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1. 序言

在大型機(jī)械零件加工中，為了提高生產(chǎn)效率，常采用大直徑刀具，一次性完成工件表面的加工。某用戶在加工一大型零件時， 要求采用D920mm×60mm大規(guī)格槽銑刀，一次性完成工件相關(guān)槽面的加工，如圖1、圖2所示。用戶根據(jù)其專用機(jī)床功率、刀具裝夾情況等，要求所設(shè)計加工的D920mm×60mm槽銑刀，成品總質(zhì)量不超過180kg。若按一般減輕刀體質(zhì)量的設(shè)計方法，很難達(dá)到用戶要求。筆者優(yōu)化相關(guān)設(shè)計參數(shù)，采用輪轂型減重孔排列，進(jìn)行減重設(shè)計，減重效果好，滿足了用戶要求。

圖1　刀具在機(jī)床上的安裝

圖2　工件加工槽形

2. 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計

用戶工件毛坯為鑄造件，材料HT250。工件毛坯槽形面單邊銑削余量2.5mm，工件槽形尺寸K=（60±0.15）mm， L=360mm，H=12mm。雖然工件毛坯槽形面銑削余量不大，但由于要保證槽形寬度等相關(guān)尺寸，要求槽銑刀的直徑及寬度等外形尺寸較大，導(dǎo)致刀具質(zhì)量較大。經(jīng)過測算，按正常步驟，完成刀體槽形及安裝孔等加工后，在刀體槽上裝配相關(guān)零件，最終該大規(guī)格槽銑刀成品質(zhì)量約為288kg，超過用戶對該槽銑刀質(zhì)量的要求，因此必須進(jìn)行刀體減重設(shè)計。

綜合考慮用戶要求，該大型槽銑刀的刀片端面伸出量可調(diào)節(jié)，刀具排屑流暢，切削輕快，本次所設(shè)計的D920mm×60mm大型槽銑刀的槽形結(jié)構(gòu)及安裝孔結(jié)構(gòu)尺寸如圖3、圖4所示。根據(jù)圖2工件槽形可知，主要加工上下兩側(cè)面，因此，左、右槽形分別設(shè)計帶+5°刃傾角，使切削鋒利。選用平行四邊形刀片，有效邊長設(shè)計為15.5mm×16mm，且?guī)?/span>2°側(cè)隙角，主要切削工件槽形底部H=12mm的底面。刀片后邊的調(diào)整塊用于調(diào)節(jié)刀片端面伸出量。考慮到提高切削效率等因素，刀具總齒數(shù)設(shè)計為Z=60，其中，左、右齒槽數(shù)各30，均勻分布。

圖3　刀具槽形

圖4　安裝孔結(jié)構(gòu)

成品刀具上所裝刀片、壓塊等零件為公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)件，其質(zhì)量已知。按刀具總齒數(shù)Z=60計算， 成品刀盤上所裝各零件質(zhì)量如下。刀片總質(zhì)量為60×0.011=0.66（k g），雙頭螺釘總質(zhì)量為60×2×0.008=0.96（kg），壓塊總質(zhì)量為60×2×0.009=1.08（kg），調(diào)整塊總質(zhì)量為60×0.007=0.42（kg），成品刀盤上所裝零件總質(zhì)量合計0.66+0.96+1.08+0.42=3.12（kg），按刀盤成品質(zhì)量不超過180kg，則刀體質(zhì)量不超過180－3.12=176.88（kg）。

3. 調(diào)整設(shè)計刀體減重孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)

根據(jù)所設(shè)計刀體槽形及安裝孔等參數(shù)，利用Solidworks繪制出刀體立體圖，再利用Solidworks軟件的質(zhì)量查詢功能，可方便得到刀體質(zhì)量。

1）刀體材料為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，其密度取0.785×10^-5kg/mm³，不帶減重設(shè)計時，經(jīng)過質(zhì)量查詢刀體質(zhì)量為284.3kg，如圖5所示。

圖5　不帶減重設(shè)計時刀體質(zhì)量

2）若采用普通的減重設(shè)計方法，即在刀體上鉆減重孔，同時應(yīng)保證刀體強(qiáng)度（對于φ 800～φ1000mm的大刀盤，一般相鄰孔壁距離應(yīng)＞90mm）。

本次選取減重孔直徑50mm，考慮保證刀體強(qiáng)度的同時， 按圓周均布兩排孔進(jìn)行減重設(shè)計。利用Solidworks軟件，經(jīng)過質(zhì)量查詢刀體質(zhì)量為262.3kg，如圖6所示。

圖6　帶減重孔進(jìn)行減重設(shè)計時刀體的質(zhì)量

3）綜合考慮工件毛坯槽形切削余量、用戶機(jī)床功率及用戶對刀體質(zhì)量的要求等因素，采用輪轂型排列減重孔的設(shè)計方法，即在刀體上沿圓周方向均布排列設(shè)計輪轂型減重孔，同時應(yīng)保證刀體強(qiáng)度（對于φ800～φ1000mm的大刀盤，一般相鄰減重孔壁厚H＞100mm）?？紤]保證刀體強(qiáng)度的同時，沿圓周均布排列進(jìn)行輪轂型減重孔設(shè)計。減重孔槽形設(shè)計相關(guān)尺寸如圖7所示。按輪轂型排列減重孔加工好的刀體半成品如圖8所示。利用Solidworks軟件，經(jīng)過質(zhì)量查詢刀體質(zhì)量為175.89kg，如圖9所示。

圖7　輪轂型排列時減重孔結(jié)構(gòu)尺寸

圖8　按輪轂型排列減重孔設(shè)計加工的刀體半成品

圖9　按輪轂型排列減重孔設(shè)計的刀體質(zhì)量分析

刀盤上所裝零件質(zhì)量合計3.12kg，按輪轂型排列減重孔設(shè)計后的刀體質(zhì)量為175.89kg，最終成品刀盤總質(zhì)量為175.89+3.12=179.01（kg），滿足了用戶對刀盤總質(zhì)量不超過180kg的要求。

4. 刀盤的實際應(yīng)用

用戶機(jī)床為大型龍門銑床，工件沿長度方向安裝在龍門銑床工作臺上，如圖10所示。將所設(shè)計的帶輪轂型減重孔的銑刀盤，通過專用銑刀桿安裝在龍門銑床主軸上，用戶材料為HT250，毛坯為鑄造件。使用硬質(zhì)合金刀片，按YG8選用，采用干式銑削。主軸轉(zhuǎn)速為60r/min，龍門銑床工作臺進(jìn)給速度為200mm/min，所加工工件的槽深為360mm。實際切削效果滿足用戶要求，刀盤質(zhì)量減輕后既方便了安裝使用，也提高了生產(chǎn)效率。

圖10　帶輪轂型排列減重孔的銑刀盤銑削加工

5. 結(jié)束語

對于大規(guī)格的銑刀盤，采用輪轂型減重孔排列進(jìn)行減重結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效減輕刀體質(zhì)量，特別是當(dāng)用戶機(jī)床電動機(jī)功率有限時，很方便用戶機(jī)床安裝使用。利用Solidworks等立體繪圖軟件的參數(shù)驅(qū)動設(shè)計功能及質(zhì)量等屬性查詢功能，可方便進(jìn)行幾種方案參數(shù)的比較優(yōu)化設(shè)計，從而滿足用戶對刀盤總體質(zhì)量的要求。本文大規(guī)格銑刀體輪轂型排列減重孔設(shè)計方法，可為同類其他大規(guī)格刀具減輕質(zhì)量設(shè)計時提供借鑒。