本发明属于机械加工领域，具体涉及一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀及设计方法。
背景技术
随着航空航天技术的飞速发展，具有良好性能的新型材料被广泛应用于飞机的零部件中，这些新型材料满足了飞机所需求的高精度、高可靠性、轻质等性能要求。如广泛用于航空工业中的钛合金，其密度约为4500kg/m,其密度小，强度却大，且耐高温、耐腐蚀。然而钛合金硬度大，导致加工过程中刀具会受较大的切削力影响而产生变形，影响加工精度，属于典型的难加工材料。
传统的加工钛合金的加工方式为钻削，钻孔加工属于半封闭式加工，导致切削产生的热量不能及时排出，降低钻头的切削性能，加快刀具的磨损。且在钻孔时，切屑不能及时排出，会导致已加工表面划伤，影响加工精度。
螺旋铣制孔是一种利用铣削原理的新型加工方式，是用一把小于孔径的刀具通过自身的自传以及绕着孔的中心以一定的偏心距公转的制孔工艺。螺旋铣孔工艺使刀具通过单次进给即可完成钻—扩—铰的操作，提高了加工效率，且有利于切屑的排出，缓解了加工温度过高的问题，减少了切屑对已加工表面的划伤，提高了刀具的寿命和孔壁的质量。
因此对于螺旋铣削的深入研究十分必要，目前存在的问题是：螺旋铣削较小的孔径时，所使用的铣刀直径也很小，在铣削过程中会受到较大的径向力，使刀具产生偏向孔径中心的变形，使得加工出的孔径偏小且加工精度不能满足要求。因此，修复螺旋铣削过程中因刀具受径向力影响产生变形导致的孔径误差十分必要。
技术实现要素：
为解决以上问题，本发明提出一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀，包括：刀柄和加工部分组成，所述加工部包括精加工段、扩孔加工段以及粗加工段；
刀柄与精加工段相连接，精加工段与扩孔加工段相连接，扩孔加工段与粗加工段相连接；
刀柄直径与精加工段直径相等，精加工段为圆柱体，扩孔加工段为圆锥台，圆锥台大径端与精加工段连接处直径相等，圆锥台小径端与粗加工段连接处直径相等，粗加工段为圆柱体；
其中，精加工段直径为粗加工段直径与2倍的刀具变形量之和，长度为加工深度的1.2～1.6倍；
其中，粗加工段直径为初步选定加工铣刀刀具的直径，长度为加工深度的1.2～1.6倍；
一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀的设计方法，采用所述的一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀实现，包括如下步骤：
步骤1：选定被加工材料，确定加工孔径大小和加工深度，按照常规方法初步选定加工铣刀刀具，设定加工参数；
步骤2：建立初步选定铣刀刀具的三维模型；
步骤3：在设定的加工参数下进行螺旋铣削试验，使用测力仪测试出铣刀刀具铣削时受到的径向力大小，记录每次平稳切削时径向力大小；
步骤4：计算平稳切削时径向力的平均值；
步骤5：将建立的铣刀刀具三维模型导入有限元仿真软件中，在该仿真软件中设定刀具材料属性，将计算得到的径向力平均值施加在铣刀刀具上，进行静力分析，得到铣刀刀具变形量；
步骤6：根据铣刀刀具变形量设计铣刀刀具，铣刀刀具由加工部分和刀柄组成，所述加工部分为粗加工段、扩孔加工段以及精加工段；从刀尖开始至刀柄依次为粗加工段、扩孔加工段、精加工段，其中粗加工段为圆柱体，直径为初步选定加工铣刀刀具的直径，长度为加工深度的1.2～1.6倍；精加工段为圆柱体，精加工段直径为粗加工段直径与2倍的刀具变形量之和，长度为加工深度的1.2～1.6倍；扩孔加工段为圆锥台，其中，圆锥台小径端与粗加工段连接处直径相等，圆锥台大径端与精加工段连接处直径相等，长度为加工深度的1～1.4倍；刀柄直径与精加工段直径相等；
步骤7：使用设计铣刀刀具进行螺旋铣削试验，检查试验所得孔径是否满足精度要求；若不能满足精度要求，则以设计铣刀刀具作为被测试对象，进行螺旋铣削试验，回到步骤3重新试验，直到螺旋铣削试验所得的孔径满足精度要求，铣刀设计完毕。
其中，步骤1中所述设定加工参数包括刀具自转转速、刀具公转转速、刀具轴线与孔轴线偏心距和螺距；
在设定的加工参数下进行螺旋铣削试验，测试次数大于等于5次；
步骤2中所述建立初步选定铣刀的三维模型使用软件ug或者solidworks；
步骤5中所述有限元仿真软件为abaqus。
有益技术效果：
本发明针对螺旋铣削制孔过程中因铣刀受径向力影响产生变形，导致孔径偏小以及精度不能满足要求的问题，提供了一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀及设计方法，该铣刀及设计方法消除了螺旋铣削过程中因刀具受径向力影响产生变形导致的孔径误差，最后测得的孔径满足精度要求，该方法根据刀具铣削过程中受径向力产生的变形量将铣刀刀刃部分分为粗加工段、扩孔加工段、精加工段三部分，使得铣刀能够通过一次铣削即可完成粗加工以及精加工两次铣削，提高了铣削精度和加工效率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀及设计方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀三维模型；
图3为本发明实施例的abaqus仿真刀具变形图以及位移云图；
图4为本发明实施例的测试精度位置示意图。
图中1—刀柄，2—加工部分，3—精加工段，4—扩孔加工段，5—粗加工段，d1—粗加工段直径，d2—扩孔加工段直径，d3—精加工段直径，d4—刀柄直径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：
本发明提出一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀，包括：刀柄1和加工部分2组成，所述加工部包括精加工段3、扩孔加工段4以及粗加工段5；
刀柄1与精加工段3相连接，精加工段3与扩孔加工段4相连接，扩孔加工段4与粗加工段5相连接；
刀柄直径d4与精加工段直径d3相等，精加工段3为圆柱体，扩孔加工段4为圆锥台，圆锥台大径端与精加工段3连接处直径相等，圆锥台小径端与粗加工段5连接处直径相等，粗加工段为5圆柱体；
其中，精加工段直径d3为粗加工段直径d1与2倍的刀具变形量之和，长度为加工深度的1.2～1.6倍；
其中，粗加工段直径d1为初步选定加工铣刀刀具的直径，长度为加工深度的1.2～1.6倍；
一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀的设计方法，采用所述的一种提高螺旋铣削加工精度的铣刀实现，包括如下步骤，如图1所示：
步骤1：本实施例中选择钛合金作为被加工材料，所要加工孔的直径为
步骤2：使用ug软件，建立初步选定铣刀刀具的三维模型，如图2所示；
步骤3：进行螺旋铣削试验，使用测力仪测出刀具铣削时的径向力大小，共进行14次试验，平稳切削时径向力为：57.974n、62.216n、64.7612n、70.5586n、69.7102n、66.1752n、76.356n、73.528n、72.5382n、75.9318n、72.9624n、75.2248n、75.3662n、75.694n，n为单位牛顿；
步骤4：计算平稳切削时径向力的平均值为71.607n；
步骤5：将建立的铣刀刀具三维模型导入abaqus仿真软件中，在该仿真软件中设定刀具材料属性，将测得的径向力71.607n施加在刀具上，进行静力分析，得到变形图以及位移云图，如图3所示，得到铣刀刀具变形量为0.0982mm；
步骤6：根据铣刀刀具变形量设计刀具，刀具由加工部分2和刀柄1组成，所述加工部分2为粗加工段5、扩孔加工段4以及精加工段3。从刀尖开始至刀柄1依次为粗加工段5、扩孔加工段4、精加工段3，如图2所示，其中粗加工段5为圆柱体，直径为初步选定加工铣刀刀具的直径为4mm，长度为加工深度的1.2～1.6倍，本实施例取1.5倍为4.5mm；精加工段3为圆柱体，精加工段直径d3为粗加工段直径d1大小与2倍的刀具变形量之和，为4mm+2×0.0982mm＝4.1964mm，长度为加工深度的1.2～1.6倍，本实施例取1.5倍为4.5mm；扩孔加工段4为圆锥台，其中，圆锥台小径端与粗加工段5连接处直径相等，圆锥台大径端与精加工段3连接处直径相等，长度为加工深度的1～1.4倍，本实施例取1.3倍为3.9mm；刀柄直径d4与精加工段d3直径相等；
步骤7：使用设计的铣刀进行螺旋铣削试验，检查试验精度测试5个不同位置，如图4所示，所要加工孔的直径φ为6mm，深度3mm，在深度方向上平均取5个测试点，记作1、2、3、4、5，分别测出这5个位置的孔径为：6.016mm、6.014mm、6.007mm、6.009mm、6.010mm，，均满足