[发明专利]减振平衡高速铣刀及其设计方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种减振平衡高速铣刀及其设计方法，具体涉及刀齿不均匀分布的高速铣刀及其动平衡设计方法。

背景技术：

高速铣削过程中，由于刀具转速很高，对高速铣刀提出了严格的动平衡和安全性要求。目前，公知的高速铣刀由于采用刀齿均匀分布结构，具有动平衡性好、安全性高、应用转速高等特点。但是，此类刀具高速铣削中的激励能量集中，且激振力频率取决于铣刀的转速和齿数，如果刀具齿数选择不当，则使激振频率接近铣刀的固有频率，出现较强的振动，无法满足高效、高精度切削加工要求。

中低速切削中，解决铣刀振动的一种有效方法是采用不均匀分布刀齿结构，通过铣刀动态切削力的频谱分析，优化齿距，使其激励能量得到分散，达到减振目的。但采用该方法设计的铣刀质量处于不均匀分布状态，无法满足高速切削条件下铣刀动平衡和安全性要求。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有的高速铣刀切削中激励能量集中，易于产生较强振动的不足，提供一种减振高速铣刀设计方法，采用该方法研制的高速铣刀不仅能分散高速铣削中的激励能量，有效抑制易高速铣削振动，而且能使其满足动平衡和安全性要求。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

减振平衡高速铣刀的设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)在单齿动态切削力模型基础上，建立高速铣刀多齿动态切削力模型；

(2)建立多齿切削动态切削力频谱模型，其中包括刀齿均匀分布的动态切削力频谱模型和刀齿不均匀分布的动态切削力频谱模型；

(3)建立高速铣刀切削稳定性评价模型；

(4)刀齿分布对动态切削力频谱影响分析与高速铣刀齿距优化；

(5)在高速铣刀结构强度约束条件下，通过铣刀动平衡精度分析，采用行为建模技术完成刀齿分布和容屑槽优化设计，达到铣刀安全性和动平衡精度要求，获得满足减振要求的高速铣刀设计方案。

一种利用上述方法设计的减振平衡高速铣刀，所述的刀齿为在高速铣刀结构强度约束条件下，通过铣刀动平衡精度分析，采用行为建模技术完成刀齿分布和容屑槽优化设计，达到铣刀安全性和动平衡精度要求，获得满足减振要求的高速铣刀刀齿。

有益效果：

1.本发明采用该方法研制的高速铣刀可以有效抑制刀齿均匀分布引起的高速铣削振动，获得高质量加工表面，同时可以使刀齿不均匀分布的铣刀满足高速铣削加工动平衡精度和安全性要求。

2.本发明采用刀齿不均匀分布方法，使铣刀高速切削共振转速成齿数倍提高，可直接避免因刀齿均匀分布导致的铣刀共振；通过动态切削力频谱分析和齿距优化分散高速铣削中的激励能量，进一步有效抑制易高速铣削振动；采用铣刀结构强度约束条件，通过铣刀容屑槽优化设计，消除刀齿不均匀分布导致的铣刀动平衡设计原理性误差。该方法尤其适用于奇数齿不均分布的高速铣刀减振设计与开发。

附图说明：

附图1是高速铣刀单齿切削方式的示意图，图中：d为铣刀直径，a_e为工件铣削宽度，u₁为切离一侧铣刀露出加工面的距离，u₂为切入一侧铣刀露出加工面的距离，为切入角，为切出角，为接触角，为进给方向角。

附图2是高速面铣刀多齿切削方式的示意图，图中，z为铣刀齿数，β为铣刀转角，n为铣刀转速，v_f为进给速度，θ_i为第i个刀齿与第i-1个刀齿的齿间距(i＝1～z)，为切入角，为切出角，为接触角。

附图3(a)是刀齿不均匀分布下高速铣刀切削分力F_c(f)频谱()，(b)是刀齿均匀分布下高速铣刀切削分力F_c(f)频谱()。

附图4是刀齿不均匀分布对切削力谱值影响曲线。

附图5是高速铣刀不平衡量分解示意图。

附图6是高速铣刀刀齿分布与动平衡设计流程图。

具体实施方式：

实施例1：

减振平衡高速铣刀的设计方法，该方法包括如下步骤：

1.在单齿动态切削力模型基础上，建立高速铣刀多齿动态切削力模型。

高速铣刀切削时，由于其刀齿切削的断续性和切削厚度的变化，使得波形呈周期性变化的切削力成为引起刀具系统振动的主要激振力之一。单齿切削加工方式如图1所示：

刀齿切削接触角和为进给方向角为：

沿铣刀切向的切削分力F_e、径向切削分力F_r和轴向切削分力F_z可分别表示为：