球头刀（见图1）作为铣刀中的重要类型，在三维曲面加工、模具制造及精密零件铣削中具有不可替代的作用，其半球形刀头能实现复杂轮廓的高效精加工，尤其适用于航空航天和汽车行业的自由曲面加工。然而，球头刀也存在切削阻力大、易磨损、加工效率低于平底刀等痛点，且刀尖中心线速度为零，导致切削条件恶化，常需通过优化切削参数或采用涂层刀具来延长寿命。合理运用球头刀需平衡加工精度与效率，并针对材料特性选择适配的刀具几何参数。
图1 球头刀
目前，球头刀最常用的加工方式是三坐标行切法，即通过两坐标联动控制刀具沿YZ面截取的曲线逐段铣削曲面，每段加工后进给ΔX再加工相邻曲线，直至完成整个曲面。该方式的优势在于适用于复杂曲面（如模具型腔），能保持切削力连续变化，提高表面光洁度。但弊端明显：球头刀中心点切削速度为零，易产生切削瘤和磨损；加工效率低于五坐标端铣，且对平坦工件表面粗糙度较差。此外，刀具成本较高，需优化切削参数以延长寿命。
中走丝线切割加工技术是一种介于快走丝和慢走丝之间的电火花线切割工艺，采用镀锌黄铜丝（直径0.1-0.2mm）作为电极，通过高频脉冲放电腐蚀金属实现切割。其走丝速度（6-12m/s）高于慢走丝但低于快走丝，兼具一定加工精度（±0.003mm）和较高效率。该技术支持多次切割，首刀高速粗加工，后续精修以提高表面质量（Ra≤0.7-1.4μm），适用于模具钢、硬质合金等难加工材料。优势在于性价比高，维护成本低于慢走丝；缺点是电极丝损耗较大，长期使用后精度会下降，且对工作液清洁度要求较高，适合中小批量精密零件加工。
中走丝线切割加工在球头刀加工中相比三坐标行切法更具无需考虑刀具磨损问题，尤其适合超硬材料（如硬质合金）的精密加工；无切削力影响，可避免变形，适合薄壁或复杂结构；加工精度更高，表面粗糙度更优的优势。
不同于传统铣刀常用的高速钢和硬质合金材料，球头刀通常选用机械性能更优的超细颗粒钨钢（见图2）。本文所设计的球头刀试样材料与精密刀具结构件材料一致。该材料具有极高的硬度和耐磨性，同时保持良好的抗冲击性能，适用于制造高精度、长寿命的切削刀具。尽管该钨钢材料在普通铣刀上的应用成本较高，但中走丝线切割工艺属于精密加工，对高硬度材料加工优势明显，能够满足球头刀的高精度刃口加工需求。通过选用TiAlN等高性能涂层，可进一步提升刀具的耐高温性能和切削寿命，适应多种高难度加工场景。
图2 钨钢化学成分图
本文以铣刀的球头刀为研究对象，通过对行业标准、加工设备、加工流程、参数设置、光学投影检测和粗糙度检测进行测试。本研究验证了中走丝工艺加工高精度球头刀的可行性，为铣刀的球头刀提供了新的技术路线。
行业标准
国际标准（ISO）
1. ISO 1641-2:2011
2. ISO 240:2016
国家标准（GB）
1. GB/T 25992-2010
2. JB/T 14219-2021
电加工设备
1. 设备选择
智凯ZKA500高精度线切割中走丝
图3 ZKA500
2. 设备参数
行程：有效加工行程400*500
锥度：±6°/±15°
最大加工效率：≥300mm²/H
表面光洁度：Ra0.8μm（多次切割）
精度：±0.003mm
系统：系统支持Windows10及以上操作系统
画图：支持多种画图文件导入
精度高：四轴螺距补偿，六轴数控
3.功能介绍
可实现X、Y、U、V四轴联动，进行锥度和异形面加工（Z轴电动升降）
多坐标系统功能可以在各工件之间迅速切换；
自带编程图形、自动编制代码程序。多CPU功能实现加工和编程同时进行；
平行补偿、清角设定，程序镜像，拐角优化、比例缩放等超级功能开放，让操作变得简单轻松；
激光螺距校准，螺距补偿数据实时开启；
图形坐标交换、缩放、旋转
加工模拟、图形跟踪显示功能
短路、断丝报警处理功能
自动对边、找中心等功能
加工流程
1. 将基板表面测试干净
2. 专用夹具固定股基本
3. 图形导入
4. 软件点“开水”检查是否正常
5. 点“加工”一键开始运丝、高频、冲水
6. 开始加工中
参数设置
试加工：
1. 试加工材料
图4 加工材料
2. 导入图纸
图5 图纸
3. 设置参数
图6 参数
4. 开机检查后
5. 开始加工
图7 加工
6. 工件切割完成掉落
样品，成功：如下图
成品OK，无灼烧、发黑变色等问题
图8 成品
光学投影检测
为进一步验证中走丝工艺加工的球头刀轮廓公
差，设计标准检测样板对球头刀试样轮廓进行光学投
影检测。检测样板选用热胀冷缩变形较小的有机玻
璃，检测样板轮廓按照实际球头刀轮廓放大50倍加
工，且保证加工后球头刀轮廓精度达到8μm 以内。
图9 投影原理示意图
粗糙度检测
对球头刀试样进行表面粗糙度检测，通过与标准
粗糙度样块进行对比，确定球头刀加工表面的粗糙度
等级。检测结果表明，球头刀试样加工表面粗糙度为
Ra0.7-Ra1.4，满足Ra ≥0.7 的要求。
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