隨著重大技術(shù)裝備向大型、大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展，大件及超大件機(jī)械加工的工作量越來越大。而在大件加工中，平面銑削加工又占切削加工工作量的 60%以上。在我國，重點(diǎn)工程建設(shè)中大型設(shè)備制造的任務(wù)很重，迫切需要高效率的重型端銑刀來滿足平面加工的要求。但是，我國重型機(jī)械加工刀具技術(shù)與國外相 比要落后20～25年，生產(chǎn)效率只有國外同類先進(jìn)企業(yè)的1/5～1/10。如國外早已出現(xiàn)了重型端銑刀，原蘇聯(lián)有直徑2.25m的端銑刀，德國、美國和日 本等國直徑2m以上的重型端銑刀都為提高銑削效率發(fā)揮了很大作用。
　　為了縮短在重型機(jī)械、重電工、重化工等大型機(jī)械制造中與世界先進(jìn)國家的差距，結(jié)合我國重型機(jī)械毛坯制造余量過大(80～200mm)和表面凹凸不均的現(xiàn) 狀，很有必要對重型端銑刀的研究加大力度。為此，我們對重型端銑刀進(jìn)行了多年的研究，并以自由切削理論為基礎(chǔ)創(chuàng)造性地研制出了一種強(qiáng)力端銑刀。它靠不同主 偏角和刀尖位置的組合，形成階梯和特殊切削層，除末階刀齒外，其余刀齒均屬自由切削。故稱這種銑刀為自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀。
　　基本原理
　　由于重型機(jī)械鑄、鍛件毛坯表層對刀具耐用度、銑削力和銑削溫度影響很大。所以，如何保護(hù)銑削工件表層刀齒的刀尖和增大切削刃的工作長度，成為研制自階梯強(qiáng) 力端銑刀的指導(dǎo)思想。保護(hù)刀尖最好的辦法是只讓主切削刃參加切削而刀尖不參與切削。故自由切削成為自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀設(shè)計(jì)時(shí)要滿足的基本要點(diǎn)。
　　自由切削與非自由切削
　　刀具在切削過程中，只有一條直線切削刃參加切削的切削方式稱為自由切削(見圖1)。如果刀具上的切削刃為曲線，或有幾條切削刃都參加切削，并同時(shí)完成整個(gè) 切削過程，則為非自由切削(見圖2)。后者和前者相比，不僅金屬變形復(fù)雜，而且刀尖很容易磨損或破損。試驗(yàn)研究表明：在同等切削條件下，自由切削的切削溫 度和切削力分別比非自由切削時(shí)低50%和30%以上，自由切削刀具耐用度比非自由切削提高20%以上。因此，我們著手研究將自由切削理論用于階梯端銑刀 上。
　　銑削圖形與自由切削及階梯的形成
　　銑削圖形是銑削加工中的切削圖形。它是整個(gè)被切除的金屬層在基面上被切削刃逐漸分割的圖形，即切削層形狀的總和。銑削圖形能說明切削刃從工件上切除金屬層 的順序與切削的連續(xù)性，并能反映各段切削刃工作的位置、切削負(fù)荷分配、切削條件、加工表面形成過程、分屑與斷屑效果等。所以設(shè)計(jì)最佳銑削圖形是銑刀設(shè)計(jì)的 關(guān)鍵。
　　刀尖等高、不等直徑階梯端銑刀銑削圖形的設(shè)計(jì)。
　　 圖3是普通“輪切式”端銑刀的銑削圖形，兩個(gè)刀齒的銑削面積相等，可以加大進(jìn)給量和減少第1刀齒刀尖的負(fù)荷，但不適合更大的背吃切量。
　　 圖3a是第2個(gè)刀齒的主偏角Kr2a等于90°時(shí)的銑削圖形，則第1階刀齒的主偏角可由式(1)計(jì)算： (1)
　　 圖3b是第2個(gè)刀齒的主偏角Kr2b小于90°時(shí)的銑削圖形，則第1階刀齒的主偏角可由式(2)計(jì)算： (2)
　　圖4所示的銑削圖形與圖3相比，可以有更大的背吃刀量。
　　當(dāng)?shù)都獍霃讲瞀小于每組進(jìn)給量afz時(shí)(圖4a)，為了得到銑削面積相等的最佳銑削圖形，在第1階刀齒主偏角Kr1a已知的條件下，第2階刀齒的主偏角Kr2a可由式(3)求得： (3)
　　當(dāng)?shù)都獍霃讲瞀大于每組進(jìn)給量afz時(shí)(圖4b)，為了得到銑削面積相等的最佳銑削圖形，在第1階刀齒主偏角Kr1b已知的條件下，第2階刀齒的主偏角Kr2b可由式(4)求得： (4)
　　式中Δ--加工余量；
　　N--加工余量的等分?jǐn)?shù)。
　　同理，當(dāng)?shù)?階刀齒的主偏角已知時(shí)，為了得到最佳銑削圖形仍可通過計(jì)算來修正第1階刀齒的主偏角。由圖4可知，第1階刀齒的刀尖只在已加工表面上參加了微 量切削，其附近切削刃沒有參加切削。從整條切削刃工作位置來看已近似于自由切削，同時(shí)形成了階梯和不同于普通階梯端銑刀的銑削圖形，所以把這種準(zhǔn)自由切削 的端銑刀命名為刀尖等高不等直徑的自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀。
　　刀尖等直徑不等高階梯端銑刀銑削圖形設(shè)計(jì)
　　 圖5是刀尖等直徑不等高3階梯層剝強(qiáng)力端銑刀N=5時(shí)的銑削圖形。為了保護(hù)刀尖，刀尖不應(yīng)在臺階處；為了便于測量和調(diào)整，把第1階刀齒的刀尖置于第2、第 3階刀齒刀尖同一直徑。這使第1階刀齒徹底實(shí)現(xiàn)了自由切削，所以把這種端銑刀命名為刀尖等直徑不等高的自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀。任意階刀齒的主偏角Krn和 相鄰兩刀尖高度差
　　式中Krn為第n階刀齒的主偏角，Kr(n-1)為第(n-1)階刀齒的主偏角。
　　綜上所述，自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀與普通階梯端銑刀相比，切削圖形已不是平行四邊形組成圖2那樣的樓梯狀，而成折線連接，如圖6所示。不同組刀齒切削刃工作的位置與銑削圖形完全一致。
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其特點(diǎn)
　　為了適應(yīng)較大背吃刀量和進(jìn)給量以及適應(yīng)毛坯質(zhì)量差等惡劣的切削條件，自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和普通階梯端銑刀的相同點(diǎn)是：具有較大的容屑空間，排 屑性能良好，剛性和強(qiáng)度較高，幾何參數(shù)有利于承受較大的沖擊負(fù)荷。不同點(diǎn)是：刀盤上安裝小刀桿的槽深徑向尺寸一致，這點(diǎn)與非階梯強(qiáng)力端銑刀相同。
　　可見，自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀的刀盤通用性好。即在刀盤上多裝主偏角相同的刀齒，就成密齒端銑刀，少裝就成普通強(qiáng)力端銑刀；安裝不同主偏角和刀尖位置的刀齒，就成自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀。
　　另外，刀齒結(jié)構(gòu)分可轉(zhuǎn)位式、焊接積木式、可轉(zhuǎn)位積木式和整體焊接式。前三者，當(dāng)?shù)洱X刀刃達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，刀片或積木式刀塊可互換，使所有刀片的整條切削刃都能得到充分利用，提高了經(jīng)濟(jì)性。
　　結(jié)論
　　自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀與普通階梯端銑刀的本質(zhì)區(qū)別在于：前者除末階刀齒外，其余刀齒均屬自由切削；而后者所有刀齒均屬非自由切削。前者切削層不是后者那樣 的理論平行四邊形；前者在正常工作時(shí)，上一階刀齒切削前，其切削層被下階刀齒提前切除了部分金屬；而后者第1、2、……階刀齒依次切除其被切削的金屬層。
　　自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀各階刀齒切削刃工作位置不同，散熱條件和受力點(diǎn)也不相同。第1階刀齒切表面金屬，工作條件雖差，但其主偏角最小，能改善散熱條件。同 時(shí)切削刃工作位置又遠(yuǎn)離刀尖，切削力和切削熱對刀尖影響甚微。受力點(diǎn)遠(yuǎn)離刀尖能提高刀齒的剛性。所以自階梯強(qiáng)力端銑刀適合大余量、不均勻鑄、鍛件的高效銑 削加工。
　　自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀刀盤的工藝性和通用性好，故成本較低。刀片或積木式刀塊用到一定程度可互換，使整段切削刃能得到充分利用。
　　最佳銑削圖形是設(shè)計(jì)自階梯層剝強(qiáng)力端銑刀的關(guān)鍵。根據(jù)各階刀齒切削面積大體相等的原則，推導(dǎo)的刀尖高度差及主偏角的公式是合理的。