刀具设计：硬质合金四齿立铣刀结构优化设计

针对普通硬质合金四齿立铣刀在加工过程中存在的排屑不顺、刀齿易磨损等缺陷，文中对普通硬质合金四齿立铣刀结构进行了结构优化，扩大立铣刀刀头角度及螺旋槽的螺旋角，增大容屑槽的角度，改进螺旋槽槽底的形状，设计了结构优化后的强力四齿立铣刀；在Pro/E三维建模软件中建立了普通和结构优化后的两种立铣刀的三维模型，运用Ansys有限元分析软件对两种立铣刀进行切削性能分析。结果表明，经过结构优化设计得到的强力四齿立铣刀，其削性能显著提高。

关键词：硬质合金四齿立铣刀；三维建模；有限元分析；结构优化设计

整体式硬质合金立铣刀具有良好的切削加工性能和加工表面质量，在结构件的加工中得到广泛的应用。然而，普通立铣刀由于螺旋槽结构形状复杂，槽深太浅，容屑空间不够，容易产生堵屑、排屑不顺畅以及铣刀在加工过程中应力较大等现象，而影响了刀具的寿命[1]。为了使立铣刀在切削过程中具有良好的排屑性能以及有效减小应力集中，国内的一些学者对铣刀的结构进行了相关研究。李宏德[2]以立铣刀的承载能力及排屑能力为优化目标，以立铣刀的前角、后角及螺旋角为优化变量，创建优化模型，利用线性加权的方式优化立铣刀几何结构参数，来提高立铣刀的铣削性能。石岚[3]研究了通过Ansys有限元分析软件对小径的整体式立铣刀在不同铣削参数下分别进行静力分析及模态分析，得到了最优的铣削加工参数，且研究了切削速度对铣削加工效率及成本的影响。KUMAR等[4]研究了立铣刀通过有限元软件模拟铣削钛合金 Ti-6Al-4V时的切削力及立铣刀内部的应力的变化规律，从而实现了立铣刀几何结构的优化。以上研究是对立铣刀螺旋槽的几何参数进行优化，继而通过改变切削参数来研究其切削性能，但对于铣刀其他的结构，如容屑槽槽底形状对立铣刀切削性能(如排屑性)的影响研究较少。文中首先对普通硬质合金四齿立铣刀结构进行了改进：扩大立铣刀刀头角度及螺旋槽的螺旋角，增大容屑槽的角度，特别是对容屑槽的槽底结构进行了结构优化设计，将槽底形状由圆弧型转变为直线型，扩大容屑能力，以实现优异的切屑排出性能；其次在Pro/E三维建模软件中建立两种硬质合金四齿立铣刀的三维模型，导入Ansys有限元分析软件中，建立有限元模型；最后对两种立铣刀进行静力分析和模态分析，对比切削性能，验证结构优化设计的效果。

1 强力硬质合金四齿立铣刀的结构设计

以普通硬质合金四齿立铣刀的轴线为Z轴，径向截面为X-O-Y平面，X轴通过刀尖，建立如图1所示的坐标系。容屑槽参数主要包括立铣刀外轮廓半径R、芯厚半径r、槽底半径r1、径向前角γ0、螺旋角ω、周刃第一后角α1、周刃第二后角α2、周刃第一后刀面宽b1、周刃第二后刀面宽b2及齿背高b10，如图2所示。

图1 整体式立铣刀坐标系
Fig.1 Integral end milling cutter coordinate system

1.1 螺旋角的优化

螺旋角ω是螺旋切削刃展开成直线后，与立铣刀轴线间的夹角[5]，如图3所示。较大的螺旋角会使切削轻快平稳，排屑容易，防止切削堵塞现象，提高立铣刀的耐用度。因此文中将立铣刀的螺旋角从30°增大到47°，以此增强刀具排屑的能力，如图4所示。

1.2 齿背形式的优化

四齿立铣刀的齿背形式直接决定了容屑槽的形式和大小[6]，齿背形式应使刀齿有足够的强度和宽敞的容屑空间，方便排屑。从如图5所示的折线齿背和如图6所示的直线齿背对比图中可以看出，折线齿背具有较大的容屑空间，并且在任何截面上抗弯强度近似相等，故文中设计的强力四齿立铣刀采用折线齿背。