CN105631072B - 一种铝合金粗加工刀具设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金粗加工刀具设计方法，基于专用切削加工有限元分析软件Third Wave AdvantEdge，设计出了适用于高速铣削铝合金的硬质合金立铣刀。所述的设计方法包括采用等效二维有限元仿真方法，结合单因素寻优设计方法，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响情况；基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀切削加工性能的影响，从而选定合适的刀具参数。采用本专利的铝合金粗加工刀具设计方法设计的硬质合金立铣刀能够稳定地加工铝合金车体型材结构件，并且获得较高的加工质量。

Description

一种铝合金粗加工刀具设计方法

技术领域

本发明涉及一种刀具设计方法，特别涉及一种铝合金粗加工刀具设计方法，属于计算机辅助设计技术领域。

背景技术

随着高速铁路技术的不断发展，高速列车车体的制造材料实现了从碳钢向不锈钢、铝合金材料的转变，尤其是铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好并且容易制造复杂曲面等优点而被广泛应用。新一代高速列车车体采用高强度超薄壁铝合金型材，一般为多腔异型空心型材，以大型超长整体结构件为主，零件长度长达20米，截面形状复杂，广泛分布薄壁、斜筋等特征，壁厚在零件不同位置差异很大，是典型的大型整体结构弱刚性零件。切削加工过程中的切削力、切削热及切削振动等均容易导致零件变形，降低加工精度和加工表面质量，影响加工效率，铝合金车体型材结构件中密布的斜筋结构及焊点在高速加工过程中更加容易导致切削力、切削热和切削振动的突然变化，这对生产设备、加工刀具、以及适配的加工工艺提出了很高的要求。目前南车浦镇已经引进了国外先进的高速数控加工中心用于高速加工车体铝合金型材，但是缺乏相关高效加工工艺作为指导，选用刀具、加工参数存在一定缺陷，加工过程中存在效率低，刀具损耗大的问题。

Third Wave AdvantEdge FEM作为一个基于材料物性的有限元金属切削仿真软件，其仿真结果可以为实际加工提供一定的理论依据，避免传统加工中单方面凭借经验而导致的技术不可复制性和零件质量不可控性，已广泛地用于车削、铣削、钻孔等不同类型的切削加工仿真研究。

发明内容

本发明的目的是针对铝合金车体型材加工环境不稳定这一难点，提供一种铝合金粗加工刀具设计方法，采用该设计方法设计的铣刀，具有加工稳定性好、加工质量高的优点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种铝合金粗加工刀具设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在软件Third Wave AdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；

步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，确定刀具的刃口钝圆半径、前角和后角的大小；

步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角。

进一步的，考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响的具体操作步骤如下：

1）固定刀具的前角和后角，考察不同的刃口钝圆半径对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的刃口钝圆半径；

2）固定刀具刃口钝圆半径和后角，考察不同的前角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的前角大小；

3）固定刀具刃口钝圆半径和前角，考察不同的后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的后角大小。

优选的，所述螺旋角的取值范围是：20°~40°。

优选的，所述刃口钝圆半径的取值范围是：0.001mm~0.04mm。

优选的，所述前角的取值范围是：5°~25°。

优选的，所述后角的取值范围是：10°~20°。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明通过软件仿真可以替代大量的试切，避免试切过程中材料的浪费，也节省了时间，缩短了设计和加工周期；

2、采用等效二维有限元仿真方法，结合单因素寻优设计方法，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响，将铣削加工简化为有限个叠加的斜角切削加工，计算速度较快，可以进行关键的宏观刀具几何参数优化分析；

3、基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀切削加工性能的影响，从而选定合适的刀具参数。采用本专利的铝合金粗加工刀具设计方法设计的硬质合金立铣刀能够稳定地加工铝合金车体型材结构件，具有切削力小、切削温度低、切削过程稳定、使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本发明的操作流程图。

图2是采用本发明提供的方法设计的硬质合金立铣刀。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的操作流程图。铝合金粗加工刀具设计方法，包括以下步骤：

步骤一：在软件Third Wave AdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；采用Third Wave AdvantEdge默认网格划分方法对工件和刀具进行网格划分。

步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，具体操作步骤如下：

1）固定刀具的前角和后角，考察不同的刃口钝圆半径对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的刃口钝圆半径，刃口钝圆半径的取值范围是：0.001mm~0.04mm。

2）固定刀具刃口钝圆半径和后角，考察不同的前角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的前角大小，前角的取值范围是：5°~25°。

3）固定刀具刃口钝圆半径和前角，考察不同的后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的后角大小，后角的取值范围是：10°~20°。

步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角，螺旋角的取值范围是：20°~40°。

螺旋角、刃口钝圆半径、前角及后角的跨度均根据铣削加工中的温度下降（或上升）趋势（或幅度）来选取。

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，是采用本发明提供的刀具设计方法设计的一种加工铝合金高速列车车体型材的硬质合金立铣刀，该立铣刀直径为32mm，刃数为3刃，刃长为108mm，设计过程如下：

1）在软件Third Wave AdvantEdge 中建立工件材料和刀具的二维几何模型，工件材料宽度为50mm，材料选用AL6061铝合金，径向切宽为32mm，轴向切深为30mm，主轴转速10000rpm，每齿进给量0.1mm，采用Third Wave AdvantEdge默认网格划分方法对工件和刀具进行网格划分。

2）固定刀具的前角为15°，后角为10°，考察不同的刃口钝圆半径（0.001mm、0.008mm、0.015 mm、0.02 mm、0.03 mm及0.04 mm）对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响情况。随着刀具刃口钝圆半径从0.001 mm增加到0.04 mm，切削温度、弹性应变、X方向及Y方向的切削力和力矩均有明显增加。刀具刃口钝圆半径会影响刀具的锋利程度，因此越大的刀具刃口钝圆半径对于高速铣削加工越不利。硬质合金材料的刃磨难度较大，很难达到非常小的刃口钝圆半径（一般情况下能够达到0.04mm左右），因此将0.04mm作为优选的刃口钝圆半径。

3）固定刀具刃口钝圆半径为0.04mm，后角为10°，考察不同的前角（5°、10°、15°、20°及25°）对于硬质合金铣刀和高速钢铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响情况。刀具前角对于硬质合金刀具的切削温度影响不大。随刀具前角增加，刀具呈现出更加锋利的特性，切削力和扭矩也表现出与切削功率类似的变化趋势，在数值上略有减少，这主要是因为铝合金材料的塑性较好，在加工过程中变形系数会随前角增加而减小，沿前刀面的摩擦力减小，因此会导致切削力有所减小。前角对于高速铣削的影响主要在于对切削力和切削温度的影响，在高速铣削车体铝合金时，应选用较大的前角，因此将20°作为优先的前角。

4）固定刀具刃口钝圆半径为0.04mm，前角为15°，考察不同的后角（10°、12°、14°、16°、18°及20°）对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响情况。后角对于切削温度、切削力以及弹性应变等都没有非常显著的影响。根据一般规律，后角在加工中的主要作用是影响后刀面与加工表面之间的摩擦、加工工件表面完整性、刀具耐用度及刃口强度，这些影响的程度在仿真中并不能完全体现出来，由于铝合金塑形较强，加工后易产生回弹，因此在不影响刃口强度和加工精度的条件下，应选用较大的后角（18°）。

5）基于二维仿真中优化的刀具参数：刃口钝圆半径0.04mm，前角20°，后角18°，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率等的影响，其加工参数与二维仿真模型中的相同。随着刀具螺旋角从20°增大到40°，刀具和工件的最高温度有明显的降低，刀具和工件的最大塑性应变则没有明显的变化，切削功率有所降低，切削力虽然整体呈下降趋势，但是Z向的切削力有所上升。综合上述螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响，要使得加工过程中加工温度、切削力均等较小，选定35°为优选的刀具螺旋角。

将上述优化设计的硬质合金立铣刀用图高速列车铝合金车体的实际加工中，加工参数采用主轴转速10000rpm，进给量3000mm/min，切削深度30mm，满刀铣削，刀具寿命达到100小时。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在软件Third Wave AdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；

步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，确定刀具的刃口钝圆半径、前角和后角的大小；具体操作步骤如下：

1）固定刀具的前角和后角，考察不同的刃口钝圆半径对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具刃口钝圆半径，具体为：

考虑随着刀具刃口钝圆半径的增加，切削温度、弹性应变、X方向及Y方向的切削力和力矩均明显增加、刀具刃口钝圆半径会影响刀具的锋利程度，根据实际需要确定刀具刃口钝圆半径；

2）固定刀具刃口钝圆半径和后角，考察不同的前角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的前角大小；具体为：

考虑随着刀具前角增加，刀具锋利程度增加，切削力、扭矩、切削功率减小，根据实际需要确定刀具的前角大小；

3）固定刀具刃口钝圆半径和前角，考察不同的后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的后角大小；具体为：

考虑后角影响后刀面与加工表面之间的摩擦、加工工件表面完整性、刀具耐用度及刃口强度以及铝合金加工后易产生回弹，在不影响刃口强度和加工精度的条件下，根据实际需要确定刀具的后角大小；

步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角；具体为：

考虑随着刀具螺旋角增大，刀具和加工工件的最高温度明显降低，最大塑性应变没有变化，切削功率有所降低，Z向的切削力有所上升，在满足加工温度及切削力实际要求的情况下，根据实际需要确定刀具的螺旋角。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，所述螺旋角的取值范围是：20°~40°。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，所述刃口钝圆半径的取值范围是：0.001mm~0.04mm。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，所述前角的取值范围是：5°~25°。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，所述后角的取值范围是：10°~20°。