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1. 序言

在大型機械零件加工中，為了提高生產效率，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大規格槽銑刀，一次性完成工件相關槽面的加工，如圖1、圖2所示。用戶根據其專用機床功率、刀具裝夾情況等，要求所設計加工的D920mm×60mm槽銑刀，成品總質量不超過180kg。若按一般減輕刀體質量的設計方法，很難達到用戶要求。筆者優化相關設計參數，采用輪轂型減重孔排列，進行減重設計，減重效果好，滿足了用戶要求。

圖1　刀具在機床上的安裝

圖2　工件加工槽形

2. 刀具結構設計

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尺寸，要求槽銑刀的直徑及寬度等外形尺寸較大，導致刀具質量較大。經過測算，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零件，最終該大規格槽銑刀成品質量約為288kg，超過用戶對該槽銑刀質量的要求，因此必須進行刀體減重設計。

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

圖3　刀具槽形

圖4　安裝孔結構

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

3. 調整設計刀體減重孔結構及參數

根據所設計刀體槽形及安裝孔等參數，利用Solidworks繪制出刀體立體圖，再利用Solidworks軟件的質量查詢功能，可方便得到刀體質量。

1）刀體材料為合金結構鋼40Cr，其密度取0.785×10^-5kg/mm³，不帶減重設計時，經過質量查詢刀體質量為284.3kg，如圖5所示。

圖5　不帶減重設計時刀體質量

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

本次選取減重孔直徑50mm，考慮保證刀體強度的同時， 按圓周均布兩排孔進行減重設計。利用Solidworks軟件，經過質量查詢刀體質量為262.3kg，如圖6所示。

圖6　帶減重孔進行減重設計時刀體的質量

3）綜合考慮工件毛坯槽形切削余量、用戶機床功率及用戶對刀體質量的要求等因素，采用輪轂型排列減重孔的設計方法，即在刀體上沿圓周方向均布排列設計輪轂型減重孔，同時應保證刀體強度（對于φ800～φ1000mm的大刀盤，一般相鄰減重孔壁厚H＞100mm）。考慮保證刀體強度的同時，沿圓周均布排列進行輪轂型減重孔設計。減重孔槽形設計相關尺寸如圖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，經過質量查詢刀體質量為175.89kg，如圖9所示。

圖7　輪轂型排列時減重孔結構尺寸

圖8　按輪轂型排列減重孔設計加工的刀體半成品

圖9　按輪轂型排列減重孔設計的刀體質量分析

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

4. 刀盤的實際應用

用戶機床為大型龍門銑床，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。使用硬質合金刀片，按YG8選用，采用干式銑削。主軸轉速為60r/min，龍門銑床工作臺進給速度為200mm/min，所加工工件的槽深為360mm。實際切削效果滿足用戶要求，刀盤質量減輕后既方便了安裝使用，也提高了生產效率。

圖10　帶輪轂型排列減重孔的銑刀盤銑削加工

5. 結束語

對于大規格的銑刀盤，采用輪轂型減重孔排列進行減重結構設計，可有效減輕刀體質量，特別是當用戶機床電動機功率有限時，很方便用戶機床安裝使用。利用Solidworks等立體繪圖軟件的參數驅動設計功能及質量等屬性查詢功能，可方便進行幾種方案參數的比較優化設計，從而滿足用戶對刀盤總體質量的要求。本文大規格銑刀體輪轂型排列減重孔設計方法，可為同類其他大規格刀具減輕質量設計時提供借鑒。