可变螺旋角立铣刀优化设计 张华 【作者机构】 河北工业职业技术大学智能制造学院

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摘 要：传统硬质合金整体式立铣刀进行高效率切削时可能引起共振,影响加工精度和刀具寿命。本文系统选取立铣刀的槽型、刃角、芯厚等关键参数,创新性提出可变螺旋角的优化设计方案。该方案通过分割铣刀外周刃实现各段共振频率差异化,以减弱加工振动、提升加工稳定性。切削对比实验结果显示,所优化设计的铣刀相较于对照铣刀,在表面加工质量与振动控制方面表现更优,加工性能显著提升,验证了该方案的可行性与有效性。

关键词：立铣刀;硬质合金;可变螺旋角

0 引言

[size=1em]数控机床技术是机械加工领域的重要支柱。在数控机床的配套设备中,刀具是用于加工工件的耗材和工具,对加工工件的效率、表面质量、成本等方面具有决定性影响。

[size=1em]近年来,中国硬质合金刀具产量呈稳步增长态势,这一发展成果主要得益于硬质合金铣刀所展现的卓越综合性能。硬质合金铣刀兼具高硬度、优异耐磨性与出色红硬性,其红硬性可在800～1 000 ℃的温度区间内稳定保持,这一特性赋予了硬质合金铣刀实现高速切削的核心优势。Phokobye等[1]学者在相关研究中也明确指出,硬质合金铣刀作为目前工业领域应用最为广泛的铣削工具之一,性能表现十分突出。基于上述背景,本文将针对硬质合金材料制备的整体式铣刀展开系统性研究。

[size=1em]铣削加工中的振动难以避免,不仅严重影响铣刀切削性能,还会显著降低工件加工表面质量。针对该问题,相关学者开展了大量研究:许晋等[2]深入剖析传统立铣刀抗振机理,推导得到不等螺旋角立铣刀圆周等分点刃长计算公式,为提升铣刀抗振性提供思路,切削实验验证该类型铣刀可有效增强抗振性能、改善加工表面质量;MEI等[3]提出采用不规则齿距角设计变齿距刀具,通过破坏颤震机制抑制振动以提升加工效率与稳定性,并建立变齿距铣刀设计分析方法,为铣刀抗振性能优化提供新路径。

[size=1em]在传统的铣刀设计中,螺旋角通常被设定为固定数值,然而,这种设计方式无法满足铣刀所需较小切削振动的需求。为了克服这一局限性,么明壮[4]提出了一种创新的渐变螺旋角立铣刀设计。这种刀具的螺旋角在固定切削刃上逐渐增大,实现了对铣削过程的精细化控制。具体而言,较小的螺旋角在切入工件时能够确保刀具的刀尖强度,而螺旋角的逐渐增大则有助于减小铣削深度增大对铣削力的影响。这种设计不仅提升了铣刀的切削性能,还有助于提高工件加工表面的质量,为铣削加工领域的技术进步提供了新的思路。

[size=1em]在此基础上,本文设计了一款可变螺旋角硬质合金立铣刀,通过优化螺旋角结构以提升切削性能,并遵循标准实验流程开展切削性能对比试验,确保实验结果的准确性与可靠性。

1 可变螺旋角参数选择和结构设计1.1 可变螺旋角参数选择

[size=1em]螺旋角是铣刀设计的关键参数,对切削力、振动、效率等加工性能影响显著,深入研究其影响对优化铣刀设计、提升加工质量意义重大。

[size=1em]螺旋角分左旋和右旋,旋向决定切屑流向与切削力方向:右旋铣刀切屑向上排出、切削力向上,适用性广,可用于侧铣、槽铣等多种场景,实际应用更广泛;左旋铣刀切屑向下排出、切削力向下,仅适用于侧铣、通孔铣等特定场景[5]。故本文设计选用右旋结构。螺旋角大小影响刀刃强度、切削力及铣刀寿命:小螺旋角对应小工作前角,刀刃强度高但径向切削力大;大螺旋角则相反[5]。需注意,过大螺旋角虽单个接触点径向切削力减小,但因参与切削的接触点增多,可能导致径向切削合力增加,如图1所示。

[size=0.8em]图1 螺旋角变化对接触点的影响

[size=1em]实际应用中,立铣刀螺旋角通常选取30°～45°。本文所设计铣刀以抗压强度超6 000 MPa的硬质合金为材料(其物理性能参数如表1所示),切削对象为硬度较高的45号钢,综合考量刀刃强度、切削力及加工稳定性与耐用性,最终将螺旋角确定为38°～41°。

[size=0.8em]表1 硬质合金铣刀物理性能参数

1.2 可变螺旋角结构设计

[size=1em]本文设计的立铣刀,其周向展开图与端刃图如图2所示。该铣刀切削刃的螺旋角设计采用了半渐变策略。具体而言,各切削刃均被划分为五个分段。第一和第三切削刃的螺旋角在第一段保持41°不变,随后在第二段逐渐从41°减小至38°,第三段维持38°不变,接着在第四段逐渐从38°增大至41°,最后在第五段恢复至41°。而第二和第四切削刃的螺旋角变化则呈现相反的趋势。

[size=0.8em]图2 可变螺旋角立铣刀周向展开图(左)和端齿图(右)

[size=1em]由图2可知,该铣刀设计在轴线方向呈显著分段特征,可增强阻尼特性,使切削力脉冲的大小与时间间隔产生明显差异,进而有效抑制轴线方向振动;其径向结构同样具备调节铣削力脉冲的作用。该铣刀未采用不等分割策略,端齿相邻切削刃夹角均为90°,增大了端刃容屑空间,显著提升切削性能,契合铣刀下半段主导切削的实际应用需求。此外,铣刀其余截面采用不等分设计,使圆周方向铣削力脉冲的时间间隔存在差异。

[size=1em]综上所述,可变螺旋角结构能够有效抑制铣刀加工过程中的颤震现象,提升切削的稳定性和效率。

1.3 立铣刀实物参数

[size=1em]本文设计的铣刀是由刀柄和刀头两部分组成,刀头是由四个铣削刀刃部分构成,每个铣削刀刃部分包括一个刀尖、三个刀面、一个铲背面、三个端齿刀面和一个铣削刃组成,如图3所示。铣刀刃长为15 mm,刃数为4刃,芯厚为3.75 mm,刀头的直径为Ø6 mm,刀头长度为13.0 mm。刀柄的直径为Ø6.0 mm,长度为27.0 mm。铣刀的具体参数如表2所示。

[size=0.8em]表2 可变螺旋角立铣刀参数

[size=0.8em]图3 可变螺旋角立铣刀实物图

2 性能测试与分析2.1 实验设备

[size=1em]切削实验在沈阳机床厂制造的VMC850E立式加工中心上进行,主要技术参数:允许荷重最大600 kg,最大转速为8 000 r/min,最大进给速度10 000 mm/min。采用INV3018C系列采集仪测量振动数据。经理论分析和切削实验,确定实验参数如表3所示。

[size=0.8em]表3 加工中心铣削参数

2.2 横向对比结果

[size=1em]为确保对比实验的准确性与可靠性,本实验严格遵循对照原则,尽可能减少实验组与对照组之间的实验因素差异。为此,特制了两种铣刀以开展对照研究。铣刀1采用固定螺旋角设计,而铣刀2则是本文设计的可变螺旋角立铣刀。

[size=1em]在加工中心主轴转速保持2 000 r/min的情况下,对铣刀1和铣刀2切削实验的振动数据进行横向对比分析,结果如图4所示。相较于铣刀1,铣刀2在切削过程中的抗振能力显著增强,综合性能提升幅度达到了25%。这一结果表明,本文设计的可变螺旋角结构对铣刀切削振动的抑制作用十分明显。

[size=0.8em]图4 铣刀1(左)和铣刀2(右)的对比时域图

2.3 纵向对比结果

[size=1em]通过横向对比数据,可发现铣刀切削振动主要集中在X方向,这与X方向作为铣刀进给方向以及切削力的主要作用方向相一致。因此,本文对不同转速下X方向的振动加速度时域图进行了纵向对比分析。

[size=1em]如图5所示,铣刀1的切削振动受到转速的影响更为显著。其振动加速度幅值不仅随着转速的增加而发生变化,而且在特定转速下(如1 500 r/min)还出现了明显的切削颤震现象。这种颤震不仅影响了切削过程的稳定性,还可能对加工质量产生不利影响。

[size=0.8em]图5 不同转速下铣刀1的对比时域图

[size=1em]如图6所示,铣刀2的切削振动则更为稳定。其振动幅值虽然也随转速变化,但波动范围较小,且未出现明显的切削颤震现象。这表明铣刀2具有更好的抗振性能,能够在不同转速下保持稳定的切削过程。

[size=0.8em]图6 不同转速下铣刀2的对比时域图

[size=1em]综上所述,铣刀2在不同转速下均能维持稳定切削,抗振性能显著优于铣刀1,因此在加工效率方面具有一定的优势。

3 结语

[size=1em]相较于传统的螺旋角铣刀的结构设计,通过优化螺旋角参数以改善切削性能的方式,可有效抑制铣刀切削过程中的共振现象,降低工件表面粗糙度,显著提升加工质量。实验结果表明,本文所设计的立铣刀具有极高的实用性,能有效延长铣刀使用寿命、增强加工过程稳定性,具有良好的市场应用前景与推广价值。

[size=1em]参考文献：

[size=1em][1]Phokobye S, Daniyan I, Tlhabadira I, et al. Model design and optimization of carbide milling cutter for milling operation of m200 tool steel[J]. Procedia CIRP, 2019, 84954-959.

[size=1em][2]许晋, 庞安定, 刘鹏程, 等. 不等螺旋角立铣刀的抗振性及设计研究[J]. 工具技术, 2018, 52(08): 111-115.

[size=1em][3]Mei J, Luo M, Guo J, et al. Analytical modeling, design and performance evaluation of chatter-free milling cutter with alternating pitch variations[J]. IEEE Access, 2018,632367-32375.

[size=1em][4]郭刚,叶云霞,张毅. 立铣刀齿数和螺旋角对铣削变截面涡旋盘影响仿真研究[J]. 工具技术,2022,56(8): 97-101.

[size=1em][5]汪东明,孟龙晖,张浩,等. 数控铣刀设计与优化技术研究综述[J]. 机械强度,2023,45(2): 414-422.

Optimized Design of Variable Helix Angle End Mills

[size=1em]Zhang Hua

[size=1em](College of Intelligent Manufacture, Hebei Vocational University of Industry and Technology, Hebei Shijiazhuang 050091)

[size=1em]Abstract：When traditional solid cemented carbide end mills perform high-efficiency cutting, they may induce resonance, which affects machining accuracy and tool life. To address this issue, this paper systematically selects key parameters of end mills, such as groove profile, edge angle, and core thickness, and innovatively proposes an optimized design scheme with variable helix angles. This scheme divides the peripheral edge of the end mill to achieve the differentiation of resonance frequencies in each segment, thereby weakening machining vibration and improving machining stability. The results of cutting comparison experiments show that the optimally designed end mill outperforms the reference end mill in terms of surface machining quality and vibration control, with significantly improved machining performance. This verifies the feasibility and effectiveness of the proposed design scheme.

[size=1em]Key words：End mills; Cemented carbide; Variable helix angle

[size=1em]中图分类号：TG54

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1674-957X(2026)03-0057-03

[size=1em]基金项目：河北省高校硬质合金切削材料应用技术研发中心。

[size=1em]作者简介：张华(1982—),男,河北晋州人,汉族,副教授,硕士研究生,研究方向:自动控制及检测技术。

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张华

【作者机构】

河北工业职业技术大学智能制造学院