CN113695610B - 一种省力车刀仿生设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种省力车刀仿生设计方法，它属于机械金属切削和工程仿生学联合技术领域。本发明解决了传统刀具的切削效率低、切削负载大的问题。本发明从仿生学的角度出发，发现帽贝牙齿具有良好的切削性能。通过模仿帽贝牙齿的几何形状，来优化车刀几何形状。优化完成的刀具的前刀面为变曲率曲面，刀具前角随曲率变化，致使刀具在切削过程始终处于“变前角”切削状态，促使切屑弯曲，从而与刀具发生分离和断裂，减小刀具与切屑之间的接触长度，进而减小刀具与切屑之间的摩擦阻力，以减小切削负载，减小车刀在工作过程中的切削力，提高切削效率。本发明可以应用于对车刀进行设计。

Description

一种省力车刀仿生设计方法
技术领域
本发明属于机械金属切削和工程仿生学联合技术领域，具体涉及一种基于帽贝牙齿几何特征的省力车刀仿生设计方法。
背景技术
车削加工是机械领域常用的加工方式，而车刀是车削加工所使用的工具，刀具的切削刃形状影响着刀具的切削效率，刀具的后刀面形状影响着已加工表面的质量和刀具的使用寿命。由于传统刀具的切削刃曲线大都为直线型，刀具平面多为平面，因此，传统刀具的切削效率低、切削负载大、使用寿命短。那么，如何优化车刀几何形状，降低切削力，提高切削效率和使用寿命是车刀设计的关键问题之一。
随着仿生学的出现，学者们发现在自然界中生物的牙齿或爪趾具有优良的生物学形态，它们具有锋利的外部结构，能够切割硬度较大的物体，生物牙齿的外部形态为车刀的设计提供了参考结构。
发明内容
本发明的目的是为解决传统刀具的切削效率低、切削负载大的问题，而提出一种省力车刀仿生设计方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种省力车刀仿生设计方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、获取帽贝牙齿图像；
步骤二、从帽贝牙齿图像中提取出帽贝牙齿的轮廓点云数据，并将提取出的轮廓点云数据划分为内轮廓点云数据和外轮廓点云数据两部分；
步骤三、对内轮廓点云数据进行拟合，得到帽贝牙齿内轮廓拟合曲线方程，对外轮廓点云数据进行拟合，得到帽贝牙齿外轮廓拟合曲线方程；
步骤四、根据内轮廓拟合曲线对车刀前刀面进行设计，根据外轮廓拟合曲线对车刀后刀面进行设计；
使设计后的车刀前刀面截面形状具有帽贝牙齿内轮廓拟合曲线特征，设计后的车刀后刀面截面形状具有帽贝牙齿外轮廓拟合曲线特征。
进一步地，所述步骤一的具体过程为：
通过光学显微镜获得帽贝牙齿几何图像。
进一步地，所述步骤三中进行拟合采用的方法是多项式拟合方法。
进一步地，所述帽贝牙齿内轮廓拟合曲线方程为：
y1＝-7.3×10-10x1 5+5.8×10-7x1 4-1.5×10-4x1 3+0.013x1 2-0.97x1-1.3 (1)
其中，x1是帽贝牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y1是帽贝牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
进一步地，所述帽贝牙齿外轮廓拟合曲线方程为：
y2＝2.2×10-11x2 5-2.8×10-8x2 4+1.2×10-5x2 3-0.0033x2 2+0.075x2+4 (2)
其中，x2是帽贝牙齿在投影平面外轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y2是帽贝牙齿在投影平面外轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
帽贝牙齿通过显微镜投影到平面上，并在投影平面上建立XOY坐标系，所述XOY坐标系以帽贝牙齿牙尖处为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。
更进一步地，所述步骤二的过程是采用matlab软件实现的。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种省力车刀仿生设计方法，本发明从仿生学的角度出发，发现帽贝牙齿具有良好的切削性能。通过模仿帽贝牙齿的几何形状，来优化车刀几何形状。优化完成的刀具的前刀面为变曲率曲面，刀具前角随曲率变化，致使刀具在切削过程始终处于“变前角”切削状态，促使切屑弯曲，从而与刀具发生分离和断裂，减小刀具与切屑之间的接触长度，进而减小刀具与切屑之间的摩擦阻力，以减小切削负载，减小车刀在工作过程中的切削力，提高切削效率。
附图说明
图1为帽贝牙齿点云数据图；
图2为帽贝牙齿内轮廓拟合曲线图；
图3为帽贝牙齿外轮廓拟合曲线图；
图4为设计车刀的二维结构图；
图5为设计车刀的三维模型示意图；
图6为设计车刀A-A截面示意图；
图7为设计车刀与普通车刀切削力对比图；
图中：1、前刀面，2、后刀面，3、切削刃，4、断屑槽。
具体实施方式
具体实施方式一、本实施方式所述的一种省力车刀仿生设计方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、获取帽贝牙齿图像；
步骤二、通过图像处理技术从帽贝牙齿图像中提取出帽贝牙齿的轮廓点云数据，并通过数据处理将提取出的轮廓点云数据划分为内轮廓点云数据和外轮廓点云数据两部分；
步骤三、对内轮廓点云数据进行拟合，得到帽贝牙齿内轮廓拟合曲线方程，对外轮廓点云数据进行拟合，得到帽贝牙齿外轮廓拟合曲线方程；
步骤四、根据内轮廓拟合曲线对车刀前刀面进行设计，根据外轮廓拟合曲线对车刀后刀面进行设计；
使设计后的车刀前刀面截面形状具有帽贝牙齿内轮廓拟合曲线特征，设计后的车刀后刀面截面形状具有帽贝牙齿外轮廓拟合曲线特征。
帽贝属于软体动物，腹足纲，体扁平，平时帽贝吸附在岩石上，以海草和海藻为食，并通过牙齿在坚硬的岩石上凿出一个环形低洼地带作为栖息场所。由此可见，帽贝牙齿具有很好的切削性能，这与其牙齿的几何形状密切相关。因此将帽贝牙齿几何形状应用于车刀的设计，对降低切削力，提高切削效率和使用寿命具有重要的意义。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一的具体过程为：
通过光学显微镜获得帽贝牙齿几何图像。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述步骤三中进行拟合采用的方法是多项式拟合方法。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述帽贝牙齿内轮廓拟合曲线方程为：
y1＝-7.3×10-10x1 5+5.8×10-7x1 4-1.5×10-4x1 3+0.013x1 2-0.97x1-1.3 (1)
其中，x1是帽贝牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y1是帽贝牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述帽贝牙齿外轮廓拟合曲线方程为：
y2＝2.2×10-11x2 5-2.8×10-8x2 4+1.2×10-5x2 3-0.0033x2 2+0.075x2+4 (2)
其中，x2是帽贝牙齿在投影平面外轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y2是帽贝牙齿在投影平面外轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
帽贝牙齿通过显微镜投影到平面上，并在投影平面上建立XOY坐标系，所述XOY坐标系以帽贝牙齿牙尖处为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤二的过程是采用matlab软件实现的。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
实施例1：根据图1的帽贝牙齿点云数据图得到图2的帽贝牙齿内轮廓拟合曲线图和图3的帽贝牙齿外轮廓拟合曲线图，即得到帽贝牙齿的内轮廓拟合曲线方程和帽贝牙齿的外轮廓拟合曲线方程。
根据图2的帽贝牙齿内轮廓曲线图和图3的帽贝牙齿外轮廓曲线图，设计出图4的车刀，所述车刀包括前刀面1、后刀面2以及处于前刀面1和后刀面2之间的切削刃3；
根据图4的车刀二维结构图得到图5的车刀三维模型示意图；并在所述车刀前刀面上设置断屑槽4。
根据图5的车刀三维模型示意图得到图6的车刀A-A截面示意图，所述车刀前刀面具有帽贝牙齿内轮廓曲线特征，所述车刀后刀面具有帽贝牙齿外轮廓曲线特征。
由图5的车刀进行车削仿真实验，与普通车刀对比，得到图7的设计车刀与普通车刀切削力对比图；由图7所示，本发明设计的车刀可以降低切削力。通过分析发现：所设计车刀前刀面为变曲率曲面，车刀前角随曲率变化，致使车刀在切削过程始终处于“变前角”切削状态，促使切屑弯曲，从而与车刀发生分离和断裂，减小车刀与切屑之间的接触长度，进而减小车刀与切屑之间的摩擦阻力，减小切削力。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种省力车刀仿生设计方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、获取帽贝牙齿图像；
步骤二、通过图像处理技术从帽贝牙齿图像中提取出帽贝牙齿的轮廓点云数据，并通过数据处理将提取出的轮廓点云数据划分为内轮廓点云数据和外轮廓点云数据两部分；
步骤三、对内轮廓点云数据进行拟合，得到帽贝牙齿内轮廓拟合曲线方程，对外轮廓点云数据进行拟合，得到帽贝牙齿外轮廓拟合曲线方程；
步骤四、根据内轮廓拟合曲线对车刀前刀面进行设计，根据外轮廓拟合曲线对车刀后刀面进行设计；
使设计后的车刀前刀面截面形状具有帽贝牙齿内轮廓拟合曲线特征，设计后的车刀后刀面截面形状具有帽贝牙齿外轮廓拟合曲线特征。
2.根据权利要求1所述的一种省力车刀仿生设计方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：
通过光学显微镜获得帽贝牙齿几何图像。
3.根据权利要求2所述的一种省力车刀仿生设计方法，其特征在于，所述步骤三中进行拟合采用的方法是多项式拟合方法。
4.根据权利要求3所述的一种省力车刀仿生设计方法，其特征在于，所述帽贝牙齿内轮廓拟合曲线方程为：
y1＝-7.3×10-10x1 5+5.8×10-7x1 4-1.5×10-4x1 3+0.013x1 2-0.97x1-1.3 (1)
其中，x1是帽贝牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y1是帽贝牙齿在投影平面内轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
5.根据权利要求4所述的一种省力车刀仿生设计方法，其特征在于，所述帽贝牙齿外轮廓拟合曲线方程为：
y2＝2.2×10-11x2 5-2.8×10-8x2 4+1.2×10-5x2 3-0.0033x2 2+0.075x2+4 (2)
其中，x2是帽贝牙齿在投影平面外轮廓拟合曲线的X轴坐标值，y2是帽贝牙齿在投影平面外轮廓拟合曲线的Y轴坐标值。
6.根据权利要求5所述的一种省力车刀仿生设计方法，其特征在于，所述步骤二的过程是采用matlab软件实现的。
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