CN108573091B - 一种刀具波形刃设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刀具波形刃设计方法，先设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模、刀具波形刃的几何建模；将几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；设定切削工艺参数进行数值仿真，获得刀具波形刃上应力集中点的最大应力及应力分布，应力较小的波形刃刀具的几何结构参数较优，对单个波刃的切削过程进行数值仿真，获得切削力、切削温度和刀具应力等切削过程物理量，进而提出波深、波距和轴向偏移量的优化流程和优化方法，它可以用于各种含有波形刃的刀具的设计。
Description
技术领域
本发明属于刀具设计领域，具体涉及一种刀具波形刃设计方法。
背景技术
在保证刀具寿命的前提下，粗加工铣刀的使用过程中往往要求尽可能高的材料去除率，但是随着材料去除率的不断增加，切削力显著升高，切屑折断困难，容易造成切屑堵塞、刀具崩刃等一系列问题，严重时还会导致机床停机现象的出现。而波形刃刀具是在普通铣刀的基础上将刀具的前刀面或后刀面加工成波浪形状，从而形成波形刀刃，相邻两个刀刃的波形沿刀具轴向方向错开一定距离，如CN1034881A,因此可以将产生切屑的宽度减小，从而得到窄而厚的切屑，减少了切削过程的材料变形，从而降低了断屑的难度。利用波形刃刀具加工的最大缺点是会在加工表面上形成波纹状的痕迹，需要后续的半精加工和精加工阶段予以去除。
波形刃的存在使得切削刃上各点的刃倾角、工作前角以及与工件的接触状态均不相同，垂直于刀具轴线上任一截面的齿距也不同，这样虽然有利于切削颤振的消除，但是另一方面会造成刀具刃口处的应力集中现象，导致刀具的崩刃，影响刀具的使用寿命。因此，波形刃的几何结构设计就显得尤为重要，波形刃刀具的主要形状包括正弦型和圆弧形，其主要几何结构参数包括波深、波距和轴向偏移量，如附图1所示。现有文献和专利一般给出了这三个几何结构参数的大概范围及其对加工过程的大致影响，但是这三个几何结构参数在不同加工条件下(切削速度、进给量、工件材料等)对刀具—工件接触状态、切削过程物理量(切削力、切削温度)和刀具寿命的影响研究较少，因此还未形成一套有效的波形刃几何结构参数设计方法。
发明内容
本发明提供了刀具波形刃设计方法，其克服了背景技术中未形成一套有效的波形刃几何结构参数设计方法的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
一种刀具波形刃设计方法，该刀具总齿数为n，该n为大于2的自然数；该波形刃的主要形状包含有正弦型和圆弧形，该波形刃的主要形状的几何结构参数包含有波深、波距和轴向偏移量；该设计方法包括：
步骤1，设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，该绘制方法包括：
依据波形刃的主要形状及其几何结构参数，绘制第一个刀刃波形刃的二维截型图；
依序绘制下一个刀刃波形刃的二维截型图，使其在刀具轴线上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量e，同时在垂直于刀具轴线方向上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量fz，fz等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，直至绘制第n+1个刀刃波形刃的二维截型图；
n+1条刀刃波形刃的二维截型图相交所包围的面积为每一个波形刃的实际切除材料面积，n+1条刀刃波形刃的二维截型图所形成的交点就是刀具波形刃上的应力集中点；
步骤2，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模；
步骤3，利用上述得到的不同包络线进行刀具波形刃的几何建模；
步骤4，将步骤2和步骤3中的几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；
步骤5，设定切削工艺参数进行数值仿真，获得刀具波形刃上应力集中点的最大应力及应力分布，应力较小的波形刃刀具的几何结构参数较优。
一实施例之中：该轴向偏移量为波距的一半。
一实施例之中：该绘制方法中选用Pro/E或AutoCAD计算机辅助绘图软件进行绘制。
一实施例之中：该步骤5中切削工艺参数包括切削线速度。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
先设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模、刀具波形刃的几何建模；将几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；设定切削工艺参数进行数值仿真，获得刀具波形刃上应力集中点的最大应力及应力分布，应力较小的波形刃刀具的几何结构参数较优，对单个波刃的切削过程进行数值仿真，获得切削力、切削温度和刀具应力等切削过程物理量，进而提出波深、波距和轴向偏移量的优化流程和优化方法，它可以用于各种含有波形刃的刀具的设计。
该绘制方法包括：依据波形刃的主要形状及其几何结构参数，绘制第一个刀刃波形刃的二维截型图；依序绘制下一个刀刃波形刃的二维截型图，使其在刀具轴线上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量e，同时在垂直于刀具轴线方向上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量fz，fz等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，直至绘制第n+1个刀刃波形刃的二维截型图；n+1条刀刃波形刃的二维截型图相交所包围的面积为每一个波形刃的实际切除材料面积，n+1条刀刃波形刃的二维截型图所形成的交点就是刀具波形刃上的应力集中点；绘制简单方便快速。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为波形刃刀具及其几何结构参数。
图2为波形刃4个齿的运动轨迹。
图3为波形刃单齿的稳定接触状态。
图4为波形刃切削过程仿真。
图5为不同波深和波距条件下的刀具最大应力。
具体实施方式
一种刀具波形刃设计方法，该刀具总齿数为n，该n为大于2的自然数；该波形刃的主要形状包含有正弦型和圆弧形，该波形刃的主要形状的几何结构参数包含有波深、波距和轴向偏移量，该轴向偏移量为波距的一半；该设计方法包括：
步骤1，设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，该绘制方法包括：
依据波形刃的主要形状及其几何结构参数，绘制第一个刀刃波形刃的二维截型图(包络线图)；该绘制方法中如选用Pro/E或AutoCAD计算机辅助绘图软件进行绘制；
绘制第二个刀刃波形刃的二维截型图(包络线图)，使其在刀具轴线上与第一个刀刃的二维截型图(包络线图)有一个偏移量e，单位为mm，同时在垂直于刀具轴线方向上与第一个刀刃的二维截型图(包络线图)有一个偏移量fz，fz等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，单位为mm/齿；
绘制第三个刀刃波形刃的二维截型图(包络线图)，使其在刀具轴线上与第二个刀刃的二维截型图(包络线图)有一个偏移量e，单位为mm，同时在垂直于刀具轴线方向上与第二个刀刃的二维截型图(包络线图)有一个偏移量fz，fz等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，单位为mm/齿；
……
绘制第n+1个刀刃波形刃的二维截型图(包络线图)，使其在刀具轴线上与第n个刀刃的二维截型图(包络线图)有一个偏移量e，单位为mm，同时在垂直于刀具轴线方向上与第n个刀刃的二维截型图(包络线图)有一个偏移量fz，fz等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，单位为mm/齿；
n+1条刀刃波形刃的二维截型图(包络线图)相交所包围的面积为每一个波形刃的实际切除材料面积，n+1条刀刃波形刃的二维截型图(包络线图)所形成的交点就是刀具波形刃上的应力集中点，也是刀具容易发生磨损或崩刃的位置；
步骤2，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模；
步骤3，利用上述得到的不同包络线进行刀具波形刃几何建模；
步骤4，将步骤2和步骤3中的几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；
步骤5，设定切削工艺参数进行数值仿真，获得刀具波形刃上应力集中点的最大应力及应力分布，应力较小的波形刃刀具的几何结构参数较优。
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
被加工工件材料为奥氏体不锈钢，设计对象为圆柱立铣刀的波形刃，刀具直径为25mm，齿数总数为4个，波形刃的几何结构参数如表1所示，轴向偏移量为波距的一半。进给量(fz)为0.025mm/齿，波深为0.2mm，波距为1.2mm，轴向偏移量(e)为0.6mm条件下，波形刃4个齿的运动轨迹如图2所示，波形刃和工件的稳定接触状态如图3所示。
依据表1不同波深和波距获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，利用不同包络线进行工件几何建模、波形刃几何建模，将不同的波形刃和工件几何模型导入有限元分析软件AdvantEdge，设定切削线速度60m/min，得到的仿真结果如图4所示。提取不同波形刃的应力集中点的最大应力，应力较低的波形刃，切削效果和刀具寿命较优，如图5所示，当波距为1.8mm，波深0.2mm条件下，刀具应力最小，因此这组几何参数作为最优设计结果。
表1
| 波深(mm) | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.30 |
| 波距(mm) | 0.9 | 1.2 | 1.5 | 1.8 | 2.1 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 |
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (4)
1.一种刀具波形刃设计方法，该刀具总齿数为n，该n为大于2的自然数；该波形刃的主要形状包含有正弦型和圆弧形，该波形刃的主要形状的几何结构参数包含有波深、波距和轴向偏移量；其特征在于：该设计方法包括：
步骤1，设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，该绘制方法包括：
依据波形刃的主要形状及其几何结构参数，绘制第一个刀刃波形刃的二维截型图；
依序绘制下一个刀刃波形刃的二维截型图，使其在刀具轴线上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量e，同时在垂直于刀具轴线方向上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量fz，fz等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，直至绘制第n+1个刀刃波形刃的二维截型图；
n+1条刀刃波形刃的二维截型图相交所包围的面积为每一个波形刃的实际切除材料面积，n+1条刀刃波形刃的二维截型图所形成的交点就是刀具波形刃上的应力集中点；
步骤2，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模；
步骤3，利用上述得到的不同包络线进行刀具波形刃的几何建模；
步骤4，将步骤2和步骤3中的几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；
步骤5，设定切削工艺参数进行数值仿真，获得刀具波形刃上应力集中点的最大应力及应力分布，应力较小的波形刃刀具的几何结构参数较优。
2.根据权利要求1所述的一种刀具波形刃设计方法，其特征在于：该轴向偏移量为波距的一半。
3.根据权利要求1所述的一种刀具波形刃设计方法，其特征在于：该绘制方法中选用Pro/E或AutoCAD计算机辅助绘图软件进行绘制。
4.根据权利要求1所述的一种刀具波形刃设计方法，其特征在于：该步骤5中切削工艺参数包括切削线速度。
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