孔维平，陈必国，张东海，宋启豪，赵巍，张毅

1成都工具研究所有限公司；2启东锦桥轴承有限公司

1 引言

面对市场对内环槽成型铣刀的需求大量增多以及更多的加工要求，整体硬质合金铣刀被广泛应用，但其使用成本很高。可换头铣刀相比于整体硬质合金槽铣刀节省了材料成本，降低了刀具涂层费用，模块化的设计让使用更灵活，精确的互换性节省了对刀时间。对比刀片式机夹槽铣刀，可换头铣刀在φ35加工范围内更具优势，可满足更多的切削刃及更精密复杂的形状要求，更符合机械加工厂对刀具的使用需求。可换头铣刀以模块化的思维，将刀头与刀杆通过接口结构和螺钉组合，可应用于各种形状的槽、倒角和螺纹的铣加工工序。

实际使用证明，铣刀的失效形式多为工件出现振纹。针对振纹问题，对可换头铣刀进行优化，采用错齿的设计方式降低刀具在切削时的振颤，提高其寿命及使用稳定性。D26铣刀直径适中，通过对HT-C系列的D26型号对称结构与错齿结构进行分析，运用有限元仿真技术对铣刀错齿设计的效果进行分析对比，得出错齿在刀具铣削时的振颤优化效果，从而提高铣刀在加工中的安全性与稳定性。

2 工艺设计

根据铣内环槽等要求，可换头刀具能够按不同的加工要求更换刀头，采用螺纹中心孔连接，确保刀头更换的便利性和稳定性。图1为零件的正视图及左视图。

图1 零件的正视及左视图

目前D26型号采用如图2所示的加工模式进行内环槽铣削加工。为了减小刀具在切削时产生的振动，根据提升刀具寿命的要求对刀头刃型采用错齿设计，从而在保证工件加工的精确性及配合刀具装夹条件不变的前提下提高刀具寿命。

图2 刀具铣削加工模型

根据加工工艺经验，为保证刃磨时不发生干涉现象，将错齿齿形调整为35°与45°(见图3a)，以保证切削时槽型不受影响，减小后续错齿切削时的加工余量。

切削力计算公式为

F=kcapf(N)

单位面积上承受的切削力为

切削净功率为

式中，ap为切削深度(mm)；f为每转进给量(mm/r)；kcl为前角γ0=0°、切削厚度hm=1mm、切削面积为1mm2时的切削力(N/mm2)；Vc为切削速度(mm/min)；mc为切削厚度指数，表示切削厚度对切削力影响的程度，mc越大，表示切削厚度的变化对切削力的影响越大；反之，则越小。

3 仿真验证

采用ThirdWave AdvantEdge FEM软件对刀具进行仿真实验，模拟实际切削情况，对比错齿结构与对称结构在切削时的切削力分布情况。设定刀具材料为Carbude-Grade-K，选用0.002mm厚度的TiN涂层。工件材料为AISI-52100，刀具直径为26mm，内径为5mm，错齿角度为35°和45°，对称角度为45°。

(a)错齿结构

第一次实验设定切削深度为2mm，每齿进给量为0.3mm/z，主轴转速3000r/min，初始温度20℃。

从图4和图5可以看出，错齿结构的整体受力比对称结构大幅降低，证明错齿结构确实能改善该类型铣刀的切削受力情况从而达到延长刀具寿命的作用，为进一步探究切削情况的改善情况，对两种结构的铣刀进行第二次实验。

图4 对称结构的切削力分布

图5 错齿结构的切削力分布

第二次实验按实际应用，设定切削深度为2mm，每齿进给量为0.15mm/z，主轴转速为3000r/min，初始温度为20℃。将涂层材料换为AlCrN。

针对实际切削情况，重点观察刀具Z轴的受力情况(见图6和图7)，根据受力情况分析刀具切削时的振动。对比可以看出，相较于对称结构，错齿结构整体受力降低，最大受力降低12.24%，最小受力降低15.24%；对称结构的受力为7876.71N，错齿结构的受力为6533.78N；错齿结构的整体振动幅度相较于对称结构优化了17.05%。

图6 对称刀头结构的Z轴受力

图7 错齿刀头结构的Z轴受力

通过对比两种结构刀头在加工时的压力分布(见图8和图9)可以看出，在相同时间内，错齿结构应力分布在最大值上无明显变化，但整体上错齿结构的应力分布得到明显改善，第一个峰值后，错齿结构相较于对称结构有明显优势，峰值下降10%～35%。

图8 对称结构刀头的压力分布

图9 错齿结构刀头的压力分布

4 实际使用效果

根据现场实际使用数据，在同样的加工设备参数条件下，错齿结构的硬质合金刀具相对之前的对称硬质合金刀具，实际寿命从600件/z提升到了800件/z。因此，整个车间也升级替换为错齿结构刀头，在实际使用中，错齿结构刀具给整体加工工艺带来了寿命的提升。

加工一定数量成品后，对比两种结构的加工成品件(见图10)发现，错齿结构刀头相较于对称结构刀头表现更加稳定。

图10 实际加工成品效果对比

5 结语

利用ThirdWave AdvantEdge FEM软件对刀具进行仿真实验，对比错齿结构与对称结构在切削时的切削力分布发现，相对于对称结构的刀具，错齿结构刀具在加工时切削应力分布(在频率、峰值等指标方面)明显被改善。在加工中，错齿结构的硬质合金刀具实际使用寿命提升了33%，并且加工时对铁屑排除也有所改善，工件的加工表面无微观振纹，光洁度优于对称结构刀具加工工件。