波形刃立铣刀具有波浪型的切削刃，各个切削刃的波形延刀具轴线方向相互错开。错开长度为波长除以切削刃数。进行铣削时各个波峰依次参加切削，形成横截面为月牙形的切屑。这样就减小了切削宽度，增大了切削厚度，切屑窄而厚，减小了切屑变形量［1］，并使切削刃能够深入到工件表面硬化层以下，以减小切削力，延长刀具使用寿命。这种方式适合于切削量较大的粗加工工序，尤其在铣削表面粗糙的工件毛坯表面时显示出其优越性。
波形刃铣刀分为前波形刃立铣刀和后波形刃立铣刀两种。前波形刃立铣刀的前刀面为波形面、后刀面为普片螺旋面，是在普通立铣刀的基础上，用专用的夹具或者数控程序将前刀面加工成波浪形螺旋面，并与后刀面相交形成波浪形的切削刃。这种铣刀需重磨后刀面;后波形刃铣刀的前刀面为普通螺旋面，是在普通立铣刀的基础上，使用成型砂轮对后刀面进行铲磨，形成波浪起伏的后刀面，并与前刀面相交形成波浪形切削刃。这种铣刀与铲齿铣刀一样需重磨前刀面。根据哈工大薄化川教授的研究，后波形刃立铣刀的分屑效果最好，切削力比玉米铣刀和普通铣刀小。前波形刃立铣刀由于切削刃全部参加切削，切削刃长、切削厚度小、切削力大，且无分屑作用。但当切削厚度较大时切屑会在卷曲过程中发生断裂，间接达到分屑效果。其优点是加工表面粗糙度小，适用于余量较大的精铣［2］。后刀面波形刃立铣刀制造方便，不需要复杂的机床联动机构，刃形清晰。当需要不同形式的刃口曲线时仅需要更换不同的成型砂轮即可，具有较大的灵活性。刀具使用磨损后，直接修磨前刀面即可，不影响刃口曲线。所以目前常见的波形刃铣刀以后刀面波形为主。本文讨论的是后刀面波形刃铣刀所用的成型砂轮设计。
使用五轴数控工具磨床加工整体硬质合金波形刃立铣刀的主要磨削步骤是:①螺旋沟开槽磨削;②圆周刃后刀面铲磨形成波浪形切削刃;③端齿后角磨削;④端齿前角磨削。其中开槽、端齿后角及端齿前角磨削与普通立铣刀无异，不同之处在于后波形刃的铲磨加工，铲磨时砂轮轴线与刀具轴线平行。砂轮沿刀具径向匀速进给的同时刀具绕自身轴线匀速转动，形成阿基米德螺旋线后角。后角的大小可以用铲磨降量来表示，也可以用螺旋线的切线与半径的夹角表示。每铲磨一次就完成一个波形的加工，砂轮沿着切削刃从刀具端部向柄部方向逐个波形铲磨直至达到设定的刃长。
一般来说波形刃立铣刀的刃口曲线应该是正弦曲线，但是为了制造方便常常使用几段相切的圆弧来近似代替。为了延长成型砂轮的使用寿命，减少因砂轮廓型磨损对刀具刃口曲线的影响，常将砂轮做成两个波峰。一个波峰在前，用于粗磨去量;一个在后，用于对刃口曲线进行修整。由于在后的砂轮波峰磨削余量小，所以能在较长时间内保持正确的形状。当在前的砂轮波峰磨损后仍能保持刀具刃口的形状。砂轮形状如图1 所示。
图1
图1 中的砂轮的前后两个波形等高，当波形刃铣刀的螺旋角为0°时，用这样的砂轮来加工不会出现问题。但是当波形刃铣刀的螺旋角不为0°时，就会出现波形错乱的现象，且螺旋角越大，波形错乱就越严重。这是因为在进行铲磨后刀面的时候由于螺旋角的关系导致砂轮前面的一个凸起过量磨削导致的。如图1 所示，DF 表示波形刃立铣刀的一个切削刃，∠FDE 为其螺旋角，砂轮的后侧凸起用来精磨D 点的波谷。同时砂轮的前侧凸起从G 点开始对下一个波谷进行粗磨去量。D 点的磨削路径为DE，G 点的磨削路径为GF，均与曲线AB 对应。AB 为螺旋线，相对于铣刀圆周AC 有一个降量BC。当砂轮后侧凸起从D 点移动到E 点(也就是从A 点移动到B 点)时，砂轮的前侧凸起也从G 点移动到了F 点(也就是B 点)。B 点所处的径向位置对于E 点是合适的。但是对于F 点却是过切的情况，因为F 点是切削刃上的一点，它的径向位置应该是在C 点处。正是过切量BC 导致了铣刀刃口波形的错乱。因为砂轮的移动路径以及砂轮的方向是确定的，为了消除过切就只能对砂轮前侧凸起进行修正，也就是降低前侧的凸起高度，降低值等于BC 即可。因为曲线AB 和圆弧AC 与铣刀直径相比都很短，所以将其近似视作直线，且AC ⊥BC，设∠CAB 为α，∠FDE 为β。DG 实际上就是波形刃的波长，记作p，则有DE=EF/tanβ=p/tanβ。因为DE 和AB 是同一路径在不同视图的表示形式，所以AB=DE，则BC=AB×sinα=DE×sinα=p/(tanβ×sinα)。可以看出，过切量与p 值成正比，也可以理解为距离D点越远过切量越大，所以对砂轮进行修正时轮廓曲线上的每一点都要修正。且距离后侧凸起顶点越远修正值越大，往砂轮前侧降低凸起高度、往后侧增加高度。修正后的砂轮轮廓曲线如图2 所示。图2 中曲线A 为修正前的砂轮轮廓曲线，直线C 的斜率为1/(tanβ×sinα)，曲线B 为修正后的砂轮轮廓曲线，曲线B 是曲线A 和直线C 叠加形成的，可以用作图的方法拟合，也可以用函数求出。
图2
以述波形刃立铣刀的刃口曲线为近似正弦曲线，实际应用中根据不同的使用场合以及不同工件材质，刃口曲线的波长、波峰高度等都有所变化。例如钢件、铝合金工件所用的波形刃立铣刀的波形就要大些，而对铸铁等脆性材料来说小波形更加合适［3］。有时为了降低加工表面粗糙度，可以将刀具波形做成平顶。无论具体什么样的波形，只要存在上文所述的过切现象，都可以用这种修正方式来消除。
图3 是用图2 中修正过的砂轮加工出了一把波形刃立铣刀，适用于加工钢材等长切屑类工件。经检测波形完整平滑，符合设计要求。
图3
袁剑
哈尔滨量具刃具集团有限公司
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