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

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。

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。

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

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。

                                        图1 渐变螺旋立铣刀结构

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：

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：

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

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：

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：

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：

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

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：

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

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。

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。

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

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。

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。

                                                                                              图2 实验现场准备 

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

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。

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。

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。

                                                       图3 渐变螺旋立铣刀螺旋角精度检验结果

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

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。

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。

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。

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。

                                                               图4 粗糙度检验结果

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

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。