● 摘要
硬质合金立铣刀类型丰富，性能出众，广泛应用于各种加工场合。但是其结构复杂，设计困难，严重制约了立铣刀的快速开发，难以满足钛合金等难加工材料不断提高的切削需求。本文分析了整体硬质合金立铣刀的数学模型，建立了以有限元仿真优化刀具几何参数的立铣刀结构设计方法，并通过铣削实验证实了该方法的有效性。主要研究内容包括以下几个方面：
1）建立了基于切削刃和端截面轮廓的整体式立铣刀的数学模型，详细推导了平头、球头、圆角等三种类型立铣刀的圆周和底部切削刃曲线，建立了端截面轮廓的分段函数表达式，在此基础上确定了立铣刀结构设计的关键几何参数，包括：刀具齿数Z、芯部直径Dc、容屑槽直径d、端截面前角γ0、端截面第一后角αc1及螺旋角β。
2）选择有限元计算软件AdvantEdge和ANSYS对平头整体硬质合金立铣刀侧铣钛合金Ti6Al4V过程进行了仿真，分析了各关键几何参数对铣削力、刀具最高温度、刀具最高应力、刀具静强度和静刚度的影响，在此基础上优化了各几何参数的取值，并得到了相应的平头整体硬质合金立铣刀的三维模型及二维工程图。同时开发了四刃平头整体式立铣刀的参数化建模程序，提高了立铣刀结构设计的效率。
3）在相同铣削参数下，将几何参数优化后的平头整体硬质合金立铣刀与同类型进口立铣刀进行了刀具性能对比实验，通过分析铣削力的大小和波动、后刀面磨损量、加工表面粗糙度和显微硬度、铣削时的切屑形态，证明所设计的平头整体硬质合金立铣刀的切削性能达到了同类进口刀具的水平，甚至在刀具耐磨性、铣削力均衡分布方面有所超越，从而验证了基于有限元仿真优化立铣刀结构方法的可行性，为其他类似刀具的开发提供了有益的参考。
4）通过钛合金铣削实验探索了不同冷却方法对整体硬质合金立铣刀的刀具耐用度的影响。实验结果表明，与普通机床冷却方法相比，极压冷却方法能够促进铣削过程中热量的扩散，降低立铣刀的后刀面磨损量，显著增强立铣刀的刀具耐用度。