与切削的最大直径为直径绘制出呈圆形或圆弧形的第一曲线和第二曲线，以及

(e)测量由所述内廓线、所述外廓线、所述第一曲线和所述第二曲线共同围成的图形的厚度作为所述铣刀的每齿切削厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铣刀从工件上切除材料的操作包括利用锥铣刀对工件上的内孔或外圆进行倒角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铣刀从工件上切除材料的操作包括利用圆柱铣刀在工件上铣内孔或铣外圆。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)中所述铣刀的主轴线在每齿切削过程中沿所述切削路径转过的角度A由所述铣刀沿所述切削路径的移动速度F、所述主轴线轨迹的直径D、所述铣刀围绕其主轴线的转速n和所述铣刀的齿数z通过下式计算得出：

A＝(F*360)/(π*D*n*z)，其中π为圆周率，A的单位为度，n用每单位时间的转数来表示。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)至(d)中进行的绘制利用计算机绘图软件或手动绘图来实现。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中测量所述图形的最大厚度或平均厚度作为所述铣刀的每齿切削厚度。

7.一种优化铣刀的切削参数的方法，所述铣刀从工件上沿圆形或圆弧形的切削路径切除总体上呈完整或部分圆环形的材料，所述方法包括以下步骤：

(i)给定所述铣刀沿所述切削路径的移动速度F和所述铣刀围绕其主轴线的转速n，

(ii)利用根据权利要求1至6中任一项所述的方法来确定所述铣刀的每齿切削厚度，

(iii)基于在所述步骤(ii)中确定的每齿切削厚度来判定在所述步骤(i)中给定的所述移动速度F和所述转速n是否合适，

其中，在所述步骤(iii)的判定结果为不合适的情况下在所述步骤(i)中给定新的所述移动速度F和/或新的所述转速n并重复执行所述步骤(ii)和(iii)，而在所述步骤(iii)的判定结果为合适的情况下将所述步骤(i)中给定的所述移动速度F和所述转速n设定为优化的切削参数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤(iii)中利用表示所述铣刀的每齿切削厚度、所述铣刀的切削线速度v和所述铣刀的安全工作区域之间的关系的经验图表来判定在所述步骤(i)中给定的所述移动速度F和所述转速n是否合适。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铣刀的切削线速度v由所述转速n和所述铣刀参与切削的最大直径d通过下式计算得出：

v＝π*d*n，其中π为圆周率，n用每单位时间的转数来表示。

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