CN114939693B - 一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法 - Google Patents

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Abstract

本方案属于硬质合金铣刀设计及制造技术领域，具体涉及一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，包括:步骤一：采用离散化方法将复杂型线铣刀切削刃沿轴向等间距离散为无限个切削刃微元，步骤二：在保证刃口安全的前提下，确定其最佳的前角、后角、刃口半径以及匹配的切削速度和单齿进给量；步骤三：固定切削速度和单齿进给量，根据切削刃各点切削状态或工况的严酷程度逐次优化设计其他微元刀具模型；步骤四：根据可制造性原则，对每个微元刀具模型组合叠加进行约束，实现复杂型线铣刀的优化设计。本方案采用“切削状态均衡设计方法”，将型线铣刀沿轴向离散为微元刀具单元，让切削状态最恶劣的刃口位置获得最佳的承载能力，保证刃口的安全性。

Description

一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法
技术领域
本方案属于硬质合金铣刀设计及制造技术领域，具体涉及一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法。
背景技术
目前，传统的刀具设计流程是：刀具材料优选、刀具几何设计、刀具制造、涂层优选、切削试验及刀具优化，最后形成实际的刀具产品。刀具各项性能参数皆在后期通过大量切削试验来验证，这是一个复杂而漫长的过程。一旦试验结果不理想，除了付出设计和时间成本外，相关的前期流程便需要重新设计，如此反复直至定型。发现问题越晚，重新设计所承担的成本就越高。这种刀具设计方法效率低、周期长、生产和试验成本高，有时还会出现设计方案的较大反复，造成巨大浪费，满足不了快速、精确、可靠地研制高性能刀具的需求，迫切需要先进的刀具设计方法来指导，加快刀具开发速度。
专利号为202210166479.0的专利公开一种非标复杂槽型铣刀及其断屑槽的加工方法，该铣刀的刃口型线是枞树型，具有3或4齿，铣刀的前角为0°、螺旋角为100～15°，在铣刀每一齿刃背上均有一条与刃口型线轨迹一致的断屑槽，这些断屑槽型线呈波纹状，各齿的断屑槽按铣刀螺旋方向次第交错波长/齿数；所述断屑槽型线满足如下关系：R＞r；且r＝(L/2×L/2+h×h为2×R×h)/(2×h)，式中：L为波距，h为波深，r为上半波圆弧半径；R为下半波圆弧半径。断屑槽的加工方法是用AutoCAD绘图工具软件绘制出铣刀断屑槽型线，将其导入数控机床控制***的num软件，自动生成断屑槽的加工程序，由机床自动加工出铣刀断屑槽。但是，并没有对如何设计出高性能的铣刀给出启示。
因此，如何预测、评估新开发刀具的性能是刀具工程师最关注的课题，而基于可靠性原则快速获得刀具几何参数和刀具材料性能指标是刀具设计优先解决的关键问题。
发明内容
本方案的目的在于提供一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，以设计出高性能的复杂型线铣刀。
为了达到上述目的，本方案提供一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，包括以下步骤:
步骤一：采用离散化方法将复杂型线铣刀切削刃沿轴向等间距离散为无限个切削刃微元，把每个切削刃微元简化为直线刃，复杂型线铣刀可以看作为无限个简单的微元斜角切削模型的组合叠加；
步骤二：在保证刃口安全的前提下，根据刀具耐用公式分析计算微元切削力、切削温度、刃口应力，确定其最佳的前角、后角、刃口半径以及匹配的切削速度和单齿进给量；所述刀具耐用公式为：
式中，CT为系数，与除切削用量之外的切削条件诸因素有关。分别为v、f和ap对刀具耐用度T的影响指数，且/>
v为切削速度，f为进给量，ap为吃刀深度。
步骤三：固定切削速度和单齿进给量，根据切削刃各点切削状态或工况的严酷程度逐次优化设计其他微元刀具模型；
步骤四：根据可制造性原则，对每个微元刀具模型组合叠加进行约束，考虑设计、制造成本与性能的综合平衡，实现复杂型线铣刀的优化设计
本方案的原理在于和有益效果在于：采用“切削状态均衡设计方法”，将型线铣刀沿轴向离散为微元刀具单元，以刀具材料安全极限应力为边界条件，匹配各点的切削参数、金属去除量和切削行程，定制式的优化设计各点几何参数，让切削状态最恶劣的刃口位置获得最佳的承载能力，保证刃口的安全性。
进一步，所述前角范围为-8°～30°，后角范围为5°～15°，刀具刃口半径范围为10～50μm，切削速度范围为5～150m/min，单齿进给量范围为0.01～0.3mm/rev。
进一步，所述切削速度为150m/mi。
进一步，所述单齿进给量为0.3mm/rev。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，包括以下步骤：
(1)采用离散化方法将复杂型线铣刀切削刃沿轴向等间距离散为无限个切削刃微元，把每个切削刃微元简化为直线刃，复杂型线铣刀可以看作为无限个简单的微元斜角切削模型的组合叠加。
(2)在保证刃口安全的前提下，针对切削状态或工况最严酷的微元刀具模型进行最优化设计，优化出微元刀具ΔI的最佳几何参数为前角15°，后角10°，刃口半径28μm，匹配切削速度80m/min，单齿进给量0.17mm/rev。
(3)固定切削速度和单齿进给量，根据切削刃各点切削状态或工况的严酷程度逐次优化设计其他微元刀具模型。
(4)根据可制造性原则，对每个微元刀具模型组合叠加进行约束，考虑设计、制造成本与性能的综合平衡，实现复杂型线铣刀的优化设计。
实施例2
一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，包括以下步骤：
(1)采用离散化方法将复杂型线铣刀切削刃沿轴向等间距离散为无限个切削刃微元，把每个切削刃微元简化为直线刃，复杂型线铣刀可以看作为无限个简单的微元斜角切削模型的组合叠加。
(2)在保证刃口安全的前提下，针对切削状态或工况最严酷的微元刀具模型进行最优化设计，优化出微元刀具ΔI的最佳几何参数为前角-8°，后角5°，刃口半径10μm，匹配切削速度5m/min，单齿进给量0.01mm/rev。
(3)固定切削速度和单齿进给量，根据切削刃各点切削状态或工况的严酷程度逐次优化设计其他微元刀具模型。
(4)根据可制造性原则，对每个微元刀具模型组合叠加进行约束，考虑设计、制造成本与性能的综合平衡，实现复杂型线铣刀的优化设计。
实施例3
一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，包括以下步骤：
(1)采用离散化方法将复杂型线铣刀切削刃沿轴向等间距离散为无限个切削刃微元，把每个切削刃微元简化为直线刃，复杂型线铣刀可以看作为无限个简单的微元斜角切削模型的组合叠加。
(2)在保证刃口安全的前提下，针对切削状态或工况最严酷的微元刀具模型进行最优化设计，优化出微元刀具ΔI的最佳几何参数为前角30°，后角15°，刃口半径50μm，匹配切削速度150m/min，单齿进给量0.3mm/rev。
(3)固定切削速度和单齿进给量，根据切削刃各点切削状态或工况的严酷程度逐次优化设计其他微元刀具模型。
(4)根据可制造性原则，对每个微元刀具模型组合叠加进行约束，考虑设计、制造成本与性能的综合平衡，实现复杂型线铣刀的优化设计。
刀具前角、刀具后角、实际刃口半径、切削速度、实际单齿进给量对切削温度、切削刃应力的影响分别如表1至表5所示。
表1刀具前角对切削温度、切削刃应力的影响
表2刀具前角对切削温度、切削刃应力的影响
表3实际刃口半径对切削温度、切削刃应力的影响
表4切削速度对切削温度、切削刃应力的影响
表5实际单齿进给量对切削温度、刃口应力的影响
从表1可以看出，随着刀具前角的增大，切削温度也呈现升高的趋势，但是在局部出现一定的波动，刀具应力随刀具前角的增加呈现先减小、后增大的趋势，刀具前角为10°时，刀具应力出现最小值。从表2可以看出，最佳刃口半径为28μm，因为此时刃口应力最小。从表3可以看出，最佳切削速度为80m/min，此时刃口应力最低。从表4可以看出，最优实际单齿进给量为0.17mm/rev。与其他方案相比较，实施例1刃口应力最小，刃口抗崩刃性最好。
本发明提出了一种全新的设计思想，采用“切削状态均衡设计”方法，将型线铣刀沿轴向离散为微元刀具单元，以刀具材料安全极限应力为边界条件，匹配各点的切削参数、金属去除量和切削行程，定制式的优化设计各点几何参数，让切削状态最恶劣的刃口位置获得最佳的承载能力，保证刃口的安全性。本发明为复杂型线铣刀快速设计与性能优化提供了科学方法。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，其特征在于,包括以下步骤:
步骤一：采用离散化方法将复杂型线铣刀切削刃沿轴向等间距离散为无限个切削刃微元，把每个切削刃微元简化为直线刃，复杂型线铣刀可以看作为无限个简单的微元斜角切削模型的组合叠加；
步骤二：在保证刃口安全的前提下，根据刀具耐用公式分析计算微元切削力、切削温度、刃口应力，确定其最佳的前角、后角、刃口半径以及匹配的切削速度和单齿进给量；所述刀具耐用公式为：
式中，CT为系数，与除切削用量之外的切削条件诸因素有关；分别为v、f和ap对刀具耐用度T的影响指数，且/>
步骤三：固定切削速度和单齿进给量，根据切削刃各点切削状态或工况的严酷程度逐次优化设计其他微元刀具模型；
步骤四：根据可制造性原则，对每个微元刀具模型组合叠加进行约束，实现复杂型线铣刀的优化设计；
所述前角范围为-8°～30°，后角范围为5°～15°，刀具刃口半径范围为10～50μm，切削速度范围为5～150m/min，单齿进给量范围为0.01～0.3mm/rev。
2.根据权利要求1所述的一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，其特征在于：所述切削速度为150m/min。
3.根据权利要求1所述的一种复杂型线铣刀快速设计与性能优化方法，其特征在于：所述单齿进给量为0.3mm/rev。
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