CN103521791A - 一种车外圆仿生刀具及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车外圆仿生刀具及其设计方法，其特征是仿生刀具的刀头部分为河狸门牙的仿生形状。本发明仿生刀具改变了传统刀具的切削刃直线和后刀面平面型设计，使其在使用过程中能够获得最低的切削阻力及较高的使用寿命。

Description

一种车外圆仿生刀具及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种车外圆仿生刀具及设计方法，更具体地说是仿河狸门牙形貌特征的仿生刀及其设计方法。

背景技术

在对各种工件材料进行切削加工过程中，优化刀具几何形状，减少被切削材料对刀具的磨损，降低切削阻力，提高切削效率，增加刀具的使用寿命，降低生产成本，是人们十分关注的问题。

现代仿生学研究表明，许多动物经过长期的进化，其牙齿、爪趾和体表等部位逐步形成了特殊的几何形状，具有优良的生物力学功能，具体表现为动物牙齿的咬颌能力较强，且牙齿的寿命一般也较长，因此，根据仿生原理对刀具几何参数进行优化以提高刀具的使用寿命具有积极的意义。目前，传统刀具的切削刃曲线大都为直线型，其后刀面也为平面，而刀具的切削刃形状影响着刀具的切削效率，后刀面形状也对已加工表面的质量和刀具的使用寿命有着重要影响。

发明内容：

本发明是为进一步提高刀具的切削效率和使用寿命，提供一种车外圆仿生刀具及其设计方法。通过对仿生对象河狸门牙切削刃曲线进行提取，并进行拟合得到切削刃曲线拟合方程，将拟合方程应用于仿生刀具的切削刃设计；通过对仿生对象河狸门牙纵向特征曲线和横向特征曲线进行提取，对其分别进行拟合得到纵向特征曲线拟合方程和横向特征曲线拟合方程，将纵向特征曲线拟合方程和横向特征曲线拟合方程应用到仿生刀具的刀面设计。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明车外圆仿生刀具的结构特点是所述仿生刀具的刀头部分为河狸门牙的仿生形状。

本发明车外圆仿生刀具的刀头的部分具有前刀面、主后刀面和副后刀面，以及处在所述前刀面与主后刀面之间的主切削刃、处在所述前刀面与副后刀面之间的副切削刃，所述前刀面与主后刀面以及副后刀面之间共同形成的交点为刀尖点；其特点是：

所述主切削刃和副切削刃的曲线形状按式(1)表征：

$\begin{array}{c}{y}_1=0.0219-1.6758x_1+1.0193x_1^2-0.7976x_1^3+0.3143x_1^4\\ -0.0571x_1^5+0.0039x_1^6\end{array}---\left(1\right)$

将所述仿生刀具的主切削刃和副切削刃在刀具基面Pr面上形成投影，并在刀具基面Pr面上定义X₁O₁Y₁坐标系，所述X₁O₁Y₁坐标系是以所述投影中主切削刃的起始点为原点，以仿生刀具的进给方向V_f向为X轴，以仿生刀具基面Pr面内垂直于进给方向V_f向的刀具切削深度方向为Y轴方向；则式(1)中：

x₁是主切削刃和副切削刃在刀具基面Pr面上投影的X轴的坐标值；

y₁是主切削刃和副切削刃在刀具基面Pr面上投影的Y轴的坐标值；

所述仿生刀具的主后刀面和副后刀面的纵向曲线按式(2)表征：

$\begin{array}{c}{y}_2=0.0071x_2^4-0.1402x_2^{3.5}+1.1598x_2^3-5.2390x_2^{2.5}+13.9423x_2^2-22.0335x_2^{1.5}\\ +19.3451x_2-1.2442x_2^{0.5}+1.38212\×{10}^{-6}\end{array}---\left(2\right)$

所述仿生刀具的主后刀面和副后刀面的纵向曲线是指所述主后刀面和副后刀面在刀具正交平面Po面内形成的纵向剖面线；在刀具正交平面Po面上定义X₂O₂Y₂坐标系，所述X₂O₂Y₂坐标系是以主切削刃、副切削刃与正交平面Po面的交点为原点，在正交平面Po面内以刀具的切削速度Vc向的反方向为X₂轴方向，以垂直于切削速度Vc的方向为Y₂轴方向；则式(2)中：

x₂是主后刀面和副后刀面上纵向剖面线在正交平面Po面上投影的X₂轴坐标值；

y₂是主后刀面和副后刀面上纵向剖面线在正交平面Po面上投影的Y₂轴坐标值；

所述仿生刀具的主后刀面和副后刀面的横向曲线按式(3)表征：

$y_3=0.0026x_3^6+0.0032x_3^5-0.0248x_3^4-0.0210x_3^3+0.1849x_3^3+0.2242x_3+0.0175---\left(3\right)$

所述仿生刀具的主后刀面和副后刀面的横向曲线是指所述主后刀面和副后刀面在平行于刀具基面Pr面并通过刀尖点的横向剖面内形成的横向剖面线；在所述横向剖面上定义X₃O₃Y₃坐标系，所述X₃O₃Y₃坐标系是以刀尖点与横向剖面的交点为原点，以刀具的进给方向V_f向为X轴，以刀具基面Pr面内垂直于进给方向V_f向的刀具的切削深度方向为Y轴方向；则式(3)中：

x₃是主后刀面和副后刀面上横向剖面线在横向剖面上投影的X₃轴坐标值；

y₃是主后刀面和副后刀面上横向剖面线在横向剖面上投影的Y₃轴坐标值。

本发明为获得河狸门牙的仿生形状的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤一、通过激光扫描提取河狸门牙的三维云图，获得其表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据按设定的方式进行过滤后导出生成ASCⅡ码格式的文件，并以NURBS曲面为基础构造曲面；在所述基础构造曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用矩形数据网格构造出河狸门牙三维曲面模型；

步骤二、在所述河狸门牙三维曲面模型上，确定河狸门牙前刀面、河狸门牙主后刀面、河狸门牙副后刀面、河狸门牙主切削刃以及河狸门牙副切削刃，并将所述河狸门牙主切削刃以及河狸门牙副切削刃在河狸门牙的基面上投影，得到投影曲线，对所述投影曲线进行拟合得到河狸门牙切削刃曲线拟合方程如式(1)；

将河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面在河狸门牙的正交平面以及垂直于正交平面并平行于基面的横向平面上投影，分别得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的纵向和横向投影曲线，对所述纵向和横向投影曲线分别进行拟合得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的纵向曲线拟合方程如式(2)、以及得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的横向曲线拟合方程如式(3)。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：本发明中仿生刀具切削效率高，使用寿命长、切削阻力小。

附图说明

图1为外圆车刀及其切削运动示意图；

图2外圆车刀刀头示意图；

图3外圆车刀切削部分的正交平面参考系；

图4为河狸门牙三维曲面图；

图5为河狸门牙切削刃投影曲线图；

图6为河狸门牙背部纵向曲线图；

图7为河狸门牙背部横向曲线图；

图中标号：1前刀面，2主后刀面，3副后刀面，4主切削刃，5副切削刃，6刀尖点，

具体实施方式

如图1所示为本实施例所涉及的外圆车刀T及其切削运动示意，图1中的Vc为刀具主运动方向，V_f为刀具进给方向，Ve是为刀具合成运动方向。

本实施例车外圆仿生刀具的刀头部分为河狸门牙的仿生形状；

如图2所示，本实施例中的仿生刀具的切削部分具有前刀面1、主后刀面2和副后刀面3，以及处在前刀面1与主后刀面2之间的主切削刃4、处在前刀面1与副后刀面3之间的副切削刃5，前刀面1与主后刀面2以及副后刀面3之间共同形成的交点为刀尖6；

如图3所示的外圆车刀切削部分的正交平面参考系中，Ps为切削平面，Po为正交平面，Pr为基面，Ar为底平面，W为工件，

本实施例中，主切削刃4和副切削刃5的曲线形状按式(1)表征：

$\begin{array}{c}{y}_1=0.0219-1.6758x_1+1.0193x_1^2-0.7976x_1^3+0.3143x_1^4\\ -0.0571x_1^5+0.0039x_1^6\end{array}---\left(1\right)$

将仿生刀具的主切削刃4和副切削刃5在刀具基面Pr面上形成投影，并在刀具基面Pr面上定义X₁O₁Y₁坐标系，X₁O₁Y₁坐标系是以投影中主切削刃4的起始点为原点，以刀具进给方向V_f向为X轴，以刀具基面Pr面内垂直于刀具进给方向V_f向的刀具切削深度方向为Y轴方向；则式(1)中：

x₁是主切削刃4和副切削刃5在刀具基面Pr面上投影的X轴的坐标值；

y₁是主切削刃4和副切削刃5在刀具基面Pr面上投影的Y轴的坐标值；

仿生刀具的主后刀面2和副后刀面3的纵向曲线按式(2)表征：

$\begin{array}{c}{y}_2=0.0071x_2^4-0.1402x_2^{3.5}+1.1598x_2^3-5.2390x_2^{2.5}+13.9423x_2^2-22.0335x_2^{1.5}\\ +19.3451x_2-1.2442x_2^{0.5}+1.38212\×{10}^{-6}\end{array}---\left(2\right)$

仿生刀具的主后刀面2和副后刀面3的纵向曲线是指主后刀面2和副后刀面3在刀具正交平面Po面内形成的纵向剖面线；在刀具正交平面Po面上定义X₂O₂Y₂坐标系，X₂O₂Y₂坐标系是以主切削刃4、副切削刃5与正交平面Po面的交点为原点，在正交平面Po面内以刀具的切削速度Vc向的反方向为X₂轴方向，以垂直于切削速度Vc的方向为Y₂轴方向；则式(2)中：

x₂是主后刀面2和副后刀面3上纵向剖面线在正交平面Po面上投影的X₂轴坐标值；

y₂是主后刀面2和副后刀面3上纵向剖面线在正交平面Po面上投影的Y₂轴坐标值；

仿生刀具的主后刀面2和副后刀面3的横向曲线按式(3)表征：

$y_3=0.0026x_3^6+0.0032x_3^5-0.0248x_3^4-0.0210x_3^3+0.1849x_3^3+0.2242x_3+0.0175---\left(3\right)$

仿生刀具的主后刀面2和副后刀面3的横向曲线是指主后刀面2和副后刀面3在平行于刀具基面Pr面并通过刀尖点的横向剖面内形成的横向剖面线；在横向剖面上定义X₃O₃Y₃坐标系，X₃O₃Y₃坐标系是以刀尖点与横向剖面的交点为原点，以刀具的进给方向V_f向为X轴，以刀具基面Pr面内垂直于进给方向V_f向的刀具的切削深度方向为Y轴方向；则式(3)中：

x₃是主后刀面2和副后刀面3上横向剖面线在横向剖面上投影的X₃轴坐标值；

y₃是主后刀面2和副后刀面3上横向剖面线在横向剖面上投影的Y₃轴坐标值。

本发明仿生刀具改变了传统刀具切削刃直线、后刀面平面型设计，使其在使用过程中能够获得最低的切削阻力及较高的使用寿命。

如图4所示，对于河狸门牙按照与切削刀具的各部位相对应的形式分别表征出河狸门牙前刀面1a，河狸门牙副切削刃2a，河狸门牙刀尖点3a，河狸门牙主切削刃4a，河狸门牙主副后刀面5a。

本实施例中获得河狸门牙的仿生形状的方法是按如下步骤进行：

步骤一、通过激光扫描提取河狸门牙的三维云图，获得其表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据按设定的方式进行过滤后导出生成ASCⅡ码格式的文件，并以NURBS曲面为基础构造曲面；在基础构造曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用矩形数据网格构造出河狸门牙三维曲面模型如图4所示；

步骤二、在所述河狸门牙三维曲面模型上，确定河狸门牙前刀面、河狸门牙主后刀面、河狸门牙副后刀面、河狸门牙主切削刃以及河狸门牙副切削刃，并将所述河狸门牙主切削刃以及河狸门牙副切削刃在河狸门牙的基面上投影，得到投影曲线如图5所示，对所述投影曲线进行拟合得到河狸门牙切削刃曲线拟合方程如式(1)；

将河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面在河狸门牙的正交平面以及垂直于正交平面并平行于基面的横向平面上投影，分别得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的纵向投影曲线如图6所示和横向投影曲线如图7所示，对所述纵向和横向投影曲线分别进行拟合得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的纵向曲线拟合方程如式(2)、以及得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的横向曲线拟合方程如式(3)。

图5所示为河狸门牙切削刃投影曲线图；图6所示为河狸门牙背部纵向曲线图；图7所示为河狸门牙背部横向曲线图。

Claims (3)

1.一种车外圆仿生刀具，其特征是所述仿生刀具的刀头部分为河狸门牙的仿生形状。

2.根据权利要求1所述的车外圆仿生刀具，所述仿生刀具的刀头的部分具有前刀面(1)、主后刀面(2)和副后刀面(3)，以及处在所述前刀面(1)与主后刀面(2)之间的主切削刃(4)、处在所述前刀面(1)与副后刀面(3)之间的副切削刃(5)，所述前刀面(1)与主后刀面(2)以及副后刀面(3)之间共同形成的交点为刀尖点(6)；其特征是：

所述主切削刃(4)和副切削刃(5)的曲线形状按式(1)表征：

$\begin{array}{c}{y}_1=0.0219-1.6758x_1+1.0193x_1^2-0.7976x_1^3+0.3143x_1^4\\ -0.0571x_1^5+0.0039x_1^6\end{array}---\left(1\right)$

将所述仿生刀具的主切削刃(4)和副切削刃(5)在刀具基面Pr面上形成投影，并在刀具基面Pr面上定义X₁O₁Y₁坐标系，所述X₁O₁Y₁坐标系是以所述投影中主切削刃(4)的起始点为原点，以仿生刀具的进给方向V_f向为X轴，以仿生刀具基面Pr面内垂直于进给方向V_f向的刀具切削深度方向为Y轴方向；则式(1)中：

x1是主切削刃(4)和副切削刃(5)在刀具基面Pr面上投影的X轴的坐标值；

y1是主切削刃(4)和副切削刃(5)在刀具基面Pr面上投影的Y轴的坐标值；

所述仿生刀具的主后刀面(2)和副后刀面(3)的纵向曲线按式(2)表征：

$\begin{array}{c}{y}_2=0.0071x_2^4-0.1402x_2^{3.5}+1.1598x_2^3-5.2390x_2^{2.5}+13.9423x_2^2-22.0335x_2^{1.5}\\ +19.3451x_2-1.2442x_2^{0.5}+1.38212\×{10}^{-6}\end{array}---\left(2\right)$

所述仿生刀具的主后刀面(2)和副后刀面(3)的纵向曲线是指所述主后刀面(2)和副后刀面(3)在刀具正交平面Po面内形成的纵向剖面线；在刀具正交平面Po面上定义X₂O₂Y₂坐标系，所述X₂O₂Y₂坐标系是以主切削刃(4)、副切削刃(5)与正交平面Po面的交点为原点，在正交平面Po面内以刀具的切削速度Vc向的反方向为X₂轴方向，以垂直于切削速度Vc的方向为Y₂轴方向；则式(2)中：

x₂是主后刀面(2)和副后刀面(3)上纵向剖面线在正交平面Po面上投影的X₂轴坐标值；

y₂是主后刀面(2)和副后刀面(3)上纵向剖面线在正交平面Po面上投影的Y₂轴坐标值；

所述仿生刀具的主后刀面(2)和副后刀面(3)的横向曲线按式(3)表征：

$y_3=0.0026x_3^6+0.0032x_3^5-0.0248x_3^4-0.0210x_3^3+0.1849x_3^3+0.2242x_3+0.0175---\left(3\right)$

所述仿生刀具的主后刀面(2)和副后刀面(3)的横向曲线是指所述主后刀面(2)和副后刀面(3)在平行于刀具基面Pr面并通过刀尖点的横向剖面内形成的横向剖面线；在所述横向剖面上定义X₃O₃Y₃坐标系，所述X₃O₃Y₃坐标系是以刀尖点与横向剖面的交点为原点，以刀具的进给方向V_f向为X轴，以刀具基面Pr面内垂直于进给方向V_f向的刀具的切削深度方向为Y轴方向；则式(3)中：

x₃是主后刀面(2)和副后刀面(3)上横向剖面线在横向剖面上投影的X₃轴坐标值；

y₃是主后刀面(2)和副后刀面(3)上横向剖面线在横向剖面上投影的Y₃轴坐标值。

3.一种获得河狸门牙的仿生形状的方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤一、通过激光扫描提取河狸门牙的三维云图，获得其表面几何信息的点云数据，对得到的点云数据按设定的方式进行过滤后导出生成ASCⅡ码格式的文件，并以NURBS曲面为基础构造曲面；在所述基础构造曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用矩形数据网格构造出河狸门牙三维曲面模型；

步骤二、在所述河狸门牙三维曲面模型上，确定河狸门牙前刀面、河狸门牙主后刀面、河狸门牙副后刀面、河狸门牙主切削刃以及河狸门牙副切削刃，并将所述河狸门牙主切削刃以及河狸门牙副切削刃在河狸门牙的基面上投影，得到投影曲线，对所述投影曲线进行拟合得到河狸门牙切削刃曲线拟合方程如式(1)；

将河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面在河狸门牙的正交平面以及垂直于正交平面并平行于基面的横向平面上投影，分别得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的纵向和横向投影曲线，对所述纵向和横向投影曲线分别进行拟合得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的纵向曲线拟合方程如式(2)、以及得到河狸门牙主后刀面和河狸门牙副后刀面的横向曲线拟合方程如式(3)。

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