CN113305646A - 刀具及其切削动力学仿真系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀具及其切削动力学仿真系统、方法，涉及切削刀具技术领域。本发明包括刀架，刀架的一侧安装有刀柄，刀柄的一端设置有刀片，刀柄的一侧设置有固定组件；超声振动单元，超声振动单元装设在刀架一侧，且超声振动单元位于刀柄的上侧，超声振动单元的一端装设有排屑块，排屑块的底部开设有缓冲腔，排屑块一侧安装有安装筒。本发明通过设置的固定组件方便对刀片进行更换，而设置的限位组件则方便将排屑块由超声振动单元上取下，其一是方便对超声振动单元进行检修，其二是方便对磨损的排屑块进行更换，且固定组件和限位组件操作简单，一目了然，同时还可以使用工具辅助，更加方便维修者操作使用。

Description

刀具及其切削动力学仿真系统、方法

技术领域

本发明属于切削刀具技术领域，特别是涉及一种刀具及其切削动力学仿真系统、方法。

背景技术

切削刀具是机械制造中用于切削加工的工具。绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具，切削动力学是使金属切削的工艺系统达到一个理想的状态，同时计算机仿真在各种过程仿真中得到充分应用，通过对工艺系统的切削过程仿真，对切削参数的确定、机床结构的设计、刀具几何参数的选取等具有重要的意义。

超声波切削是一种新型工艺，它利用简单形状刀具，基于快速原型中分层制造思想，采用分层去除方法加工硬脆材料，具有刀具制作简单，刀具与工件间宏观作用力小，刀具损耗能够得到补偿，可实现复杂三维轮廓的加工等特点，然而超声波释放装置亦需要维护，基于现有的安装结构而言，使用繁琐，检修缓慢，因而需要进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刀具及其切削动力学仿真系统、方法，解决了现有的超声波释放装置安装结构繁琐，检修缓慢的技术问题。

为达上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种刀具，包括刀架，刀架的一侧安装有刀柄，刀柄的一端设置有刀片，刀柄的一侧设置有用于固定刀片的固定组件；

超声振动单元，超声振动单元装设在刀架一侧，且超声振动单元位于刀柄的上侧，超声振动单元的一端装设有排屑块，排屑块的底部开设有缓冲腔，排屑块一侧安装有安装筒，安装筒的内部设置有多个限位组件，排屑块通过限位组件安装在超声振动单元一端。

可选的，排屑块位于刀片的上侧，且排屑块与刀片之间形成一间隙。

可选的，限位组件包括开设在安装筒内部的内腔、转动配合在内腔一侧的第一齿轮、开设在安装筒内侧的两开槽、配合在开槽内的夹板、转动连接在夹板一侧的螺纹柱，内腔一侧的两端均转动连接有转杆，第一齿轮与两转杆相啮合，螺纹柱螺纹连接在安装筒内，转杆的一端滑动配合在螺纹柱内。

可选的，转杆的周侧安装有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮相啮合，螺纹柱的一端开设有多边形槽，转杆的一端设有多边形柱，多边形柱滑动配合在多边形槽内。

可选的，内腔一侧的两端均开设有螺纹孔，螺纹柱螺纹配合在螺纹孔内。

可选的，限位组件还包括转动配合在安装筒一侧的转帽，转帽的一端与第一齿轮相连接，转帽的另一端固定有第一多边形转块。

可选的，刀片的一侧开设有限位槽，固定组件包括转动配合在刀柄一侧的固定块、开设在固定块一侧的槽口、转动连接在槽口内的螺纹杆、螺纹配合在螺纹杆上的L形卡柱，限位槽的截面呈L形，L形卡柱卡接在限位槽内。

可选的，固定组件还包括开设在固定块内部的内槽，内槽内部转动连接有转柱，转柱的周侧安装有第一锥齿轮，螺纹杆的一端为光滑表面，螺纹杆伸入内槽的一端安装有第二锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，转柱伸出固定块的一端安装有第二多边形转块，刀柄的一侧还开设有与固定块一端相适配的浅槽。

一种刀具的切削动力学仿真方法，包括如下步骤：

S1、通过仿真系统刀尖轨迹；

首先获取刀片的形状信息、待切削的工件切削面的形状信息，然后将获取的参数信息输入仿真系统，并输入切削速度、位置、深度变量，最后获取刀尖轨迹；

S2、获取不同刀具的刀刃轮廓；

通过3D扫描仪对刀具的刀刃轮廓进行扫描，并将扫描后获取的参数信息发送至仿真系统；

S3、使刀片沿仿真系统生成的刀尖轨迹移动进行切削；

S4、使S3中的刀尖轨迹与仿真系统生成的模拟刀尖轨迹作对比，若两刀尖轨迹完全重合，则进行下一刀具刀尖轨迹的模拟，若两刀尖轨迹未完全重合，则将S3中的刀尖轨迹记录至仿真系统内。

一种刀具的切削动力学仿真系统，包括：

仿真系统，仿真系统用于计算刀尖轨迹，且仿真系统包括参数导入单元、刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元、刀尖轨迹生成单元；

参数导入单元，用于将切削速度、位置、深度变量转换成数据信息传递至刀尖轨迹生成单元；

刀刃轮廓采集单元，用于对刀具的轮廓信息进行扫描收集，并将信息传递至刀尖轨迹生成单元；

工件形状采集单元，用于对工件的形状信息进行扫描收集，并将信息传递至刀尖轨迹生成单元；

刀尖轨迹生成单元，用于接收参数导入单元、刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元发送的参数信息，并将信息整合生成刀尖轨迹。

本发明的实施例具有以下有益效果：

1、设置的固定组件方便对刀片进行更换，而设置的限位组件则方便将排屑块由超声振动单元上取下，其一是方便对超声振动单元进行检修，其二是方便对磨损的排屑块进行更换，且固定组件和限位组件操作简单，一目了然，同时还可以使用工具辅助，更加方便维修者操作使用。

2、本发明的仿真系统，可以通过输入和获取各种数据，来实现模拟刀尖轨迹的效果，进而可以提前预览切削形貌，预知切削轨迹，实现稳定的预测效果。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的系统流程示意图；

图2为本发明一实施例的立体结构示意图；

图3为本发明一实施例的侧视结构示意图；

图4为本发明一实施例的上视结构示意图；

图5为图4中A处结构示意图；

图6为图5中B处结构示意图；

图7为图4中C处结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

刀架1，刀柄2，刀片201，限位槽202，排屑块3，安装筒301，缓冲腔302，第一齿轮303，转杆304，第二齿轮305，多边形柱306，螺纹柱307，多边形槽308，夹板309，螺纹孔310，转帽311，第一多边形转块312，超声振动单元4，固定块5，槽口501，螺纹杆502，L形卡柱503，内槽504，第二锥齿轮505，转柱506，第一锥齿轮507，第二多边形转块508。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。

请参阅图2-6所示，在本实施例中提供了一种刀具，包括：刀架1，刀架1的一侧安装有刀柄2，刀柄2的一端设置有刀片201，刀柄的一侧设置有用于固定刀片的固定组件；

超声振动单元4，超声振动单元4装设在刀架1一侧，且超声振动单元4位于刀柄2的上侧，超声振动单元4的一端装设有排屑块3，排屑块3的底部开设有缓冲腔302，排屑块3一侧安装有安装筒301，安装筒301的内部设置有多个限位组件，排屑块3通过限位组件安装在超声振动单元4一端。

具体的：当需要对刀片201进行更换时，通过接触固定组件对刀片201的限位，并将固定组件转至刀柄2一侧，即可将刀片201取下，安装时反之操作即可；

当需要对超声振动单元4进行维护时，先通过限位组件解除对超声振动单元4一端的固定，使排屑块3由超声振动单元4的一端取下，然后再将超声振动单元4由刀架1上拆下，即可方便对超声振动单元4进行检修；

排屑块3底部开设的缓冲腔302，方便外部供给的压力冷却介质，进入缓冲腔302，然后通过内部的通道及刀片201与排屑块3之间的间隙分送到刀片的后面、刀尖、及排屑块3前面，保证冷却介质最大程度地接近发热源。

需要注意的是，本申请中所涉及的所有用电设备均可通过蓄电池供电或外接电源。

本实施例的排屑块3位于刀片201的上侧，且排屑块3与刀片201之间形成一间隙。

为方便维修人员对超声振动单元进行维护和对排屑块进行更换，故通过以下结构进行改善，请参阅图4-6所示，本实施例的限位组件包括开设在安装筒301内部的内腔302、转动配合在内腔302一侧的第一齿轮303、开设在安装筒301内侧的两开槽、配合在开槽内的夹板309、转动连接在夹板309一侧的螺纹柱307，内腔302一侧的两端均转动连接有转杆304，第一齿轮303与两转杆304相啮合，螺纹柱307螺纹连接在安装筒301内，转杆304的一端滑动配合在螺纹柱307内，转杆304的周侧安装有第二齿轮305，第一齿轮303与第二齿轮305相啮合，螺纹柱307的一端开设有多边形槽308，转杆304的一端设有多边形柱306，多边形柱306滑动配合在多边形槽308内，内腔302一侧的两端均开设有螺纹孔310，螺纹柱307螺纹配合在螺纹孔310内，限位组件还包括转动配合在安装筒301一侧的转帽311，转帽311的一端与第一齿轮303相连接，转帽311的另一端固定有第一多边形转块312，通过转动转帽311或通过工具转动第一多边形转块312，进而带动第一齿轮303转动，第一齿轮303带动两侧的第二齿轮305及转杆304转动，转杆304通过一端的多边形柱306带动螺纹柱307转动，由于多边形柱306滑动配合在多边形槽308内，故多边形柱306的位置不变，螺纹柱307会随着多边形柱306的转动而慢慢带动夹板309移动，最终使夹板309紧贴在超声振动单元4的外壁上，进而完成了对排屑块3的安装，拆卸时同理，进而不但方便了对超声振动单元4检修，还方便了对排屑块3进行更换。

为方便维修人员更换刀片，故通过以下结构进行改善，请参阅图4和7所示，刀片201的一侧开设有限位槽202，固定组件包括转动配合在刀柄2一侧的固定块5、开设在固定块5一侧的槽口501、转动连接在槽口501内的螺纹杆502、螺纹配合在螺纹杆502上的L形卡柱503，限位槽202的截面呈L形，L形卡柱503卡接在限位槽202内，固定组件还包括开设在固定块5内部的内槽504，内槽504内部转动连接有转柱506，转柱506的周侧安装有第一锥齿轮507，螺纹杆502的一端为光滑表面，螺纹杆502伸入内槽504的一端安装有第二锥齿轮505，第一锥齿轮507与第二锥齿轮505啮合，转柱506伸出固定块5的一端安装有第二多边形转块508，刀柄2的一侧还开设有与固定块5一端相适配的浅槽203，在对刀片201进行安装时，先将刀片201对准在刀柄2一端，然后转动固定块5，使L形卡柱503伸入限位槽202内，此时使用工具转动第二多边形转块508，进而带动第一锥齿轮507转动，第一锥齿轮507通过第二锥齿轮505带动螺纹杆502转动，螺纹杆502带动L形卡柱503移动，使L形卡柱503的一端卡接在限位槽202的内部，即完成对刀片201的固定，采用方式进行固定刀片，省去了拆卸人员需要手拿螺丝、螺钉等紧固件的麻烦，全程只需要使用工具即可完成，方便快捷。

一种刀具的切削动力学仿真方法，包括如下步骤：

S1、通过仿真系统获取刀尖轨迹；

首先获取刀片的形状信息、待切削的工件切削面的形状信息，然后将获取的参数信息输入仿真系统，并输入切削速度、位置、深度变量，最后获取刀尖轨迹；

S2、获取不同刀具的刀刃轮廓；

通过3D扫描仪对刀具的刀刃轮廓进行扫描，并将扫描后获取的参数信息发送至仿真系统；

S3、使刀片沿仿真系统生成的刀尖轨迹移动进行切削；

S4、使S3中的刀尖轨迹与仿真系统生成的模拟刀尖轨迹作对比，若两刀尖轨迹完全重合，则进行下一刀具刀尖轨迹的模拟，若两刀尖轨迹未完全重合，则将S3中的刀尖轨迹记录至仿真系统内。

步骤S1中，除所述切削速度、位置、深度三种变量外，还可加入其它变量，并不局限于上述三种变量。

步骤S2中，所述3D扫描仪可以一次对多个刀具的刀刃轮廓进行扫描，扫描后可以将所获取的数据逐一发送至仿真系统（比如将获取的数据1发送至仿真系统，待仿真系统模拟完成后，再将获取的数据2发送给仿真系统），如此，直至数据完全发送至仿真系统。

步骤S4中，所述将S3中的刀尖轨迹记录至仿真系统内的发起条件为两刀尖轨迹的相似度大于95%且小于100%，且该刀尖轨迹将取代仿真系统生成的模拟刀尖轨迹。

请参阅图7所示，一种刀具的切削动力学仿真系统，包括：

仿真系统，仿真系统用于计算刀尖轨迹，且仿真系统包括参数导入单元、刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元、刀尖轨迹生成单元；

参数导入单元，用于将切削速度、位置、深度变量转换成数据信息传递至刀尖轨迹生成单元；

刀刃轮廓采集单元，用于对刀具的轮廓信息进行扫描收集，并将信息传递至刀尖轨迹生成单元；

工件形状采集单元，用于对工件的形状信息进行扫描收集，并将信息传递至刀尖轨迹生成单元；

刀尖轨迹生成单元，用于接收参数导入单元、刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元发送的参数信息，并将信息整合生成刀尖轨迹。

所述参数导入单元可为人工手动导入信息或计算机按一定程序（该程序可以是将事先设定范围的变量按排列组合的方式来生成数据信息）自动生成，所述刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元的采集方式可以为一种，并可将采集的信息自动转化成数据发送至刀尖轨迹生成单元。

上述实施例可以相互结合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

Claims (10)

1.一种刀具，其特征在于，包括：

刀架（1），刀架（1）的一侧安装有刀柄（2），刀柄（2）的一端设置有刀片（201），刀柄（2）的一侧设置有用于固定刀片（201）的固定组件；

超声振动单元（4），超声振动单元（4）装设在刀架（1）一侧，且超声振动单元（4）位于刀柄（2）的上侧，超声振动单元（4）的一端装设有排屑块（3），排屑块（3）的底部开设有缓冲腔（302），排屑块（3）一侧安装有安装筒（301），安装筒（301）的内部设置有多个限位组件，排屑块（3）通过限位组件安装在超声振动单元（4）一端。

2.如权利要求1所述的一种刀具，其特征在于，排屑块（3）位于刀片（201）的上侧，且排屑块（3）与刀片（201）之间形成一间隙。

3.如权利要求1所述的一种刀具，其特征在于，限位组件包括开设在安装筒（301）内部的内腔（302）、转动配合在内腔（302）一侧的第一齿轮（303）、开设在安装筒（301）内侧的两开槽、配合在开槽内的夹板（309）、转动连接在夹板（309）一侧的螺纹柱（307），内腔（302）一侧的两端均转动连接有转杆（304），第一齿轮（303）与两转杆（304）相啮合，螺纹柱（307）螺纹连接在安装筒（301）内，转杆（304）的一端滑动配合在螺纹柱（307）内。

4.如权利要求3所述的一种刀具，其特征在于，转杆（304）的周侧安装有第二齿轮（305），第一齿轮（303）与第二齿轮（305）相啮合，螺纹柱（307）的一端开设有多边形槽（308），转杆（304）的一端设有多边形柱（306），多边形柱（306）滑动配合在多边形槽（308）内。

5.如权利要求3所述的一种刀具，其特征在于，内腔（302）一侧的两端均开设有螺纹孔（310），螺纹柱（307）螺纹配合在螺纹孔（310）内。

6.如权利要求3所述的一种刀具，其特征在于，限位组件还包括转动配合在安装筒（301）一侧的转帽（311），转帽（311）的一端与第一齿轮（303）相连接，转帽（311）的另一端固定有第一多边形转块（312）。

7.如权利要求1所述的一种刀具，其特征在于，刀片（201）的一侧开设有限位槽（202），固定组件包括转动配合在刀柄（2）一侧的固定块（5）、开设在固定块（5）一侧的槽口（501）、转动连接在槽口（501）内的螺纹杆（502）、螺纹配合在螺纹杆（502）上的L形卡柱（503），限位槽（202）的截面呈L形，L形卡柱（503）卡接在限位槽（202）内。

8.如权利要求7所述的一种刀具，其特征在于，固定组件还包括开设在固定块（5）内部的内槽（504），内槽（504）内部转动连接有转柱（506），转柱（506）的周侧安装有第一锥齿轮（507），螺纹杆（502）的一端为光滑表面，螺纹杆（502）伸入内槽（504）的一端安装有第二锥齿轮（505），第一锥齿轮（507）与第二锥齿轮（505）啮合，转柱（506）伸出固定块（5）的一端安装有第二多边形转块（508），刀柄（2）的一侧还开设有与固定块（5）一端相适配的浅槽（203）。

9.一种刀具的切削动力学仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过仿真系统获取刀尖轨迹；

首先获取刀片的形状信息、待切削的工件切削面的形状信息，然后将获取的参数信息输入仿真系统，并输入切削速度、位置、深度变量，最后获取刀尖轨迹；

S2、获取不同刀具的刀刃轮廓；

通过3D扫描仪对刀具的刀刃轮廓进行扫描，并将扫描后获取的参数信息发送至仿真系统；

S3、使刀片沿仿真系统生成的刀尖轨迹移动进行切削；

S4、使S3中的刀尖轨迹与仿真系统生成的模拟刀尖轨迹作对比，若两刀尖轨迹完全重合，则进行下一刀具刀尖轨迹的模拟，若两刀尖轨迹未完全重合，则将S3中的刀尖轨迹记录至仿真系统内。

10.一种刀具的切削动力学仿真系统，其特征在于，包括：

仿真系统，仿真系统用于计算刀尖轨迹，且仿真系统包括参数导入单元、刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元、刀尖轨迹生成单元；

参数导入单元，用于将切削速度、位置、深度变量转换成数据信息传递至刀尖轨迹生成单元；

刀刃轮廓采集单元，用于对刀具的轮廓信息进行扫描收集，并将信息传递至刀尖轨迹生成单元；

工件形状采集单元，用于对工件的形状信息进行扫描收集，并将信息传递至刀尖轨迹生成单元；

刀尖轨迹生成单元，用于接收参数导入单元、刀刃轮廓采集单元、工件形状采集单元发送的参数信息，并将信息整合生成刀尖轨迹。

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