高效阶梯端铣刀

1.本发明属于端铣刀领域，具体涉及一种高效阶梯端铣刀。


背景技术：

2.随着国防、重型机械、重化工、重电工、汽车、铁路、矿山机械、数控机床等制造业的不断发展，平面铣削加工的工作量越来越大，根据相关统计资料表明，在大型工件的切削加工中，铣削加工占切削加工工作量的60%以上。这就意味着迫切需要重型端铣刀解决平面铣削加工中效率低和工序成本高的问题。
3.由于大余量平面铣削加工过程中，存在工件表面质量差、加工余量大的问题。首先，普通端铣刀铣削效率低下，无法高效完成这些铣削工作。其次，普通阶梯端铣刀工作过程中全部刀齿的刀尖参与切削，为典型的非自由切削，这不仅会对刀具尤其是刀尖造成不利影响，降低刀具使用寿命；同时也会由于刀齿的磨损造成加工表面质量的降低。


技术实现要素：

4.为了克服现有阶梯端铣刀刀尖磨损快、使用寿命短的不足，本发明提供了一种铣削效率高、使用寿命长的刀齿阶梯分布端铣刀。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种高效阶梯端铣刀，该端铣刀的组成部分与普通端铣刀相同，通过改变刀齿的几何参数和分布位置，增大端铣刀的背吃刀量，从而达到提高加工效率的目的。该端铣刀包括刀体，刀体的圆周上设有n个相同的刀组，包括第一、第二、第三
……
第n刀组，每个刀组设有m个刀齿，包括第一阶、第二阶、第三阶
……
第m阶刀齿，每个刀组中的最后一个刀齿作为末阶，即第m阶刀齿为末阶，m和n为大于等于2的整数， m阶刀齿沿刀体周向逐级阶梯排列安装在刀座上，m个刀齿形成m个阶梯，n个刀组绕刀体周向依次布置，每个刀组之间首尾相连，刀体对刀座起支撑作用，并将所有的刀座联系起来，成为整体，刀体在外力的驱动下带动刀座及刀齿旋转，进行切削工作，m
×
n个刀齿的角速度相同，各个刀组同阶的刀齿刀尖至刀体端面的距离相等、至刀体轴线的距离也相等，各阶刀齿参与切削的部分不超过切削刃总长度2/3。
6.刀齿的阶数越高，刀尖高度h越大，即h1《h2《h3《
···
《hm，刀尖高度h为刀尖至刀体端面的距离；刀齿的阶数越高，刀尖半径r越小，r1》r2》r3》
···
》rm，刀尖半径r为刀尖至刀体轴线的距离；刀齿的阶数越高，刀齿的主偏角kr越大，即k
r1
《k
r2
《k
r3
《
···
《k
rm
。
7.本阶梯端铣刀在工作过程中，刀齿刀尖位置关系设置为h1《h2《h3《
···
《hm，r1》r2》r3》
···
》rm的目的是加大端铣刀总背吃刀量，从而提升铣削效率，刀齿主偏角设置为k
r1
《k
r2
《k
r3
《
···
《k
rm
的目的是为了保证刀齿参与切削的部分不超过切削刃总长度2/3，以满足端铣刀工作过程中的刀齿切削要求。
8.确定末阶刀齿的刀尖半径、刀尖高度及主偏角，第m-1阶刀齿的刀尖半径、刀尖高度及主偏角由以下代数式确定，其他阶刀齿与上一阶刀齿的关系与此一致：
ꢀꢀꢀ
（1）式中，为刀齿的刀刃长度。
9.除末阶刀齿以外的其他刀齿都实现自由切削，即除末阶刀齿的刀尖与工件接触参与切削工作外，其他阶刀齿的刀尖在铣削工作过程中不参与切削。
10.以三阶梯端铣刀为例，末阶刀齿的主偏角k
r3
、h3、r3由设计者自行设计，为已知量，对于第二阶刀齿在设计者自行确定任意两个参数后可通过以下代数式求得另外的一个参数。
11.（2）通过上述代数式确定第二阶刀齿的相关参数后，可继续通过下面的代数式自行确定两个参数，求得剩余的一个参数。
12.（3）已知末阶刀齿的三个参数、、，对上一阶刀齿的三个参数、、知二求一，设计者自行确定其中的两个参数，相应的取值范围如下：（4）（5）（6）式中，为刀齿的刀刃长度。
13.为了进一步提高端铣刀铣削效率，当端铣刀的每阶刀齿之间的参数关系都满足下式，（7）（8）（9）可达到端铣刀铣削效率最大的目的，此时的铣削效率理论上可以达到普通端铣刀的m倍。但这种设计对加工精度要求极高，且所有刀齿都是在进行非自由切削，刀齿主切削刃和刀尖同时参与切削工作，对刀齿寿命造成不利影响。
14.第m阶刀齿和第m-1阶刀齿的刀尖高度、刀尖半径的参数关系满足以下代数式，且其他阶刀齿与上一阶刀齿的关系也符合这一关系式：（10）（11）。
15.刀齿为机夹式可转位硬质合金涂层刀齿，加工不同的材料更换用不同的刀齿。
16.与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明提供的一种高效阶梯端铣刀，阶梯化设计有效提升端铣刀工作过程中的总切深，使其铣削加工效率得到明显提升；除末阶刀齿的刀尖与工件接触参与切削工作外，其他阶刀齿的刀尖在铣削工作过程中并不参与切削，使除末阶刀齿以外的其他刀齿都实现自
由切削，有效保护刀齿上最易损伤的刀尖部位，从而延长刀具使用寿命。
17.刀尖位置控制在的范围内有效保证除末阶刀齿以外其他阶刀齿实现自由切削的同时最大限度的提升铣削效率。
18.本发明的阶梯端铣刀，与普通端铣刀相比，铣削效率可以提升2-5倍，随着铣刀盘直径和齿数的增加可以增加阶梯数，达到更高效率；使用寿命较其他阶梯端铣刀可提升1.5倍以上。
附图说明
19.图1为实施例一端铣刀的刀齿距离端面轴线和端面平面位置关系图。
20.图2为实施例一端铣刀的刀齿工作状态图。
21.图3为实施例一端铣刀的刀座结构示意图。
22.图4为实施例一端铣刀的三维立体图。
23.图5为实施例一端铣刀的俯视图。
24.图6为实施例一端铣刀的仰视图。
25.图7为实施例一端铣刀的铣削效果图。
26.图8为实施例一端铣刀的刀齿高度关系图。
27.图9为实施例一端铣刀的刀齿刀尖半径关系图。
28.图中：1-刀座安装螺孔；2-刀齿安装槽；3-刀齿安装螺孔；4-工艺孔；5-刀体；6-端面键槽；7-第一阶刀齿；8-第二阶刀齿；9-第三阶刀齿；10-第一阶刀座；11-第二阶刀座；12-第三阶刀座；13-第一阶刀齿待加工表面；14-第二阶刀齿待加工表面；15-第三阶刀齿待加工表面；16-已加工表面。
具体实施方式
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.一种高效阶梯端铣刀，包括刀体，刀体的圆周上设有n个相同的刀组包括第一、第二、第三
……
第n刀组，每个刀组设有m个刀齿，包括第一阶、第二阶、第三阶
……
第m阶刀齿，每个刀组中的最后一个刀齿作为末阶，即第m阶刀齿为末阶，m和n为大于等于2的整数， m阶刀齿沿刀体周向逐级阶梯排列安装在刀座上，m个刀齿形成m个阶梯，n个刀组绕刀体周向依次布置，每个刀组之间首尾相连，m
×
n个刀齿的角速度相同，各个刀组同阶的刀齿刀尖至刀体端面的距离相等、至刀体轴线的距离也相等，各阶刀齿参与切削的部分不超过切削刃总长度2/3。刀齿的阶数越高，刀尖高度h越大，即h1《h2《h3《
···
《hm，刀尖高度h为刀尖至刀体端面的距离；刀齿的阶数越高，刀尖半径r越小，r1》r2》r3》
···
》rm，刀尖半径r为刀尖至刀体轴线的距离；刀齿的阶数越高，刀齿的主偏角kr越大，即k
r1
《k
r2
《k
r3
《
···
《k
rm
。
31.实施例一如图1-图9所示；现以刀体上设4个刀组，每组包括3个刀齿为例，即每组分为3个阶
梯，端铣刀共计12个刀座和刀齿，为三阶梯端铣刀，相同阶的刀齿刀尖等高等径，也就是说相同阶的刀齿刀尖至刀体端面的距离相等，至刀体轴线的距离也相等，但不同阶刀齿刀尖既不等高也不等径，即不同阶刀齿刀尖至刀体端面的距离不相等，至刀体轴线的距离也不相等。
32.根据国家标准相关规定，将第三阶刀齿的刀尖半径r3、刀尖高度h3及刀齿主偏角k
r3
分别设为80mm、45mm和75
°
，刀齿切削刃长度为12mm，可根据前面所述代数式（7）、（8）及（9）计算出第二阶和第一阶刀齿的相关参数如下：（9）计算出第二阶和第一阶刀齿的相关参数如下：mmmmmmmmmm此时，端铣刀铣削效率最高，但端铣刀制造精度要求极高、难度加大，且每阶刀齿的刀尖都参与工作，属于典型的非自由切削，会对刀齿寿命造成不利影响，依据上述（10）、（11）修正代数式进行参数修正：mmmm依据代数式（2）可求得主偏角同理可求得mmmm如图1、图8和图9所示，刀齿阶数越高，刀尖距离刀体端面距离越远、距离刀体轴线距离越小，且相应的主偏角越大，即h1《h2《h3、r1》r2》r3、k
r1
《k
r2
《k
r3
。参照图2，第一阶刀齿主切削刃长为gi，在铣削过程中参与切削的部分为gh，其中gh=2/3gi；第二阶刀齿的主切削刃长为df，端铣刀工作过程中，实际参与切削的部分为de，其中de=2/3df，刀刃的ef部分在切削过程中经过的是第一阶刀齿已经切削完的部分；同理，第三阶刀齿的主切削刃长为ac，在端铣刀工作过程中，实际参与切削的部分为ab，其中ab=2/3ac，刀齿刀刃的ab部分在切削过程中经过的是第二阶刀齿切削刃已经加工完成的部分。参照图3，端铣刀刀座结构如图所示，其中附图标记“1”为用于安装刀座的螺孔，刀座通过两个螺钉固定在刀体上，附图标记“2”为刀齿安装槽，附图标记“3”为用于刀齿安装的螺孔，刀齿通过螺钉固定在刀座上。
33.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。