1. 序言

在大型机械零件加工中，为了提高生产效率，常采用大直径刀具，一次性完成工件表面的加工。某用户在加工一大型零件时， 要求采用D920mm×60mm大规格槽铣刀，一次性完成工件相关槽面的加工，如图1、图2所示。用户根据其专用机床功率、刀具装夹情况等，要求所设计加工的D920mm×60mm槽铣刀，成品总质量不超过180kg。若按一般减轻刀体质量的设计方法，很难达到用户要求。笔者优化相关设计参数，采用轮毂型减重孔排列，进行减重设计，减重效果好，满足了用户要求。

图1　刀具在机床上的安装

图2　工件加工槽形

2. 刀具结构设计

用户工件毛坯为铸造件，材料HT250。工件毛坯槽形面单边铣削余量2.5mm，工件槽形尺寸K=（60±0.15）mm， L=360mm，H=12mm。虽然工件毛坯槽形面铣削余量不大，但由于要保证槽形宽度等相关尺寸，要求槽铣刀的直径及宽度等外形尺寸较大，导致刀具质量较大。经过测算，按正常步骤，完成刀体槽形及安装孔等加工后，在刀体槽上装配相关零件，最终该大规格槽铣刀成品质量约为288kg，超过用户对该槽铣刀质量的要求，因此必须进行刀体减重设计。

综合考虑用户要求，该大型槽铣刀的刀片端面伸出量可调节，刀具排屑流畅，切削轻快，本次所设计的D920mm×60mm大型槽铣刀的槽形结构及安装孔结构尺寸如图3、图4所示。根据图2工件槽形可知，主要加工上下两侧面，因此，左、右槽形分别设计带+5°刃倾角，使切削锋利。选用平行四边形刀片，有效边长设计为15.5mm×16mm，且带2°侧隙角，主要切削工件槽形底部H=12mm的底面。刀片后边的调整块用于调节刀片端面伸出量。考虑到提高切削效率等因素，刀具总齿数设计为Z=60，其中，左、右齿槽数各30，均匀分布。

图3　刀具槽形

图4　安装孔结构

成品刀具上所装刀片、压块等零件为公司内部标准件，其质量已知。按刀具总齿数Z=60计算， 成品刀盘上所装各零件质量如下。刀片总质量为60×0.011=0.66（k g），双头螺钉总质量为60×2×0.008=0.96（kg），压块总质量为60×2×0.009=1.08（kg），调整块总质量为60×0.007=0.42（kg），成品刀盘上所装零件总质量合计0.66+0.96+1.08+0.42=3.12（kg），按刀盘成品质量不超过180kg，则刀体质量不超过180－3.12=176.88（kg）。

3. 调整设计刀体减重孔结构及参数

根据所设计刀体槽形及安装孔等参数，利用Solidworks绘制出刀体立体图，再利用Solidworks软件的质量查询功能，可方便得到刀体质量。

1）刀体材料为合金结构钢40Cr，其密度取0.785×10^-5kg/mm³，不带减重设计时，经过质量查询刀体质量为284.3kg，如图5所示。

图5　不带减重设计时刀体质量

2）若采用普通的减重设计方法，即在刀体上钻减重孔，同时应保证刀体强度（对于φ 800～φ1000mm的大刀盘，一般相邻孔壁距离应＞90mm）。

本次选取减重孔直径50mm，考虑保证刀体强度的同时， 按圆周均布两排孔进行减重设计。利用Solidworks软件，经过质量查询刀体质量为262.3kg，如图6所示。

图6　带减重孔进行减重设计时刀体的质量

3）综合考虑工件毛坯槽形切削余量、用户机床功率及用户对刀体质量的要求等因素，采用轮毂型排列减重孔的设计方法，即在刀体上沿圆周方向均布排列设计轮毂型减重孔，同时应保证刀体强度（对于φ800～φ1000mm的大刀盘，一般相邻减重孔壁厚H＞100mm）。考虑保证刀体强度的同时，沿圆周均布排列进行轮毂型减重孔设计。减重孔槽形设计相关尺寸如图7所示。按轮毂型排列减重孔加工好的刀体半成品如图8所示。利用Solidworks软件，经过质量查询刀体质量为175.89kg，如图9所示。

图7　轮毂型排列时减重孔结构尺寸

图8　按轮毂型排列减重孔设计加工的刀体半成品

图9　按轮毂型排列减重孔设计的刀体质量分析

刀盘上所装零件质量合计3.12kg，按轮毂型排列减重孔设计后的刀体质量为175.89kg，最终成品刀盘总质量为175.89+3.12=179.01（kg），满足了用户对刀盘总质量不超过180kg的要求。

4. 刀盘的实际应用

用户机床为大型龙门铣床，工件沿长度方向安装在龙门铣床工作台上，如图10所示。将所设计的带轮毂型减重孔的铣刀盘，通过专用铣刀杆安装在龙门铣床主轴上，用户材料为HT250，毛坯为铸造件。使用硬质合金刀片，按YG8选用，采用干式铣削。主轴转速为60r/min，龙门铣床工作台进给速度为200mm/min，所加工工件的槽深为360mm。实际切削效果满足用户要求，刀盘质量减轻后既方便了安装使用，也提高了生产效率。

图10　带轮毂型排列减重孔的铣刀盘铣削加工

5. 结束语

对于大规格的铣刀盘，采用轮毂型减重孔排列进行减重结构设计，可有效减轻刀体质量，特别是当用户机床电动机功率有限时，很方便用户机床安装使用。利用Solidworks等立体绘图软件的参数驱动设计功能及质量等属性查询功能，可方便进行几种方案参数的比较优化设计，从而满足用户对刀盘总体质量的要求。本文大规格铣刀体轮毂型排列减重孔设计方法，可为同类其他大规格刀具减轻质量设计时提供借鉴。