CN117884694A - 一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法 - Google Patents

一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，涉及铣刀生产制造技术领域，通过采集立铣刀的可量化切削加工参数、冷却液排出参数以及金属碎屑的排屑路径相关参数，利用这些参数分析生成的影响指数，能够更精确地评估切削条件和冷却液排出系统对排屑效率的影响；通过建立截面角微调模型，对截面角结果进行微调，可以显著减少冷却液流速对金属碎屑排屑路径的不利影响，这种方法能够在设计阶段就综合考虑多种影响因素，优化容屑槽的截面方向设计，预期能够显著提高立铣刀的排屑效率和加工性能，减少试验调整的次数和成本，从而在加工精度、效率和工具寿命方面实现明显的改进。

Description

一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法
技术领域
本发明涉及铣刀生产制造技术领域，具体为一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法。
背景技术
积屑瘤是一种在金属切削过程中出现的现象，它是在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘附着的一小块很硬的金属。由于在切削过程中，切削底面和前刀面产生的挤压和剧烈摩擦，使得切屑底部的金属流动速度低于上层流动速度，形成了所谓的“滞流层”，当这个“滞流层”金属与前刀面之间的摩擦力大于切屑内部的结合力时，就会有一部分金属粘附在刀刃附近，形成积屑瘤。虽然积屑瘤的存在具有保护刀具和增大刀具工作前角等作用，但其存在也会影响加工精度和加工表面完整性。如果刀具的排屑性能差，切削过程中可能会产生更多的热量和摩擦，这将进一步加剧积屑瘤的形成，影响切削效果。在铣刀侧铣过程中，容屑槽的形状对排屑性能具有重要影响。容屑槽的形状直接决定了铣刀排屑的能力。合适的容屑槽形状可以有效地将切屑排出切削区域，减少切削阻力，提高加工效率；合适的容屑槽形状还可以防止切屑在加工过程中堵塞刀具和切削区域，当切屑堆积过多时，容屑槽可以及时将其排出，保持切削过程的稳定性和连续性；合适的容屑槽形状可以减少切屑对刀具的磨损，延长刀具的使用寿命；
传统的立铣刀容屑槽设计主要依赖于经验规则和简化的理论分析，往往忽视了切削加工过程中的复杂动态特性；例如，容屑槽的截面方向设计很少考虑到切削参数、冷却液性质以及金属碎屑的实际排屑路径等多种因素的综合影响，这导致在高速切削或难加工材料加工时，容屑槽的设计不足以有效排出切屑，容易导致切屑堵塞和切削温度过高，影响加工效率和工件质量，此外，传统方法在设计过程中往往需要多次试验调整，增加了开发成本和时间；通过有效排屑，可以降低切削温度和切削力，减少切屑对刀具的摩擦和冲击，从而减缓刀具磨损的速度，合适的容屑槽的形状也会对加工表面质量产生影响，合理设计的容屑槽可以减少毛刺和刀痕，提高加工表面的光洁度和精度；
中国专利公开号：CN217666696U，公开了一种最速曲线螺旋刃圆柱立铣刀，所述的立铣刀包括刀体、最速曲线螺旋刃、容屑槽槽型和容屑槽，所述立铣刀的最速曲线螺旋刃沿立铣刀所述的刀体的展开线是最速曲线，所述立铣刀的容屑槽槽型沿所述的最速曲线螺旋刃在所述刀体上缠绕得到容屑槽。
但是在实际使用过程中依然存在以下弊端：
上述立铣刀可以使切屑快速排出，但在加速排屑方面仅对铣刀轴向起作用，对于流屑（径向）方向的作用不大，且当容屑槽按照最速曲线设置后，冷却液具有一定的压力时，它具有概率带动金属碎屑一起流经容屑槽，如果冷却液进入容屑槽，就会与金属碎屑混合，会导致冷却液与金属碎屑形成泥状物，使排屑效果不佳；这种混合物会堵塞排屑通道，影响金属碎屑的顺利排出；
当冷却液混合沿着容屑槽最速曲线轨迹排出时，冷却液自身的流速会改变金属碎屑原本的最速曲线排屑路径，会导致金属碎屑在切削区域停留更长的时间，增加了刀具磨损的风险；
综上所述，现有立铣刀容屑槽截面方向确定方法中，改进的方向为，如何评估切削条件和冷却液排出系统对排屑效率的影响，以及如何减少冷却液流速对金属碎屑排屑路径的不利影响是当下需要改进的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，该方法用于立铣刀上刀体的容屑槽设计，所述容屑槽槽形曲线由最速曲线构成，且所述刀体上包括预设冷却液孔，所述最速曲线第一端与刀体上前刀面相切，最速曲线第二端与刀体上第一后刀面相切，第一后刀面端部设置有第二后刀面，具体为以下步骤：
S1：确定流屑角，流屑角为切削刃上任意一点在前刀面上的切屑流出方向与切削刃法向方向的夹角，表达式如下：
；
确定截面角，截面角为切削刃上任意一点处的流屑角和螺旋角确定，表达式如下所示：
；
式中：为切削刃与切削方向的夹角、为法向剪切角、为斜剪切角、为法向前角、为螺旋角、c为修正系数；
所述刀体刀尖向右水平放置，以切削刃上任意一点为圆心，该点在前刀面上的法向绕该点顺时针旋转截面角后的方向即为容屑槽截面的法向，截面角由流屑角和螺旋角共同得出；
步骤S2、采集立铣刀可量化的切削加工参数，以及通过容屑槽排出的冷却液参数，并采集金属碎屑排屑路径的相关参数A；
步骤S3、获取切削加工参数并进行分析处理，生成第一影响指数，第一影响指数用于评估切削条件对相关参数A的影响程度；
步骤S4、获取冷却液参数进行分析处理，生成第二影响指数，第二影响指数用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度；
步骤S5、接收第一影响指数和第二影响指数并进行分析处理，建立截面角微调模型，基于截面角微调模型，对确定的截面角结果进行微调，以减小冷却液自身流速对金属碎屑原本最速曲线排屑路径的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的立铣刀相对于普通立铣刀，其容屑槽形状由最速曲线和直线构成并且刀前刀面与最速曲线槽相切，使得切屑流出速度更快，避免切屑堆积、加工效率高、工件表面质量好、高速铣削稳定性好，降低了加工成本；
2、本发明的高效立铣刀容屑槽截面方向确定方法不同于普通立铣刀，而是刀具刀尖向右水平放置，以切削刃上任意一点为圆心，该点在前刀面上的法向绕该点顺时针旋转截面角后的方向即为容屑槽截面的法向，其中截面角由流屑角和螺旋角共同得出，这样设置可使最速曲线的最速特性和等时特性最大化；
3、通过采集立铣刀的可量化切削加工参数、冷却液排出参数以及金属碎屑的排屑路径相关参数，利用这些参数分析生成的影响指数，能够更精确地评估切削条件和冷却液排出系统对排屑效率的影响；
进一步地，通过建立截面角微调模型，对截面角结果进行微调，可以显著减少冷却液流速对金属碎屑排屑路径的不利影响，这种方法能够在设计阶段就综合考虑多种影响因素，优化容屑槽的截面方向设计，预期能够显著提高立铣刀的排屑效率和加工性能，减少试验调整的次数和成本，从而在加工精度、效率和工具寿命方面实现明显的改进。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的正视图；
图3为图2中A-A方向的剖视图；
图4是切屑离开工件瞬间的受力分析图；
图5为本发明的方法流程图。
图中：1刀体、2容屑槽、3前刀面、4第一后刀面、5第二后刀面。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
实施例一：
一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，该方法用于立铣刀上刀体1的容屑槽2，所述容屑槽2槽形曲线由最速曲线构成，且所述刀体1上包括预设冷却液孔，所述最速曲线第一端与刀体1上前刀面3相切，最速曲线第二端与刀体1上第一后刀面4相切，第一后刀面4端部设置有第二后刀面5，具体为以下步骤：
S1：确定流屑角，流屑角为切削刃上任意一点在前刀面3上的切屑流出方向与切削刃法向方向的夹角，表达式如下：
；
确定截面角，截面角为切削刃上任意一点处的流屑角和螺旋角确定，表达式如下所示：
；
式中：为切削刃与切削方向的夹角、为法向剪切角、为斜剪切角、为法向前角、为螺旋角、c为修正系数，假设修正系数c的取值范围为(0,0.2);
表示切削刃与切削方向的夹角；在铣削中，刀具的切削刃朝向工件表面的角度称为切削刃夹角；它影响着切削过程中刀具与工件间的切削力和切削质量；
表示法向剪切角，法向剪切角是刀具切削边界处切屑形成时的一个重要角度，影响着切削过程中切屑的形成和流动；
表示斜剪切角，斜剪切角是指刀具主切削刃与工件表面的夹角，它决定了切削过程中切削刃的切削深度和质量；
表示法向前角，法向前角是刀具主切削刃与切削方向之间的夹角，它影响着切削过程中切屑的形成和排出；
表示螺旋角；螺旋角是指切削刃上切削刃元的螺旋形状与轴线的夹角，它影响着切削过程中切屑的排出和切削质量；
其中，由于铣削是一种多刃间断式的螺旋回转切削，在侧铣的过程中上述流屑角的表达式不能准确描述切屑流出方向，故引入对流屑角进行修正，式中c值的选取由切削材料和刀具材料共同决定，其具体数值根据实际加工经验得出，取值范围在0到0.2之间；经过修正后的流屑角变为截面角，便可准确地表示切屑流出方向；
刀体1刀尖向右水平放置，以切削刃上任意一点为圆心，该点在前刀面上的法向绕该点顺时针旋转截面角后的方向即为容屑槽截面的法向，截面角由流屑角和螺旋角共同得出。
上述设置由于最速曲线具有最速特性，若切屑沿最速曲线流出，切屑将以最短的时间流出容屑槽，同时最速曲线具有等时特性，切屑之间不会相互挤压，可避免切屑在容屑槽内的堆积；
步骤S2、采集立铣刀可量化的切削加工参数，以及通过容屑槽2排出的冷却液参数，并采集金属碎屑排屑路径的相关参数A；
步骤S3、获取切削加工参数并进行分析处理，生成第一影响指数，第一影响指数用于评估切削条件对相关参数A的影响程度；
步骤S4、获取冷却液参数进行分析处理，生成第二影响指数，第二影响指数用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度；
步骤S5、接收第一影响指数和第二影响指数并进行分析处理，建立截面角微调模型，基于截面角微调模型，对确定的截面角结果进行微调，以减小冷却液自身流速对金属碎屑原本最速曲线排屑路径的影响。
实施例二：
在实施例一的基础上进一步说明，如图2所示，A-A方向的截面是容屑槽截面，x轴为切削刃上任意一点的法向方向，y轴为切削刃上任意一点的切向方向，容屑槽2截面是由流屑角加c倍的螺旋角确定；
最速曲线是指使仅受重力作用的物体，在起点高度和终点高度都相同时，两个质量、大小一样的小球同时从起点向下滑落，曲线的小球比直线上的小球先到终点，这是由于曲线轨道上的小球先达到最高速度，所以先到达。然而，尽管曲线有无数条，且用时均比直线短，但所沿曲线用时最短的曲线只有一条，这条曲线就是最速曲线，偏离最速曲线的曲线用时会比最速曲线长，但用时会比在直线段上短，也就是离最速曲线越近越能发挥最速曲线的等时特性和最速特性，容屑槽2槽形曲线采用最速曲线，使得保证切屑以最短的时间流出容屑槽2，最速曲线的等时特性可保证容屑槽2内的切屑不会相互挤压，避免切屑在容屑槽2内的挤压堆积；
第二后刀面5与最速曲线槽末端切线之间的夹角为的锐角，并且取值区间为10°-20°；
如图3所示，附图2内A-A方向的截面即为本附图3中容屑槽2截面，容屑槽2由前刀面3、最速曲线、第一后刀面4和第二后刀面5组成，最速曲线又叫摆线，是一个动圆沿直线滚动，圆上一固定点的轨迹即为摆线：
在本实施例的技术方案中，最速曲线的公式为：
；
其中是动圆半径，用于控制最速曲线的曲率半径；是最速曲线上任意一点与动圆的圆心连线和滚动方向的法线的夹角，，即动圆滚动的角度，用于控制最速曲线的长度，前刀面3与最速曲线槽相切，这种结构可以使切屑从前刀面5流出后进入最速曲线槽更加顺畅，加速排出；
容屑槽2截面方向和容屑槽2截面形状确定好之后，高效立铣刀的容屑槽2曲面可由容屑槽2截面形状沿螺旋线扫掠得出，立铣刀的半径R与r具有如下关系：
；
式中：r是动圆半径，用于控制最速曲线的曲率半径；是最速曲线上任意一点与动圆的圆心连线和滚动方向的法线的夹角，，即动圆滚动的角度，用于控制最速曲线的长度；
最速曲线中x和y分别表示最速曲线上任意一点的笛卡尔坐标系下的横坐标和纵坐标；具体来说，x表示该点在水平方向上的位置，而y表示该点在垂直方向上的位置；
由于在最速曲线的推导中，x和y的表达式都包含角度，因此x和y可以取负值，表示曲线在相应方向上的运动；
所述容屑槽螺旋角为30°-45°；
所述金属碎屑排屑路径的相关参数A包括流屑角、切削长度和切削声音参数，并依次进行标定，形成流屑角、切削长度Cl和切削声音参数CSp；
；
其中，c1、c2、c3为相应属性的权重系数，c1+c2+c3=1；
流屑角：切削刃上任意一点在前刀面上的切屑流出方向与切削刃法向方向的夹角，流屑角直接影响着切屑的排出方向和方式；
切屑长度：切屑的长度作为量化排屑路径的指标，较短或弯曲的切屑表示排屑路径不畅或刀具磨损严重；
所述切削长度Cl的获取方式通过以下数学表达式表示：
；
其中，N表示采集的切屑样本数量，表示第i个切屑的长度；
切削声音参数：切削过程中产生的声音参数反映切削过程中金属碎屑的排出情况，异常的声音和振动表示排屑路径存在问题；所述切削声音参数CSp通过以下数学表达式表示；
；
其中：
t代表每个切削过程中连续的时间序列数据，表示所花费的时间；
F(t)表示在时间序列t中声音信号的频率变化情况，单位赫兹（Hz）；
A(t）表示在时间序列t中声音信号的振幅变化情况；
表示在时间序列t中声音信号的其他用于描述声音特征的参数变化情况，具体包括以下各参数；
频谱能量：声音信号在不同频率上的能量分布，可以用来反映声音的整体强度；
谱带宽度：频谱的宽度，描述频谱中频率分布的范围，反映声音的频率集中度；
谱平均值：频谱的中心位置，表示声音频率的平均值，对于描述声音的整体音调有帮助；
谱偏度：频谱的偏斜度，描述频谱分布的对称性或不对称性；
谱峰度：频谱的尖峭度，用于描述频谱峰值的陡峭程度；
频率变化率：声音频率随时间的变化速率，可以用于检测频率的快速变化，反映刀具与工件之间的交互情况；
振幅变化率：声音振幅随时间的变化速率，可用于检测振幅的快速变化，反映切削过程中的动态变化；
谱色彩：频谱的颜色特性，描述声音的音质或色彩，对于识别特定切削状态可能很有用；
函数f(）表示从声音信号中提取有用信息的处理函数，它包括以下步骤：
信号预处理：去噪、滤波处理，以消除噪音并突出切削过程中产生的声音信号；
频谱分析：使用傅里叶变换或其他频域分析技术将声音信号转换为频谱图，以获得声音的频率成分；
特征提取：从频谱图中提取有用的频率、振幅特征参数，作为切削声音参数的一部分；
其他谱特征处理：根据需要，提取其他谱特征，如频谱形状、谱峰值，以更全面地描述声音信号的特征；
由于声音信号的频率成分、振幅以及其他谱特征对切削过程产生不同的影响，采用线性加权求和作为处理函数，这种方法可以简单地将不同特征组合起来，并通过调整权重系数来平衡它们的影响；
假设选择线性加权求和作为处理函数：
；
在这个公式中，,,和是相应特征的权重系数，并根据实际情况进行调整，并对CSp进行以下的举例计算；
假设有以下值：
F(t)=500Hz、A(t)=0.7、PTz(t)=0.5、、、；
将这些值代入公式，进行计算：；
所述可量化的切削加工参数包括切削速度、进给率、切削深度、刀具材料指标、工件材料指标和刀具几何参数，并依次进行标定，形成切削速度Vc、进给率f、切削深度Sd、刀具材料指标Kt、工件材料指标Kw和刀具几何参数P；
切削速度：切削速度直接影响切屑的生成速率和形态，是切削加工中一个关键参数；
使用切削速度测量仪器，如转速表，测量刀具的转速；
通过工件直径和刀具转速计算得到切削速度，，其中D是刀具直径，n是刀具转速；
进给率：进给率决定了单位时间内刀具相对于工件的移动距离，影响切屑的厚度和产生速度，使用进给率测量仪器，如进给器，测量刀具在单位时间内对工件的移动距离；进给率是在加工过程中直接设置的，也可以通过实验来调整和确认；
切削深度：切削深度影响切削力和热量的生成，进而影响切屑的形状和排出效率；使用测微计仪器，测量刀具进入工件的深度，切削深度也可以通过设定加工设备或通过实验来控制和确认；
刀具材料：不同刀具材料具有不同的硬度、韧性和耐磨度，这些属性影响切削过程中的切屑形成；
刀具材料指标Kt使用加权求和来量化刀具材料的性能，表达式如下；
；
其中，a1、a2、a3为相应属性的权重系数，根据实际需求确定，且a1+a2+a3=1，Yd1表示刀具硬度、Rx表示刀具韧性、Nm表示刀具耐磨度；
工件材料：工件材料的硬度、强度和热导性属性会影响切屑的形态和排屑效率；
工件材料指标Kw使用加权求和来量化工件材料的性能，表达式如下；
；
其中，b1、b2、b3为相应属性的权重系数，根据实际需求确定，且b1+b2+b3=1，Yd2表示工件材料的硬度、Qd表示强度、RDx表示热导性；
刀具几何参数包括刀尖半径、前角、后角，这些参数决定了刀具与工件的接触条件，影响切屑的形成和排出；刀尖半径、前角、后角直接通过测量或从刀具技术数据中获取；
将刀具几何参数表示为一个向量：，其中，是刀尖半径，是前角，是后角；
所述冷却液参数包括冷却液流量、冷却液压力、喷射角度和冷却液温度，并依次进行标定，形成冷却液流量Ql、冷却液压力Yp、喷射角度Pj和冷却液温度Wt；
冷却液流量：使用流量计或者计量罐仪器来直接测量冷却液的初始流量，高流量冷却液可以更有效地清除切屑，减少切削区的温度；
冷却液压力：使用压力表或者压力传感器仪器来测量冷却液在喷嘴处的压力，压力越高，冷却液的冲刷能力越强，有助于切屑的迅速排出；
喷射角度：冷却液的喷射角度用于确保冷却液能够有效到达切削区域并清除切屑，通过目视检查或者使用相机设备拍摄冷却液喷射的角度，为现有技术中的图像识别；
一般步骤如下：
图像处理技术可以应用于处理拍摄到的冷却液喷射图像，以提取喷射角度相关信息，具体为，
边缘检测：使用边缘检测算法来识别冷却液喷射的边缘，从而确定喷射方向；
特征提取：识别图像中的特定特征，如喷嘴的位置和形状，以及冷却液喷射的路径；
图像配准：将多个图像进行配准，以获取更全面的喷射角度信息；
角度测量：利用已知的参考尺寸和几何关系，计算冷却液喷射的角度；
冷却液温度：冷却液的温度影响其冷却效果和切屑的排出效率，通过红外线热像仪设备近似测量冷却液的温度；
对以上切削加工参数、相关参数A和冷却液参数中的每一参数，使用线性归一化的方法将其映射到[0,M]区间内，本实施例中M为1，具体公式为：
；
其中，是参数的最小值，是参数的最大值，X是参数的原始值。
实施例三：
在实施例二的基础上进一步说明，如图4所示，切屑离开工件的瞬间受到刀具作用的切向力、与前刀面之间的摩檫力和自身重力G的共同作用，其中切向力起主导作用，切向力与重力G在面1上，其合力的方向与切向力的方向相近，近似沿着切屑流出的初始方向；
在本案例中，面1上的与面2上的摩檫力的合力为面3上的，切屑所受的合力与最速曲线定义中的重力等效，切屑流出的初始方向与最速曲线的运动初始方向等效，切屑与工件脱离之后运动方向与小球运动的初始方向一样，均是力的方向与运动的初始方向一致；
在本案例中，切屑流出方向即为切屑所受合力的方向，此方向垂直于容屑槽截面的法向，也就是与最速曲线容屑槽2起点的切线方向相一致的方向，因此，沿切屑流出方向做一平面，将该平面与容屑槽的截线设计成最速曲线，就可以发挥最速曲线的最速特性和等时特性，有效避免切屑的挤压、堆积，用时最短的脱离前刀面及容屑槽，随着切削参数、冷却液压力、工件材质等因素的变化，切屑所受的合力会发生变化，但是变化后的合力与原合力差异性不大，因此，在上述因素变化后，切屑方向会与最速曲线的切线方向发生变化，但是变化很小，也就是此时虽然不会最大程度地发挥最速曲线的最速特性和等时特性，但是能尽可能地发挥其最速特性和等时特性，因此，效果要优于原结构；
所述获取切削加工参数并进行分析处理，生成第一影响指数，第一影响指数用于评估切削条件对相关参数A的影响程度，具体包括以下内容；
定义第一影响指数为，计算公式如下：
；
其中，是一个根据切削参数设计的高等积分函数，用于评估切削参数对切削效果的综合影响，而分母中的指数函数用于归一化金属碎屑排屑路径的相关参数，以确保的值在一个合理的范围内，（a,b,c）是与相关的权重系数，用于调整这些参数在影响指数中的相对重要性；
并定义函数如下：
；
其中，e1、e2、e3是调整切削速度Vc，进给率f，切削深度Sd在函数中影响的系数，（|P|）表示刀具几何参数向量的模，提供了一个量化刀具几何特征对切削过程影响的方法，这个复合函数结合了切削参数和刀具、工件材料属性的影响，提供了一个对切削效率和效果的综合评价；
为第一影响指数，用于评估切削条件对金属碎屑排屑路径的影响程度；为流屑角，表示切屑流出的方向；Cl为切削长度；CSp为切削声音参数；Vc为切削速度；f为进给率；Sd为切削深度；Kt为刀具材料指标；Kw为工件材料指标；P为刀具几何参数，包括刀尖半径，前角，后角；
设定第一影响指数在[0.1,10]区间内，并设定[0.1,10]区间内的低阈值和高阈值分别为h1、h2，且0.1＜h1＜h2＜10，h1＜4，h2＞7；
当h1≥≥0.1时，表示在给定的切削条件下，相关参数对金属碎屑排屑路径的影响非常小，即切削条件几乎不影响排屑效率，这意味着切削参数处于一个较为理想的状态，切削过程中产生的碎屑容易排出，减少了切削区的堆积，有助于提高切削效率和加工质量；
当h2＞＞h1时：表示切削条件对金属碎屑排屑路径的影响程度处于中等水平，这表明虽然切削条件对排屑效率有一定影响，但需要进一步调整切削参数或刀具设计来优化排屑效率和加工质量；
当＞h2时：表示切削条件对金属碎屑排屑路径的影响非常大，即在当前的切削条件下，排屑效率低下，会导致切削区堆积过多的碎屑，增加了切削阻力，降低了加工效率和加工表面质量，在这种情况下，需要对切削参数进行重大调整，或者改进刀具设计以优化排屑路径。
实施例四：
在实施例三的基础上进一步说明，为了验证所提出的第一影响指数的实际应用价值，进行了一系列的切削实验，实验选用了三种不同的材料作为试验对象，分别是低碳钢、不锈钢和铝合金，每种材料都在不同的切削速度Vc、进给率f和切削深度Sd下进行切削，以评估这些变量对切削效率和碎屑排屑路径的影响。实验中，刀具材料指标（Kt)、工件材料指标（Kw）以及刀具几何参数（P）被认为是固定值，从而主要关注速度、进给率和切削深度的变化对切削效果的影响；
实验前，通过精密测量设备标定了流屑角、切削长度（Cl）和切削声音参数（CSp)，此外，设定权重系数（a,b,c）分别为0.5、1.5和2.0，以反映流屑角、切削长度和切削声音参数在评估过程中的相对重要性，这些参数的选择旨在通过的计算，全面评估切削条件对碎屑排屑路径的影响；
在实施过程中，采用了数控机床进行切削实验，实验数据通过高精度传感器收集，并通过专业软件进行处理，最终计算出每种材料在不同切削条件下的第一影响指数；
实验数据表格：
下表展示了在不同切削条件下的实验结果，包括三种材料的流屑角、切削长度、切削声音参数以及最终的第一影响指数；
表一
数据分析：
通过对上述表格的数据分析，可以看出，第一影响指数在不同材料和切削条件下展现出了明显的差异，假设，不锈钢在较高的切削速度和进给率下，以及相对较大的切削深度条件下，第一影响指数达到了5.8，这表明在这种条件下，切削参数对碎屑排屑路径的影响较大，会导致排屑效率低下，增加切削阻力，从而影响加工效率和表面质量；
流屑角的影响和微调：实验数据显示，不同的切削条件下，流屑角η呈现出显著的变化，这对碎屑的排屑路径有直接影响，假设，不锈钢的流屑角在较高切削速度和进给率下增大，这导致碎屑排出不畅，增加排屑阻力，通过对截面角进行微调，可以优化碎屑的排屑路径，减少碎屑在切削区的堆积，从而提高排屑效率和加工质量；
冷却液流速的调整：冷却液在切削过程中起到冷却和润滑作用，但其流速过高或过低都会对碎屑的排屑路径产生影响，从实验数据中可以看出，适当调整冷却液的流速有助于减少其对金属碎屑原本最速曲线排屑路径的干扰，特别是在处理不锈钢这类难加工材料时，通过精确控制冷却液流速，可以显著改善碎屑的排屑效率，减少切削区的温度，从而避免了碎屑形态不规则导致的排屑不畅；
切削参数对排屑效率的综合影响：第一影响指数提供了一个量化的方式来评估切削条件对排屑效率的影响，通过比较不同材料在不同切削条件下的值，可以确定哪些切削参数组合能够优化排屑路径，减少碎屑对加工区域的影响，假设，铝合金在较低的切削深度和进给率下显示出较低的值，这表明在轻负荷切削条件下，排屑效率较高，加工质量较好，冷却液的流速调整对于这种材料的加工影响较小；
综上所述，通过精确调整切削条件，特别是通过对流屑角的微调和冷却液流速的优化，可以显著提高切削加工过程中的排屑效率和加工质量，这种方法不仅减少了冷却液对碎屑排屑路径的负面影响，还提高了加工效率和表面质量。
实施例五：
在实施例三的基础上进一步说明，所述获取冷却液参数进行分析处理，生成第二影响指数，第二影响指数用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度，具体包括以下内容；
定义第二影响指数的计算公式为：
；
其中：
是第二影响指数，用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度；
，是根据流屑角、切削长度Cl和切削声音参数CSp计算得到的参数A的综合值；
是参数A的最大值，用于归一化，确保在0到1之间；
Ql是冷却液流量，和是调整冷却液流量影响的系数；
Yp是冷却液压力，是冷却液压力的最大值，用于归一化；
Pj是喷射角度，用于评估其对冷却效果的影响；
Wt是冷却液温度，是冷却液温度的最大值，用于归一化；
是调节冷却液压力影响的指数系数；
此公式结合了流屑角、切削长度、切削声音参数和冷却液的流量、压力、喷射角度、温度多个因素，反映了这些因素如何综合影响第二影响指数；
值域解释：的值域设定为，表示冷却液排出系统对相关参数A影响程度的评估从无影响0到最大影响1，不同的值表示冷却系统对切削过程的影响程度，较高的值意味着冷却系统对切削效率和质量有较大的正面影响，反之则表示影响较小；
对第二影响指数的影响程度进行具体说明，将的值域分为以下几个区间，每个区间代表冷却液排出系统对相关参数A影响程度的不同级别，以下是具体的设定和说明：
无影响至微弱影响区间[0,0.25]：在这个区间内，第二影响指数表示冷却液排出系统对切削效率和质量的影响非常小，几乎可以忽略，这意味着冷却液的流量、压力、喷射角度和温度都未能有效地提升切削效率或质量，在实际操作中，这提示操作者需要调整冷却系统的参数，增加冷却液的流量或压力，调整喷射角度，或者降低冷却液的温度，以提高切削效率和质量；
低度影响区间（0.25,0.5]：第二影响指数在这个区间内，说明冷却液排出系统对切削效率和质量有一定的正面影响，但影响程度仍然有限，操作者可以观察到一定程度的切削效率提升和质量改善，但仍有改进空间，此时，应进一步优化冷却液参数，如微调流量和压力，以求得更佳的切削效果；
中度影响区间（0.5,0.75]：当第二影响指数处于这个区间时，表示冷却液排出系统对切削过程的影响显著，切削效率和质量得到了明显提升，这个区间的值是实际操作中较为理想的结果，表明冷却系统的设置较为合理，能够有效地帮助切削过程，此时，可以考虑保持当前冷却液参数设置，或根据实际需求进行细微调整；
高度影响区间（0.75,1]：在这个区间，第二影响指数的高值表示冷却液排出系统对切削效率和质量有极大的正面影响，这意味着冷却液的参数设置非常适合当前的切削条件，能够最大化切削效率和提升加工质量；在这种情况下，建议保持冷却系统的当前设置，并将其作为其他类似加工条件下的参考；
通过将第二影响指数的值域分成这几个区间并给出详细的量化说明，能够更精确地评估冷却液排出系统对切削过程的影响，并据此调整冷却系统的参数，以优化切削效率和质量，这种量化的方法不仅有助于理解冷却系统的作用，也为实际操作提供了具体的指导，对于实际实施，这些区间值和第二影响指数的计算可以直接应用于机床操作面板上，通过实时监控和自动调整冷却液参数，如流量、压力、喷射角度和温度，以实现最优的切削效率和质量，操作者可以根据的实时值选择是否调整机床的冷却系统设置，或者机床可以自动执行这些调整，这种交互式的方法不仅提升了加工效率，还通过精确控制冷却液的参数来保证了加工质量，实现了高效且自动化的切削加工过程；
为了验证所提出的第二影响指数计算公式及其在评估冷却液排出系统效能方面的应用，进行了一系列实验，实验旨在通过改变冷却液参数，观察对切削效率和质量的影响，从而证明的有效性和优势。实验准备包括设置不同的冷却液流量Ql、冷却液压力Yp、喷射角度Pj和冷却液温度Wt，同时记录流屑角、切削长度Cl和切削声音参数CSp的变化，使用高精度测量设备来记录这些参数，并利用所述公式计算值；
在实施过程中，首先确定了参数，，的理论最大值，以便进行归一化处理，接着，通过精密控制设备调整冷却液的流量、压力、喷射角度和温度，进行了五组不同的实验设置，每组实验都严格控制实验条件，确保数据的可靠性和有效性；通过实验所收集的数据，采用预先定义的第二影响指数计算公式进行处理，得到每组实验的值；
实验过程中还重点考察了冷却液参数对切削效率和加工质量的具体影响，通过对比不同实验组的值，来评估冷却系统的性能和优化方向，这不仅验证了公式的实际应用价值，也为冷却系统的优化提供了科学依据；
实验表格如下所示：
表二
根据实验数据的对比分析，观察到随着冷却液参数（包括流量Ql、压力Yp、喷射角度Pj和温度Wt）的优化调整，第二影响指数呈现出逐渐增加的趋势，此趋势不仅验证了所提公式的实用性，也突显了发明中计算第二影响指数的方法在提高切削效率和质量方面的创新性和有效性；
具体来看，从实验组A到实验组E，随着冷却液流量和压力的增加，以及喷射角度和温度的合理调节，值从0.2增加到0.95，这表明冷却液排出系统的优化对提高切削过程的效率和质量起到了显著作用，特别是在实验组E中，接近最大化的值0.95强烈表明，通过精确控制冷却液参数，可以显著提升切削效率和加工质量，达到了高度影响区间，说明了发明内容的高创造性和实际应用的新颖性；
此外，实验数据也揭示了不同冷却液参数组合对于实现不同切削效果的影响程度，为进一步优化冷却系统提供了定量的依据，通过这种方式，可以更加精细地调整冷却液参数，以适应不同的切削要求，展示了本发明在提供定制化冷却解决方案方面的潜力和灵活性；
综上所述，实验数据的分析不仅证实了第二影响指数计算公式的科学性和有效性，也展现了本发明在提高切削过程效率和质量方面的明显优势。
实施例六：
在实施例五的基础上进一步说明，所述接收第一影响指数和第二影响指数并进行分析处理，建立截面角微调模型，基于截面角微调模型，对确定的截面角结果进行微调，以减小冷却液自身流速对金属碎屑原本最速曲线排屑路径的影响，具体包括以下内容；
定义截面角微调模型计算公式为：
；
其中：
为第一影响指数；为第二影响指数；为截面角，是切削刃上任意一点处的流屑角和螺旋角确定的角度；是一个调整因子，用以平衡和在微调模型中的影响；是用于调整和交互作用的非线性系数；是一个调整因子，用以衡量冷却液流速变化量对排屑路径的影响程度；代表冷却液流速变化量；
该公式中，和的交互通过一个指数函数进行调制，反映了它们相互之间的非线性关系；和通过乘积关系结合，表示截面角在冷却液流速变化下的微调是与第二影响指数直接相关的；最后，冷却液流速的变化量通过一个指数衰减函数影响整个模型，模拟冷却液流速变化对排屑路径影响的减少效应；
值域解释：的值域设计为（0,1)，其中接近0表示微调效果最小，即冷却液流速的变化对排屑路径的影响最小；接近1表示微调效果最大，即冷却液流速的变化对排屑路径的影响最大；这样的设计使得微调模型的输出具有明确的物理意义，便于工程师根据的值判断微调的效果，并据此进行进一步的决策。
实施例七：
在实施例六的基础上进一步说明，截面角微调模型判断标准和规则如下：
调整因子设定：基于实验数据或仿真分析，设定在0.5至1.5的范围内，其中较低的值用于微调模型对的响应灵敏度较低的情况，而较高的值用于响应灵敏度较高的情况，这样的设计允许根据不同切削环境和材料属性进行灵活调整；
非线性系数设定：设定在比对时的特定阈值，取值在0.2至0.8之间，用于界定微调效果的优先级和紧迫性，假设，当时，应立即进行调整，以避免切削效率和质量的显著下降；设定在0.1至10的范围内选择，以控制和之间的交互作用强度，具体值由预先设定的阈值决定，该阈值基于切削条件的复杂度和预期的排屑效率来设定；假设，对于复杂的切削条件和较低的排屑效率，设定为接近上限的值，以增强模型的调整能力；
流速变化调整因子设定：的选择基于冷却液流速变化的典型范围，设定在0.01至0.1之间，这使得模型能够在不同的冷却条件下灵活调整，以达到最佳的排屑效果；
截面角微调策略：设定的微调范围限制在原始设定值的±5°内；这样的精细调整范围旨在保证刀具的性能不受显著影响，同时优化排屑路径；
判断标准设计：
当接近0时，表明当前的冷却液流速和切削参数组合对排屑路径影响较小，无需进行大幅度调整；
当大于0.5时，表明需要进行较大的截面角微调，以显著减少冷却液流速变化对排屑路径的影响；
设定截面角微调的量化公式为：
；
其中，是需要对截面角进行的微调幅度，是微调模型输出值；
微调幅度计算：
基线调整：当时，考虑到微调的紧迫性较低，设定一个较小的调整幅度：
；
其中，是微调紧迫性低阈值，本实施例中设定为0.2，是调整系数，用于控制微调幅度的大小，根据实际需求设定；
加强调整：当，且时，需要一个中等幅度的调整：
；
其中，是当刚超过时的基础调整幅度，是此阶段的调整系数；
紧急调整：当时，表明需要进行较大幅度的调整：
；
其中，是时的调整幅度基线，是较大幅度调整的系数；
调整系数设定：
，，和根据实际切削条件和所需微调精度设定，这些系数通过实验或仿真分析确定；
和作为基线调整幅度，根据过去的经验数据和工程判断设定；
通过上述详细说明，能够精确地根据的值来确定需要对截面角进行的微调幅度，从而优化切削过程，减少冷却液流速变化对金属碎屑排屑路径的影响；
表示当角度刚超过阈值时的基础调整幅度；它的设定考虑到微调的紧迫性较低，因此通常设置为一个相对较小的值；这个值可以根据过去的经验数据和工程判断来确定，确保在微调开始时调整幅度适度；
表示当角度大于 0.5时的调整幅度基线；这个值用于紧急调整阶段，比基础调整幅度大；根据过去的经验数据和工程判断来确定，确保在需要较大幅度调整时能够及时响应；
综上所述，本发明的立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其容屑槽2形状由最速曲线和直线构成，使得切屑流出速度更快，避免切屑堆积、加工效率高、工件表面质量好、高速铣削稳定性好，降低了加工成本；同时，刀体1刀尖向右水平放置，以切削刃上任意一点为圆心，该点在前刀面3上的法向绕该点顺时针旋转截面角后的方向即为容屑槽2截面的法向，其中截面角由流屑角和螺旋角共同得出，这样设置可使最速曲线的最速特性和等时特性最大化。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，该方法用于立铣刀上刀体（1）的容屑槽（2）设计，所述容屑槽（2）槽形曲线由最速曲线构成，且所述刀体（1）上包括预设冷却液孔，其特征在于：所述最速曲线第一端与刀体（1）上前刀面（3）相切，最速曲线第二端与刀体（1）上第一后刀面（4）相切，第一后刀面（4）端部设置有第二后刀面（5），具体为以下步骤：
步骤S1：确定流屑角，流屑角为切削刃上任意一点在前刀面（3）上的切屑流出方向与切削刃法向方向的夹角，表达式如下：
；
确定截面角，截面角为切削刃上任意一点处的流屑角和螺旋角确定，表达式如下所示：
；
式中：为切削刃与切削方向的夹角、为法向剪切角、为斜剪切角、为法向前角、为螺旋角、c为修正系数；
所述刀体（1）刀尖向右水平放置，以切削刃上任意一点为圆心，该点在前刀面（3）上的法向绕该点顺时针旋转截面角后的方向即为容屑槽（2）截面的法向，截面角由流屑角和螺旋角共同得出；
步骤S2、采集立铣刀可量化的切削加工参数，以及通过容屑槽（2）排出的冷却液参数，并采集金属碎屑排屑路径的相关参数A；
步骤S3、获取切削加工参数并进行分析处理，生成第一影响指数，第一影响指数用于评估切削条件对相关参数A的影响程度；
步骤S4、获取冷却液参数进行分析处理，生成第二影响指数，第二影响指数用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度；
步骤S5、接收第一影响指数和第二影响指数并进行分析处理，建立截面角微调模型，基于截面角微调模型，对确定的截面角结果进行微调，以减小冷却液自身流速对金属碎屑原本最速曲线排屑路径的影响。
2.根据权利要求1所述的一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其特征在于：所述第二后刀面（5）与最速曲线槽末端切线之间的夹角为的锐角，并且取值区间为10°-20°;
所述最速曲线的公式为：
；
立铣刀的半径R与具有如下关系：
；
式中：是动圆半径，用于控制最速曲线的曲率半径；是最速曲线上任意一点与动圆的圆心连线和滚动方向的法线的夹角，，即动圆滚动的角度，用于控制最速曲线的长度。
3.根据权利要求2所述的一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其特征在于：所述金属碎屑排屑路径的相关参数A包括流屑角、切削长度和切削声音参数，并依次进行标定，形成流屑角、切削长度Cl和切削声音参数CSp，相关参数A通过以下公式表示；
；
其中，c1、c2、c3为相应属性的正权重系数，c1+c2+c3=1；
所述可量化的切削加工参数包括切削速度、进给率、切削深度、刀具材料指标、工件材料指标和刀具几何参数，并依次进行标定，形成切削速度Vc、进给率f、切削深度Sd、刀具材料指标Kt、工件材料指标Kw和刀具几何参数P；
其中，刀具材料指标Kt使用加权求和来量化刀具材料的性能，表达式如下；
；
其中，a1、a2、a3为相应属性的正权重系数，根据实际需求确定，且a1+a2+a3=1，Yd1表示刀具硬度、Rx表示刀具韧性、Nm表示刀具耐磨度；
工件材料指标Kw使用加权求和来量化工件材料的性能，表达式如下；
；
其中，b1、b2、b3为相应属性的正权重系数，根据实际需求确定，且b1+b2+b3=1，Yd2表示工件材料的硬度、Qd表示强度、RDx表示热导性；
刀具几何参数包括刀尖半径、前角、后角；
将刀具几何参数表示为一个向量：，其中，是刀尖半径，是前角，是后角；
所述冷却液参数包括冷却液流量、冷却液压力、喷射角度和冷却液温度，并依次进行标定，形成冷却液流量Ql、冷却液压力Yp、喷射角度Pj和冷却液温度Wt。
4.根据权利要求3所述的一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其特征在于：所述获取切削加工参数并进行分析处理，生成第一影响指数，第一影响指数用于评估切削条件对相关参数A的影响程度，具体包括以下内容；
定义第一影响指数为，计算公式如下：
；
其中，是一个根据切削参数设计的高等积分函数，用于评估切削参数对切削效果的综合影响，而分母中的指数函数用于归一化金属碎屑排屑路径的相关参数，（a,b,c）是与相关的权重系数，用于调整这些参数在影响指数中的相对重要性；
并定义函数如下：
；
其中，e1、e2、e3是调整切削速度Vc，进给率f，切削深度Sd在函数中影响的正系数，（|P|）表示刀具几何参数向量的模；
为第一影响指数，用于评估切削条件对金属碎屑排屑路径的影响程度；为流屑角，表示切屑流出的方向；Cl为切削长度；CSp为切削声音参数；Vc为切削速度；f为进给率；Sd为切削深度；Kt为刀具材料指标；Kw为工件材料指标；P为刀具几何参数，包括刀尖半径，前角，后角；
设定第一影响指数在[0.1,10]区间内，数值越大，表示切削条件对金属碎屑排屑路径的影响越大，并设定[0.1,10]区间内的低阈值和高阈值分别为h1、h2，且0.1＜h1＜h2＜10，h1＜4，h2＞7。
5.根据权利要求4所述的一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其特征在于：所述获取冷却液参数进行分析处理，生成第二影响指数，第二影响指数用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度，具体包括以下内容；
定义第二影响指数的计算公式为：
；
其中：
是第二影响指数，用于评估冷却液排出系统对相关参数A的影响程度；
，是根据流屑角、切削长度Cl和切削声音参数CSp计算得到的参数A的综合值；
是参数A的最大值，用于归一化，确保在0到1之间；
Ql是冷却液流量，和是调整冷却液流量影响的系数；
Yp是冷却液压力，是冷却液压力的最大值，用于归一化；
Pj是喷射角度，用于评估其对冷却效果的影响；
Wt是冷却液温度，是冷却液温度的最大值，用于归一化；
是调节冷却液压力影响的指数系数；
的值域设定为，表示冷却液排出系统对相关参数A影响程度的评估从无影响0到最大影响1，较高的值意味着冷却系统对切削效率和质量有较大的正面影响，反之则表示影响较小。
6.根据权利要求5所述的一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其特征在于：所述接收第一影响指数和第二影响指数并进行分析处理，建立截面角微调模型，基于截面角微调模型，对确定的截面角结果进行微调，以减小冷却液自身流速对金属碎屑原本最速曲线排屑路径的影响，具体包括以下内容；
定义截面角微调模型计算公式为：
；
其中：
为第一影响指数；为第二影响指数；为截面角，是切削刃上任意一点处的流屑角和螺旋角确定的角度；是一个调整因子，用以平衡和在微调模型中的影响；是用于调整和交互作用的非线性系数；是一个调整因子，用以衡量冷却液流速变化量对排屑路径的影响程度；代表冷却液流速变化量；
的值域设计为（0,1)，其中接近0表示微调效果最小，即冷却液流速的变化对排屑路径的影响最小；接近1表示微调效果最大，即冷却液流速的变化对排屑路径的影响最大。
7.根据权利要求6所述的一种立铣刀容屑槽截面方向确定方法，其特征在于：截面角微调模型判断标准和规则如下：
基于实验数据或仿真分析，设定在0.5至1.5的范围内，其中较低的值用于微调模型对的响应灵敏度较低的情况，而较高的值用于响应灵敏度较高的情况；
设定在比对时的特定阈值，取值在0.2至0.8之间，用于界定微调效果的优先级和紧迫性；
的选择基于冷却液流速变化的典型范围，设定在0.01至0.1之间；
并设定的微调范围限制在原始设定值的±5°内；
判断标准设计：
当接近0时，表明当前的冷却液流速和切削参数组合对排屑路径影响较小，无需进行大幅度调整；
当大于0.5时，表明需要进行较大的截面角微调，以显著减少冷却液流速变化对排屑路径的影响；
设定截面角微调的量化公式为：
；
其中，是需要对截面角进行的微调幅度，是微调模型输出值；
微调幅度计算为以下所示：
当时，考虑到微调的紧迫性较低，设定一个较小的调整幅度：
；
其中，是微调紧迫性低阈值，是调整系数，用于控制微调幅度的大小，根据实际需求设定；
加强调整：当，且时，需要一个中等幅度的调整：
；
其中，是当刚超过时的基础调整幅度，是此阶段的调整系数；
紧急调整：当时，表明需要进行较大幅度的调整：
；
其中，是时的调整幅度基线，是较大幅度调整的系数；
调整系数设定：
，，和根据实际切削条件和所需微调精度设定；
和作为基线调整幅度，根据过去的经验数据和工程判断设定。
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