球头立铣刀切削特性分析

球头立铣刀切削特性分析

一．球头立铣刀概述

球头立铣刀是数控机床上加工复杂曲面的一种比较合理的新型结构刀具，它也是复杂三维曲面精加工中所用到的重要刀具之一，其独特的刃形(S形、螺旋型)使得球头立铣刀的加工精度高，刀具寿命长、并且可以轴向进刀，它满足了对复杂空间曲面自动加工的需要。在模具制造、汽车制造、航天航空、电子通讯产品制造等行业有着广泛的应用。资料表明，在模具加工中，球头立铣刀的加工量占全部加工量的70～80％，随着数控机床在我国制造业的普及，球头立铣刀的需求量越来越大，目前国内的消耗量估计在一百五十万只以上。因此球头立铣刀的生产具有广阔市场前景。

球头立铣刀的制造一般都是采用磨制加工,其刃磨是球头立铣刀生产中的

一个非常关键的工序。目前国内采用的刃磨方法主要有两类：一类是采用简单的刃磨设备进行刃磨，这种方法不能刃磨出球头立铣刀所需的结构参数，用其加工的产品精度和质量较差，因此球头立铣刀的使用场合受到限制：另一类采用进口昂贵的五轴四联动刃磨机床进行刃磨，这种情况下投资太大，刃磨成本很高，如陕西航空硬质合金公司采用丹麦生产的US230，该机床价格达二百多万，这对于一般工具厂很难投资购买.因此对球头立铣刀进行动态特性分析以期为加工理想经济的球头立铣刀提供更多的理论依据具有重要意义。

二．球头立铣刀形状、标准及分类

1.球头立铣刀的形状及标准

球头立铣刀的外形如图一所示.

图 1

球头立铣刀最显著的特征是主切削刃的端刃(球刃)为一条“S”形空间曲线，如图2所示。

图2 S形刃球头立铣刀

美国、德国、日本、英国等国家都制定了各自的标准(如ISO1641／1．1978等，我国已制定了包括模具铣刀一直柄圆柱形球头立铣刀等国家标准(GB

6336．1-86)在内的多项国家标准。直柄圆柱形球头立铣刀的结构如图3所示。

球头立铣刀刀尖形状如图：

图 4

球头立铣刀容屑槽形状如图:

图 5

2.球头立铣刀的分类

球头立铣刀按材料分为：高速钢球头立铣刀、硬质合金球头立铣刀两类。随着涂层技术的发展，涂层球头立铣刀大量涌现，如PVD涂层球头立铣刀等；但从有关的资料来看，立方氮化硼、陶瓷等其他材料的整体式球头立铣刀还未出现。

球头立铣刀按结构分为：圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀两大类。圆柱形球头立铣刀分为直柄圆柱形球头立铣刀、锥柄圆柱形球头立铣刀；圆锥形球头立铣刀分为直柄圆锥形球头立铣刀、锥柄圆锥形球头立铣刀。

按其他方式还可以分为；可转位球头立铣刀、整体式球头立铣刀和片装式球头立铣刀。

图3 圆锥形球头立铣刀

图4 圆柱形球头立铣刀

图5 螺旋形刃（s）球头立铣刀（两刃）

螺旋形刃（s）球头立铣刀（四刃）

手柄及颈部的种类、形状和特点

三.球头立铣刀的特点

1.球头立铣刀的优点

球头立铣刀是点接触式加工，所以机械加工表面精度特别高，在模具、自由曲面数控加工中占有重要地位。通过对球头立铣刀的结构分析，总结起来，S形球头立铣刀具有以下优点：

(1)球头立铣刀的球刃过铣刀轴心，既可以作轴向进给，也可以作横向进给，它可以十分方便地加工模具内腔型面及其它复杂曲面；

(2)球刃为S形弧形刃，刃上无尖角部分，不会产生局部集中磨损，刀具耐用度高；

(3)在铣削时，由于球刃为S形切削刃，切入和切出过程比较平稳。实验证明，与平面刃球头立铣刀相比，用S形球头立铣刀铣削时，不但三个切削分力比较小，而且在切入和切出的过程中，三个分力的波动范围也比较小；

(4)S刃上各点的刃倾角不同，由于刃倾角的作用，可使切屑沿着切削刃方向外沿

方向顺利排出，能够有效地防止切屑粘附在到刃上，避免刀刃损坏。

2.球头立铣刀的缺点

(1)球头立铣刀结构复杂，因此其设计和加工都比较麻烦，以至于加工成本较高，这是需要研究的课题

(2)相比较平头立铣刀而言，它的切削效率是相当低，由实验可知，若按机床的进给速度相同来计算，球头立铣刀的加工效率只是平头立铣刀的四分之一；(3)球头立铣刀的复杂结构决定了它的强度不是十分的高，因此它主要应用于精加工或半精加工。

四．球头立铣刀加工研究.

研究球头立铣刀的制造方法和工艺，并努力降低其生产成本成了近年来国内

的一个研究热点。作为一种新型的刀具，球头立铣刀的设计及加工都有其特殊性，它的设计复杂，对加工机床的要求很高由于国外五轴四联动机床的使用较为普遍，在其上复杂刀具的刃磨比较容易实现，刃磨技术已经达到较高的水平，该类产品呈现多样化、实用化的特点，理论研究、实现方法渐趋成熟。当前国内许多专家学者也在对其结构进行研究，期望找到一种合理的数学模型，使其在一般的数控加工机床上得以实现。这方面研究方法很多，分别从不同角度、广度进行探索，但归结起来，主要有三种理论：

一是认为球头立铣刀的刃形是正交螺旋面和球面的交线，为“s”形。这种结构是比较理想的，但是加工实现有些困难。

二是使刃磨砂轮在铅垂面内偏摆一个角度，铣刀的回转中心或砂轮的回转中心偏离球心转动，同时球头铣刀绕其轴线转动形成球刃前刀面。

除了以上两大类理论模型及其对应的加工方法以外，等螺旋角加工也是一种比较流行的加工建模理论。立铣刀等刀具中的螺旋角的作用是改变切屑流向，使切屑顺着螺旋槽流出，从而起到散热、减小阻力、防止切屑擦伤已加工的工件表面等作用。因此将刀具中的螺旋角设计成等螺旋角，能使切屑的流向保持一致，不产生紊乱。。等螺旋角加工的理论也可用于球头立铣刀的修磨。

五.球头立铣刀的三维实体建模与静力、模态分析

1.球头铣刀的三维实体建模

本文的三维实体建模是在CATIA的零件设计和GSD（创成式曲面设计）里面完成的，其中大部分工作在GSD模块里面完成，所建立的三维实体模型如下图所示 :

2.球头铣刀的静力分析

本课题的静力分析和模态分析都是在ANSYS workbench中进行的，分析中所用的三维实体模型为上面CATIA所建立的模型。

通过对球头立铣刀的静力分析，我们可以比较形象的观察出球头铣刀在一定切削力作用下的变形、应力、应变分布情况。通过所得分析结果，可以研究球头铣刀的切削特性，从而进一步研究球头立铣刀在进行铣削加工中采用多大的转速、进给量、背吃刀量，才能既减少刀具的磨损，又能保证加工效率。

2.1 材料属性的确定

由于球头立铣刀切削是要承受摩擦、冲击和振动等作用，所以球头立铣刀材料应具备高的硬度和耐磨性、高的强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性。本

分析中，球头立铣刀的材料选用硬质合金(YTl5)，材料的性能指标如表所示。

2.2.网格划分

将材料属性附加给所导入的模型后进行网格划分，结果如图所示：

2.3附加载荷及边界条件

对球头立铣刀施加约束：Z(轴向)、X（切向）、Y（径向）的位移都为零，而旋转自由度: Mx、MY均为零，MZ是球头立铣刀的旋转方向，是唯一没有固定的约束，但由于转速恒定，所以也可以认为MZ是受约束的，即球头立铣刀的约束条件是全约束。

载荷的施加：在铣削过程中，球头铣刀所受到的切削力被平均分配到两个刃上，以均布载荷的形式将平均洗削力施加在球头立铣刀的主切削刃上。如图为加载三向平均洗削力的示意图。

2.4求解

所有前处理工作完成之后，对模型求解，得到球头立铣刀的总体变形，应力，应变图：

阴影处为未变形前的模型

应力图

应变图

3.球头立铣刀的模态分析

振动现象是机械机构系统中常见现象，大部分结构系统都不希望有振动现象发生，振动会造成结构疲劳破坏。

模态分析用于确定系统中机构或部件的振动特性（固有频率、振型），同时也是其他更详细动力学分析的起点。

对模型的前处理和静态分析基本一致，故在此不作详述。材料选择硬质合金，做四阶模态分析，所得结果如下：

一阶模态

二阶模态

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三阶模态

四阶模态

最终输出的球头立铣刀有限元模态分析结果为：

如一阶和二阶固有频率很接近，是模态密集区。二阶和三阶固有频率相差很大，为模态稀疏区。