木材高速螺旋式玉米銑刀結構如圖1所示，該玉米銑刀主要由刀身、刀片、刀座和碟形彈簧組成。其中刀尖處直徑在φ160～240mm之間，本刀具取φ200mm，刀身圓周面上沿周向均勻分布有2~6排等寬螺旋階梯槽，本刀具取3排，形成的螺旋角為5°～15°，考慮到相同螺旋槽內相鄰刀具的間隙可能在木材上留下刀痕，因此將相鄰螺旋槽在刀身軸向上錯開分布。刀片數量過少會使切削力過大，而刀片數量過多又會增加加工難度，因此在該玉米銑刀每排螺旋槽沿軸向上均布6～10個刀片槽，本刀具取6片。刀片通過刀片座固定在刀身的刀片槽內，刀片前角一般在20°～-26°之間，后角在9°～13°之間，考慮到切削力和切削溫度等因素的影響，對刀片的前角和后角分別取優化值24°和11°［7－9］，刀片座的底部與刀身的刀片槽之間安裝蝶形彈簧。每一個刀片都相當於一個「玉米粒」，刀體轉動時成螺旋狀分布的刀片便隨著刀體轉動，從而達到逐步、均勻地切削木材的目的。

圖1 玉米銑刀結構圖

Fig.1 Corn milling cutter structure

1.刀身；2.刀具；3.碟形彈簧；4.刀座；5.刀片

1.Cutter body；2.Tool group；3.Disk spring；4.Tool holder；5.Cutter tool

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該玉米銑刀有以下特點：

刀尖處直徑在φ160～240mm之間，可實現高線速度切削；

在刀身上加工階梯狀的刀片槽，可實現刀片逐刃切削，切削時可減小刀片的切削力，提高玉米銑刀的切削精度；

刀具採用刀座和刀片組合結構，便於刀片的拆裝；

刀座下方安裝有碟形彈簧，其在刀座螺釘鬆動的情況下可將刀片托起，起到調節高度的作用，可彌補刀片的磨損，提高刀具材料的利用率。

玉米銑刀的優化

在進行設計時將刀身掏空以減輕質量；減小刀片和刀座體積，增加刀片數量，以進一步減小切削力，同時也使切削更加平穩；另外還將端蓋軸與刀身採用組合式連接，以便於拆裝。優化後的玉米銑刀如圖3所示，其主要包括刀身、刀具、配重拉杆和配重端蓋。

圖3 優化後的玉米銑刀

Fig.3 Corn milling cutter after optimization

1.刀身；2.刀具；3.配重拉杆；4.配重端蓋

1.Cutter body；2.Tool group；3.Counterweight rod；4.Counterweight cover

優化設計後的玉米銑刀與初步設計玉米銑刀的不同之處有：刀身內部採用中空結構，以降低玉米銑刀的質量，同時增加配重端蓋，在該配重端蓋上裝有2～4個配重拉杆，以提高玉米銑刀的整體剛度。刀片通過螺釘固定在刀架上，鬆開螺釘即可以調節刀片的上下位置，在需要刃磨時也可以直接將刀片拆下；刀架通過螺釘固定在刀身的階梯槽中，刀架下方壓有刀座，刀座上方支撐著刀片，下方安裝有處於壓縮狀態的碟形彈簧，彈簧在調節螺釘鬆開的情況下可以托起刀座和刀片，實現刀片的上調（上調範圍2～5mm），以彌補刀具切削過程的磨損。為防止同排刀片之間存在間隙，無法保證此處所加工產品的粗糙度等級，刀片槽採用了8、9、8、9的插空排列，以填補前排切削的空隙。

在Solid edge中重新輸入玉米銑刀各部分的材料，計算得到優化後的玉米銑刀總質量為43.5kg。

對優化後的玉米銑刀重新計算切削力，切削寬度b由85mm改為50mm，採用式（1）計算可以得到橫向切削的切削力為988.86N，端向切削的切削力為509.3N。可見優化後的玉米銑刀所受的切削力已經減少到原來的二分之一以下。切削力最大的工況依然是橫向切削力988.86N，將此結果載入在計算模型上，經整理得到各工況的計算結果見表3，安全係數計算方法同表2。

優化後玉米銑刀的應力計算結果

Table 3 The corn milling cutter stress analysis results after optimization

從表可以看出，刀身受切削力的影響依然很小，刀片所受應力與表2相比增加了2～3倍，最大應力值達到了41.21MPa，但仍能滿足強度要求，而且安全係數也下降到原來的二分之一，在33～70之間。

結論：

（1）設計的玉米銑刀形似「玉米」，其刀尖處直徑在φ160～240mm之間，刀身沿周向均布有2～6排螺旋式階梯槽，其內部為中空結構，在軸向上，相鄰螺旋槽錯開分布，形成的螺旋角為5°～15°，沿刀身旋轉軸方向，各螺旋槽上均布有6～10個刀片槽。

（2）刀具採用組合結構，刀片前角一般在20°～26°之間，后角在9°～13°之間，刀具下安裝有可調高的碟形彈簧，其調節範圍為2～5mm，用於實現刀片磨損的補償。

（3）優化前的刀具質量105kg，刀身和刀片安全係數分別達到了400和300；優化後刀具質量降至43.5kg，安全係數降到33～70之間，滿足強度要求。另外刀身螺旋槽由3排增加到4排，刀片數量由每排6片優化為兩排8片和兩排9片，刀寬也由85mm降為50mm，切削力顯著降低。

來源：木材高速螺旋式玉米銑刀的設計與優化

作者：李先林，陳蕾，王笑玉，趙劉理達，柯清禪，徐道春

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