渐变螺旋立铣刀设计与制作
靳红卫
【作者机构】 河冶精密工模具(河北)有限公司
【来 源】 《科学技术创新》 2026年第1期 pp.221-224
为了提升立铣刀在钛合金等难加工材料切削中的性能，通过介绍渐变螺旋立铣刀的设计与制造方法，分析参数化建模、多目标优化及精密磨削工艺，提出一种基于渐变螺旋角的高效刀具结构。研究结果表明：渐变螺旋设计可有效降低铣削力和切削温度，优化后的刀具参数在保证刚度的同时提高了排屑能力。采用五轴数控磨削工艺可实现螺旋角的精确控制，刀具表面质量满足高精度加工要求，验证该设计在难加工材料切削中的优势。 关键词：渐变螺旋；立铣刀；实体建模；参数优化；砂轮；磨削 引言[size=1em]为满足航空零部件的轻量化要求，在薄壁结构件中广泛采用钛合金。然而，薄壁结构件自身刚度低，加之其难加工的特点，导致其在制造过程中易产生变形、振动等问题，导致其加工精度及表面质量难以得到保障。在此种情况下，设计和制造渐变螺旋端铣刀具有十分重要的意义。 [size=1em]近几年来，国内外学者在立铣刀的研究方面有了一些重大进展。赖旭伟[1]等人以立铣刀磨损识别为研究对象，提出了一种以可解释性物理为导向的空间注意改善方法，对实现立铣刀磨损状态的精确监控、保证切削质量和刀具服役寿命具有重要意义。张富能[2]等人为改善球头铣刀的加工精度及表面质量提供理论支撑，并为实现球头铣刀加工技术的优化和刀具性能的提升奠定基础。施壮[3]等人通过预测铣削过程中的切削力，为立铣刀具的设计、工艺参数的优化奠定理论基础，从而提升刀具的切削效率与稳定性。 [size=1em]为满足需求，本文将以渐变螺旋立铣刀为切入点，对其设计与制作展开研究，期望研究成果可以为钛合金构件的高效、高精度制造奠定基础。 1 渐变螺旋立铣刀设计1.1 渐变螺旋立铣刀实体建模[size=1em]渐变螺旋立铣刀的三维建模是其设计的基础环节，对其几何特性及其参数关系的精确表达是十分必要的。在进行立铣刀造型之前，要确定其关键结构特性，图1为渐变螺旋立铣刀结构。
[size=1em]四刀刃平铣刀的总体结构可以划分为两个主要部分，即端面部分和周刃部分。端面部分由端刃后刀面、前刀面、端齿容屑槽组成；周刃的螺旋槽、螺旋刃线和退刀槽等部位构成。这些特征直接反映了刀具的前角、螺旋角、刃倾角等关键参数，对刀具的切削性能、刀具耐用度和加工表面质量起着至关重要的作用[4]。在建模时，确定完整刀具参数体系，包含：刀具半径、芯径、总长、周刃前角、后角。各参数之间存在集合约束关系，例如螺旋槽的深度与刀具芯径的关系可表示为：
[size=1em]式中：rw代表刀具芯径，r代表刀具半径，hc代表螺旋槽深度。这些参数会直接影响到刀具刚度和排屑性能[5]。与传统等螺旋角设计不同，渐变螺旋角从刀尖到尾部分为端部螺旋角和尾部螺旋角两个区段，对其设计依据下述公式：
[size=1em]式中：β（z）代表渐变螺旋角，β1代表端部螺旋角，β2代表尾部螺旋角，z代表轴向位置坐标，L1代表刃长，n代表过渡曲线指数。通过上述设计可以实现螺旋角的平滑过渡，有效分散切削振动，提高切削稳定性。在进行三维建模时，采用参数化设计方法[6]。基于Python语言开发了集成多种建模软件的刀具设计平台，实现了参数化建模与优化功能。 1.2 刀具参数与铣削参数优化设计[size=1em]渐变螺旋立铣刀的参数优化需要考虑铣削力、铣削温度、刀具寿命等多个相互关联的性能指标。考虑到钛合金等难加工材料的加工特点，以铣削力和铣削温度为双目标，建立优化模型，并通过NSGA-Ⅱ算法运算，完成对模型的求解[7]。加工质量和刀具寿命都受铣削力的影响，通过实验数据拟合，建立了铣削力目标函数F：
[size=1em]式中：γ0代表周刃前角。该模型反映了各参数对铣削力的综合影响。基于Pareto最优解，进行多目标优化，并定义如下优化准则：
[size=1em]式中：x代表设计变量向量，gi（x）代表约束条件。通过遗传算法迭代求解，最终获得螺旋角β1=35°、β2=45°等最优参数组合。对于刀具齿数的确定，可通过排屑槽面积与切屑横截面的关系得出：
[size=1em]式中：Ac代表排屑槽截面积，ξ 代表切屑变形系数，ap和aw代表切屑参数。 2 制作方法研究2.1 磨削模型与刀具材料砂轮选择[size=1em]在五轴刀具磨床上实现渐变螺旋端铣刀的磨削加工，必须对其进行准确的运动建模。在此基础上，利用NumRoto磨削软件对加工过程进行了模拟，并对其进行了15种语言的编程。在此基础上，提出了一种新的磨削加工方法——磨削法。砂轮选型是磨削加工过程中的一个重要环节。根据变径螺旋铣刀的特点，分别选择1A1型扁平砂轮进行螺旋槽粗磨，具有大的接触面积，利于刀具的高效切削；1V1型碟式砂轮适用于端齿的容屑槽及Gash角的加工，其倾斜角度的设计方便了小型空间的作业；采用11V9的碗状砂轮可以进行精细的后刀面研磨，从而得到较好的加工效果[8]。这种砂轮组合方案兼顾了磨削效率和精度。刀具材质为GU25UF型硬质合金（Φ12h6×100 mm），硬度达HRA92.5，抗弯强度3 200 MPa。高温红硬性和耐磨性，是刀具使用寿命的重要保障。磨削参数优化可基于材料去除率得到，其公式为：
[size=1em]式中：Q代表材料去除率，vw代表砂轮线速度，ae代表径向切深，vf代表进给速度。通过对这些参数的控制，可以实现高效且低损伤的磨削目标。 2.2 渐变螺旋铣刀制作[size=1em]在五轴UWIF刀具磨床上，实现了530 mm×320 mm×400 mm的加工行程，0.001 mm的加工精度。加工工艺包括两个主要的工序：周边特性的磨削和末端特性的磨削。采用1A1型砂轮对外圆表面进行修磨。利用B轴的摆角β 与Z轴位移的协同运动来实现渐变螺旋。通过该动力学调节，使刀具的螺旋角度由35度向末端45度平稳过渡。然后用11V9砂轮对周刃后刀面进行精密研磨，并对砂轮的偏移量和倾角进行了准确的控制。 [size=1em]端面特性的研磨是以1V1碟形砂轮为主轴，以“摇摆- 送料”的组合方式来实现端齿的容屑槽加工。采用“切- 摆”加工方式，利用砂轮与工具之间的相对运动，在切削过程中产生后倾角α'1=6°、α'2=12°的双后倾面，可有效地改善刀刃的切削强度，减小振动。 [size=1em]制作过程中特别注重质量检测和控制。采用ZOLLER刀具测量仪对刀具的主要性能指标进行了检验，其螺纹角误差在0.5°以内，后角误差在0.3°以内，刀具的宽度误差在0.02 mm以内，均能达到设计指标。 3 实验分析3.1 实验准备[size=1em]用于本实验的加工机床型号为VDL-1000E，本机的速度可调范围较广，转速可从40-8 000 r/min范围内调节，适应各种加工过程对速度的要求，为实验的顺利进行奠定了坚实的基础。 [size=1em]在测试现场，根据具体需求，对设备进行科学、合理配置，以全面、准确地获取各种工艺参数。测试现场如图2所示。
[size=1em]在此基础上，结合相关工作的具体需求，进行实验中仪器设备的调试与精度校正，在排除外界等相关因素影响或干预的前提下，对设计的成果进行检验。 3.2 渐变螺旋立铣刀螺旋角精度检验[size=1em]渐变螺旋立铣刀螺旋角度的大小及其改变，会对工具的切割性能、排屑效果及工件的质量产生重要影响。在进行检测时，需要使用三坐标测量机或者特殊的螺旋角测量仪等高精度测量设备。为了更好地反映出渐变螺旋立铣刀螺旋角的变化，需要在工具的不同轴线方向上选择多个测点。 [size=1em]在测试时，应对温度、湿度等环境因素进行严格的控制，以防止对测试结果的影响。在此基础上，根据有关规范及设计规范，对所测得的资料进行处理与分析，以判定其在容许偏差之内。当螺旋角度不满足时，将造成刀具力分配不均匀，刀具振动加剧，工件表面粗糙度降低，因而螺旋角度的检测是确保刀具使用性能的关键。 [size=1em]根据技术标准，在其全长范围内，渐变螺旋立铣刀螺旋角的误差应控制在±1°范围内，如满足此范围，说明设计成果可以达到技术规范，反之如误差＞±1°，会导致刀具在切削过程中，出现操作方面的异常，影响工件的加工与生产制造质量。以此为依据，对该指标进行检验，其结果如图3所示。 [size=0.8em]图3 渐变螺旋立铣刀螺旋角精度检验结果
[size=1em]从上述图3所示的结果中可以看出，渐变螺旋立铣刀螺旋角在全长范围内的误差＜±1°，满足质量验收需求，达到设计规范。 3.3 刀具表面粗糙度检验[size=1em]刀具表面粗糙度是衡量其表面微结构精度的重要参数，该指标的优劣将直接影响到刀具的切削性能、耐磨性和工件的表面质量。 [size=1em]为了准确地检测工具的表面不平整性，一般采用表面粗糙度测试仪。利用SRT220型测试仪对其进行表面质量的测试。该仪表是一种高精密的感应式感应器，其评价长度为1 L～5 L，长度为3 L～7 L（L为采样长度）。此仪器可以将测试结果以LCD方式进行显示和输出，最大可显示28项粗糙度参数，满足测试要求。 [size=1em]当工具表面粗糙度过高时，会增大工具与工件间的摩擦力，加快工具的磨损速度，同时也会引起工件表面出现划痕、毛刺等缺陷，从而对零件的加工精度及表面质量产生较大的影响。 [size=1em]根据精加工需求，要求切削刃部位的Ra值≤0.2 μm，以此为依据，得到如图4所示的实验结果。
[size=1em]从上述图4所示的结果可以看出，提出的方法应用后，可以确保切削刃部位的Ra值≤0.2 μm，测试仪界面显示数值为0.125 μm，符合需求。 4 结论[size=1em]中国制造2025的实施，我国制造业进入了一个全新发展时期，现阶段的科技水平和生产流程日趋完善。近几年，国内的制造业呈现出良好的发展景象，并在主力战机的制造方面取得了显著成绩，其中，航空航天结构件的制造技术备受业界瞩目。但如何保证构件的规范化生产成为了核心技术难点，为解决此方面问题，本文开展了此次设计，提出了针对渐变螺旋立铣刀的设计与制作方法。该方法在经过实践测试后，证明了在实际应用中，可以起到降低表面粗糙度、提高螺旋角精度等作用，以此种方式，为高精度工件的生产与制作提供技术层面支持，为深化刀具的设计予以帮助。 [size=1em]参考文献 [size=1em][1]赖旭伟,丁昆,张楷,等.基于可解释物理引导空间注意力改进的跨工艺参数立铣刀磨损辨识[J].机械工程学报,2024,60（12）:147-157. [size=1em][2]张富能,林志伟,薛勇,等.基于游动矢量球头立铣刀刃磨研究[J].机械工程学报,2024,60（17）:349-356. [size=1em][3]施壮,李长河,刘德伟,等.不等螺旋角立铣刀瞬时铣削力模型与验证[J].机械工程学报,2024,60（15）:393-406. [size=1em][4]王奔,龙志凯,郑英晓,等.不同刀具钝化方法加工硬质合金立铣刀刃口的对比试验研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2023,44（2）:237-243. [size=1em][5]许峻铭.基于螺旋槽成形特征的多工位立铣刀磨削工艺优化与设计[D].武汉：华中科技大学,2024. [size=1em][6]肖光伟,段春争.立铣刀侧铣加工FV520B 不锈钢的铣削力模型[J].工具技术,2023,57（2）:107-110. [size=1em][7]范丽丽,姜彬,赵培轶,等.振动条件下铣刀切削过程物质信息流构建方法[J].振动与冲击,2024,43（20）:200-212. [size=1em][8]王宏杨.钛合金薄壁件铣削过程中立铣刀磨损破损状态的识别研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2024.
[size=1.8em]Design and Manufacturing of Gradient Spiral End Milling Cutter [size=1em]Jin Hongwei
（Heye Precision Tools&Molds（Hebei）Co., Ltd., Shijiazhuang, China） [size=1em]Abstract: In order to improve the performance of end mills in cutting difficult to machine materials such as titanium alloys, this paper introduces the design and manufacturing methods of gradient spiral end mills,analyzes parameterized modeling, multi-objective optimization, and precision grinding processes, and proposes an efficient tool structure based on gradient spiral angles.The research results indicate that the gradient spiral design can effectively reduce milling force and cutting temperature, and the optimized tool parameters improve chip removal ability while ensuring stiffness.The use of five axis CNC grinding technology can achieve precise control of the helix angle, and the surface quality of the tool meets the requirements of highprecision machining, verifying the advantages of this design in cutting difficult to machine materials. [size=1em]Key words: gradient spiral; end mill; entity modeling; parameter optimization; grinding wheel; grinding
[size=1em]中图分类号：TH132.41 [size=1em]文献标识码：A [size=1em]文章编号：2096-4390（2026）01-0221-04 [size=1em]作者简介：靳红卫（1985-），女，本科，工程师，研究方向：铣刀钻头等刀具设计及质量管理。
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