1 引言

波形刃立銑刀具有波浪型的切削刃，各個(gè)切削刃的波形延刀具軸線方向相互錯(cuò)開(kāi)。錯(cuò)開(kāi)長(zhǎng)度為波長(zhǎng)除以切削刃數(shù)。進(jìn)行銑削時(shí)各個(gè)波峰依次參加切削，形成橫截面為月牙形的切屑。這樣就減小了切削寬度，增大了切削厚度，切屑窄而厚，減小了切屑變形量［1］，并使切削刃能夠深入到工件表面硬化層以下，以減小切削力，延長(zhǎng)刀具使用壽命。這種方式適合于切削量較大的粗加工工序，尤其在銑削表面粗糙的工件毛坯表面時(shí)顯示出其優(yōu)越性。

2 波形刃立銑刀的分類(lèi)

波形刃銑刀分為前波形刃立銑刀和后波形刃立銑刀兩種。前波形刃立銑刀的前刀面為波形面、后刀面為普片螺旋面，是在普通立銑刀的基礎(chǔ)上，用專(zhuān)用的夾具或者數(shù)控程序?qū)⑶暗睹婕庸こ刹ɡ诵温菪?，并與后刀面相交形成波浪形的切削刃。這種銑刀需重磨后刀面;后波形刃銑刀的前刀面為普通螺旋面，是在普通立銑刀的基礎(chǔ)上，使用成型砂輪對(duì)后刀面進(jìn)行鏟磨，形成波浪起伏的后刀面，并與前刀面相交形成波浪形切削刃。這種銑刀與鏟齒銑刀一樣需重磨前刀面。根據(jù)哈工大薄化川教授的研究，后波形刃立銑刀的分屑效果最好，切削力比玉米銑刀和普通銑刀小。前波形刃立銑刀由于切削刃全部參加切削，切削刃長(zhǎng)、切削厚度小、切削力大，且無(wú)分屑作用。但當(dāng)切削厚度較大時(shí)切屑會(huì)在卷曲過(guò)程中發(fā)生斷裂，間接達(dá)到分屑效果。其優(yōu)點(diǎn)是加工表面粗糙度小，適用于余量較大的精銑［2］。后刀面波形刃立銑刀制造方便，不需要復(fù)雜的機(jī)床聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，刃形清晰。當(dāng)需要不同形式的刃口曲線時(shí)僅需要更換不同的成型砂輪即可，具有較大的靈活性。刀具使用磨損后，直接修磨前刀面即可，不影響刃口曲線。所以目前常見(jiàn)的波形刃銑刀以后刀面波形為主。本文討論的是后刀面波形刃銑刀所用的成型砂輪設(shè)計(jì)。

3 后波形刃銑刀的加工方法

使用五軸數(shù)控工具磨床加工整體硬質(zhì)合金波形刃立銑刀的主要磨削步驟是:①螺旋溝開(kāi)槽磨削;②圓周刃后刀面鏟磨形成波浪形切削刃;③端齒后角磨削;④端齒前角磨削。其中開(kāi)槽、端齒后角及端齒前角磨削與普通立銑刀無(wú)異，不同之處在于后波形刃的鏟磨加工，鏟磨時(shí)砂輪軸線與刀具軸線平行。砂輪沿刀具徑向勻速進(jìn)給的同時(shí)刀具繞自身軸線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，形成阿基米德螺旋線后角。后角的大小可以用鏟磨降量來(lái)表示，也可以用螺旋線的切線與半徑的夾角表示。每鏟磨一次就完成一個(gè)波形的加工，砂輪沿著切削刃從刀具端部向柄部方向逐個(gè)波形鏟磨直至達(dá)到設(shè)定的刃長(zhǎng)。

4 成型砂輪輪廓曲線及修正

一般來(lái)說(shuō)波形刃立銑刀的刃口曲線應(yīng)該是正弦曲線，但是為了制造方便常常使用幾段相切的圓弧來(lái)近似代替。為了延長(zhǎng)成型砂輪的使用壽命，減少因砂輪廓型磨損對(duì)刀具刃口曲線的影響，常將砂輪做成兩個(gè)波峰。一個(gè)波峰在前，用于粗磨去量;一個(gè)在后，用于對(duì)刃口曲線進(jìn)行修整。由于在后的砂輪波峰磨削余量小，所以能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持正確的形狀。當(dāng)在前的砂輪波峰磨損后仍能保持刀具刃口的形狀。砂輪形狀如圖1 所示。

圖1

圖1 中的砂輪的前后兩個(gè)波形等高，當(dāng)波形刃銑刀的螺旋角為0°時(shí)，用這樣的砂輪來(lái)加工不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。但是當(dāng)波形刃銑刀的螺旋角不為0°時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)波形錯(cuò)亂的現(xiàn)象，且螺旋角越大，波形錯(cuò)亂就越嚴(yán)重。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行鏟磨后刀面的時(shí)候由于螺旋角的關(guān)系導(dǎo)致砂輪前面的一個(gè)凸起過(guò)量磨削導(dǎo)致的。如圖1 所示，DF 表示波形刃立銑刀的一個(gè)切削刃，∠FDE 為其螺旋角，砂輪的后側(cè)凸起用來(lái)精磨D 點(diǎn)的波谷。同時(shí)砂輪的前側(cè)凸起從G 點(diǎn)開(kāi)始對(duì)下一個(gè)波谷進(jìn)行粗磨去量。D 點(diǎn)的磨削路徑為DE，G 點(diǎn)的磨削路徑為GF，均與曲線AB 對(duì)應(yīng)。AB 為螺旋線，相對(duì)于銑刀圓周AC 有一個(gè)降量BC。當(dāng)砂輪后側(cè)凸起從D 點(diǎn)移動(dòng)到E 點(diǎn)(也就是從A 點(diǎn)移動(dòng)到B 點(diǎn))時(shí)，砂輪的前側(cè)凸起也從G 點(diǎn)移動(dòng)到了F 點(diǎn)(也就是B 點(diǎn))。B 點(diǎn)所處的徑向位置對(duì)于E 點(diǎn)是合適的。但是對(duì)于F 點(diǎn)卻是過(guò)切的情況，因?yàn)镕 點(diǎn)是切削刃上的一點(diǎn)，它的徑向位置應(yīng)該是在C 點(diǎn)處。正是過(guò)切量BC 導(dǎo)致了銑刀刃口波形的錯(cuò)亂。因?yàn)樯拜喌囊苿?dòng)路徑以及砂輪的方向是確定的，為了消除過(guò)切就只能對(duì)砂輪前側(cè)凸起進(jìn)行修正，也就是降低前側(cè)的凸起高度，降低值等于BC 即可。因?yàn)榍€AB 和圓弧AC 與銑刀直徑相比都很短，所以將其近似視作直線，且AC ⊥BC，設(shè)∠CAB 為α，∠FDE 為β。DG 實(shí)際上就是波形刃的波長(zhǎng)，記作p，則有DE=EF/tanβ=p/tanβ。因?yàn)镈E 和AB 是同一路徑在不同視圖的表示形式，所以AB=DE，則BC=AB×sinα=DE×sinα=p/(tanβ×sinα)?？梢钥闯?，過(guò)切量與p 值成正比，也可以理解為距離D點(diǎn)越遠(yuǎn)過(guò)切量越大，所以對(duì)砂輪進(jìn)行修正時(shí)輪廓曲線上的每一點(diǎn)都要修正。且距離后側(cè)凸起頂點(diǎn)越遠(yuǎn)修正值越大，往砂輪前側(cè)降低凸起高度、往后側(cè)增加高度。修正后的砂輪輪廓曲線如圖2 所示。圖2 中曲線A 為修正前的砂輪輪廓曲線，直線C 的斜率為1/(tanβ×sinα)，曲線B 為修正后的砂輪輪廓曲線，曲線B 是曲線A 和直線C 疊加形成的，可以用作圖的方法擬合，也可以用函數(shù)求出。

圖2

5 結(jié)語(yǔ)

以述波形刃立銑刀的刃口曲線為近似正弦曲線，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的使用場(chǎng)合以及不同工件材質(zhì)，刃口曲線的波長(zhǎng)、波峰高度等都有所變化。例如鋼件、鋁合金工件所用的波形刃立銑刀的波形就要大些，而對(duì)鑄鐵等脆性材料來(lái)說(shuō)小波形更加合適［3］。有時(shí)為了降低加工表面粗糙度，可以將刀具波形做成平頂。無(wú)論具體什么樣的波形，只要存在上文所述的過(guò)切現(xiàn)象，都可以用這種修正方式來(lái)消除。

圖3 是用圖2 中修正過(guò)的砂輪加工出了一把波形刃立銑刀，適用于加工鋼材等長(zhǎng)切屑類(lèi)工件。經(jīng)檢測(cè)波形完整平滑，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3

原創(chuàng)：波形刃銑刀成型砂輪設(shè)計(jì)

袁劍

哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司