CN116984668A - 一种耦合仿生立铣刀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合仿生立铣刀，包括柄部、芯部和切削部，所述外周切削齿前刀面由第一前刀面、第二前刀面、第三前刀面、第一过渡圆弧组成，所述第一前刀面由圆弧A1、弦长L1确定，第二前刀面由直线L2确定，第三前刀面由圆弧A2、弦长L3确定，所述外周切削齿前刀面的径向剖面呈凸圆‑直线‑凹圆结构，其后刀面径向剖面为直线型，所述切削部三等分为第一部分、第二部分、第三部分，第一部分的螺旋角44°～42°，第二部分的螺旋角42°～39°，第三部分的螺旋角39°～34°。本发明采用上述一种耦合仿生立铣刀，具有切削力小，便于切入工件的特点，在一定程度上减小甚至消除振动，提高传动平稳性，增加容屑槽面积和排屑体积，有利于切屑的排出。
Description
技术领域
本发明涉及机械金属切削和工程仿生学联合技术领域，尤其是涉及一种耦合仿生立铣刀。
背景技术
立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刀，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。主要用于平面铣削、凹槽铣削、台阶面铣削和仿形铣削。立铣刀可以用作面铣，刀具受力除主切削力外，主要是径向力，易于引起刀杆挠曲变形，也易于引发振动，影响加工效率。立铣刀的结构对切削力、振动和温度具有重要影响，是实现高效加工的关键因素。
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。
帽贝是一种软体动物，它们主要栖息在岸边的岩石上，帽贝在进食的同时会依靠齿舌结构以及齿舌自带的一排排牙齿在岩石表面凿出一个环形低洼地带作为栖息场所。与啮齿类动物的牙齿主要用于切割植物纤维不同，帽贝的牙齿切削对象是坚硬的岩石，与实际刀具的切削状态相似性较大。帽贝牙齿具备出色的切削性能主要归功于其牙齿独特的外形结构，现结合帽贝牙齿内轮廓曲线结构特点，以内轮廓为前刀面进行仿生刀具前刀面设计。
植物的叶子千姿百态，随种各异，植物叶片在茎上的排列顺序(叶序)或其它组织在植物上的排序是非常有规律的。叶序的排布方式在优化空间利用的同时，也增强植物的结构稳定性，当外力作用在植物上时，叶序的连接模式可以分散力量，使得整个茎部承受力的分布更均匀，使茎部更具柔性响应，通过茎部的弯曲和扭转来减缓振动的传递，使其能够更好地适应外力的作用并减少振动幅度。
一般情况下，植物叶序分布规律符合以下数列：1/2、1/3/、2/5、3/8……即叶子绕茎圈数与叶片数量之比为斐波那契数列(1，1，2，3，5，8，13……，Fk，Fk+1)各项间的比值。利用植物叶片的分布规律，改变刀具螺旋线的螺旋角。
骨骼结构是数百万年进化的结果，被认为是最有效的结构之一，它由表层的密质骨和芯层的多细胞松质骨构成“夹芯”结构，这种结构为身体提供了支持和保护框架，并通过多层次尺度上的协调与优化，实现了结构与性能之间的良好匹配。当身体受到冲击时，骨骼结构依靠其独特的构造来吸收冲击产生的振动能量，以保护内脏器官免受损伤。这种“夹芯”结构具有出色的减振性能，能够有效地分散和吸收外部冲击力，从而最大限度地减少对身体的不良影响。结合骨骼的结构特点进行仿生刀具设计。
地球上的生物经历了数亿年的进化和自然选择，优化产生了各种各样的生物材料、结构和形态，展现出优异的功能特性。生物对其生存环境的适应性不仅仅由单一因素决定，而是多个因素相互依存、相互影响，通过适当的机制耦合和协调作用，以满足对生存环境的适应需求。相比于单元仿生，耦合仿生更接近生物的功能原理，是全新的仿生理念。耦合仿生主要体现在各仿生单元之间的协调、交互作用，最终使得整体性能变得更加优异。
耦合仿生原理为刀具结构设计及优化提供了一种新的视角和方法。借鉴生物界的设计和适应性特点，实现更高效、更稳定、更精密的切削加工。这种基于耦合仿生原理的创新方法有望推动刀具设计和切削工艺的进步，并在制造业领域取得更优秀的成果。
发明内容
本发明的目的是提供一种耦合仿生立铣刀，具有切削力小，便于切入工件的特点，添加铸铁芯棒吸收切削振动，通过螺旋刃的非均匀分布改变铣削频率降低刀具振动，增加容屑槽面积和排屑体积，有利于切屑的排出。
为实现上述目的，本发明提供了一种耦合仿生立铣刀，包括柄部、芯部和切削部，所述芯部材料为灰铸铁，所述切削部材料为硬质合金，所述灰铸铁由碳钢基体和片状石墨组成，所述切削部包括外周切削齿和容屑槽，所述外周切削齿前刀面由第一前刀面、第二前刀面、第三前刀面、第一过渡圆弧组成，其后刀面与第二过渡圆弧相连，所述第一前刀面由圆弧A1、弦长L1确定，第二前刀面由直线L2确定，第三前刀面由圆弧A2、弦长L3确定，所述外周切削齿前刀面的径向剖面呈凸圆-直线-凹圆结构，其后刀面径向剖面为直线型，所述容屑槽包括主槽与副槽两部分，副槽向上凸起与后刀面直线相连接，主槽与副槽相切，所述切削部三等分为第一部分、第二部分、第三部分，第一部分的螺旋角44°～42°，第二部分的螺旋角42°～39°，第三部分的螺旋角39°～34°。
优选的，所述外周切削齿数为4。
优选的，所述外周切削齿前刀面的径向剖面的圆弧A1半径为1.6-2.6mm，弦长L1为0.4-0.6mm，直线L2长度为0.1-0.3mm，圆弧A2半径为2.5-3.5mm，弦长L3为0.8-1.2mm。
优选的，所述立铣刀刀径为D，立铣刀内部直径为d，芯部直径为D1，d>D1且0.6D＜d＜0.4D。
优选的，所述第一前刀面形成的第一前角γ为5°～13°。
本发明所述的一种耦合仿生立铣刀的优点和积极效果是：
1、本发明仿生立铣刀易于切入工件，减少切削过程中的切削力，随着切削深度的增加，刀具螺旋角逐渐减小，增加容屑槽面积和排屑体积。并随着切削的进行，该结构使铣削力之间脉冲时间不同，避免共振现象的产生，在一定程度上减小振动，提高传动平稳性。
2、本发明仿生立铣刀刀体结构具有优异的振动吸收能力，在保证必要刚度的同时，有助于减少切削过程中的振动，从而提高加工稳定性和加工表面质量。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种耦合仿生立铣刀侧视结构示意图；
图2为图1径向剖面示意图；
图3为图2中A处放大图；
图4为本发明一种耦合仿生立铣刀中的第一前刀面的第一前角示意图；
图5为变螺旋角刃线与等螺旋角刃线示意图；
图6为本发明一种耦合仿生立铣刀中的切削部结构示意图；
图7是帽贝牙齿显微图；
图8是骨骼结构示意图；
图9是叶序排布螺旋结构示意图。
附图标记
1、柄部；2、芯部；3、容屑槽；4、切削部；5、第一过渡圆弧；6、第二过渡圆弧；7、第一前刀面；8、第二前刀面；9、第三前刀面；10、立铣刀内部；11、第一部分；12、后刀面；13变螺旋角刃线；14、等螺旋角刃线；15、第二部分；16、第三部分。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
一种耦合仿生立铣刀，包括柄部1、芯部2和切削部4，切削部4包括外周切削齿和容屑槽3，外周切削齿数为4(如图1所示)。外周切削齿前刀面由第一前刀面7、第二前刀面8、第三前刀面9、第一过渡圆弧5组成，其后刀面12与第二过渡圆弧6相连，第一前刀面7由圆弧A1、弦长L1确定，第二前刀面8由直线L2确定，第三前刀面9由圆弧A2、弦长L3确定，外周切削齿前刀面的径向剖面呈凸圆-直线-凹圆结构，其后刀面12径向剖面为直线型(如图3所示)。
刀具在切削时根据金属切削理论可知：相比传统刀具较大前角使铣刀外周切削刃变得更加锋利，利于刀具切入工件，在切削时由于前刀面第一结构特征A1、前刀面第二特征L2、前刀面第三特征A2的存在，从而使立铣刀前刀面曲率发生变化，切削时呈“变前角”状态。在切削过程中，第一段仿生凸曲面结构特征即第一前刀面7结构特征A1展现出帽贝牙齿的锐利特性，能够有效地切入工件并开始切削，如图7所示。随着切削的进行，工作前角逐渐增大。该结构上的切削合力增加了第一变形区的变形量，促使工件材料发生剪切滑移。第二段仿生结构特征即第二前刀面8特征L2为直线型结构，有利于切屑顺利向后排出。相较于传统刀具，第二段仿生结构具有更大的前角，能够减小该结构上的切削合力，减小切削力。第三段仿生结构特征即第三前刀面9特征A2呈现出凹曲面的形状。在切削过程中工作前角逐渐减小，从而增加了切屑的变形量。在切削合力作用下，促使切屑弯曲，最终与刀具发生分离和断裂。仿生前刀面结构呈现波浪形变化，各几何结构微元合力不断变化，加剧工件内部应力波动，起到省力效果。
容屑槽3包括主槽与副槽两部分，副槽向上凸起与后刀面直线相连接，主槽与副槽相切，芯部2材料为灰铸铁，切削部4材料为硬质合金，灰铸铁由碳钢基体和片状石墨组成，片状石墨均匀分布在碳钢机体内。刀体芯部2采用灰铸铁，切削部4采用硬质合金，仿生骨骼“夹芯”结构，如图8所示，图8中外侧为密质骨，内部为多胞松质骨，密质骨与多胞松质骨形成夹芯结构。这种“夹芯”结构具有出色的减振性能，能够有效地分散和吸收外部冲击力。在切削时由于刀具内部组织为碳钢基体和片状石墨组成，芯部2灰铸铁中片状石墨吸收部分振动，同时用刀体内部振动扰乱外部切削力的振频，从而消除刀具振动。使立铣刀整体具有良好的减振性能。
外周切削齿前刀面的径向剖面的圆弧A1半径为1.6-2.6mm，弦长L1为0.4-0.6mm，直线L2长度为0.1-0.3mm，圆弧A2半径为2.5-3.5mm，弦长L3为0.8-1.2mm。
立铣刀刀径为D，立铣刀内部10直径为d，芯部2直径为D1，d>D1且0.6D＜d＜0.4D，如图2所示。在保证整体刚性和足够的容屑空间的情况下，同时抑制切削加工时的振动。
立铣刀从螺旋线尾部到端齿处的螺旋角不断增加，螺旋线顶部螺旋角最大。外周切削齿前刀面第一过渡圆弧5与切削部4外周面相交形成外周刃，外周刃螺旋角由端部至尾部逐渐递减。切削部三等分为第一部分11、第二部分15、第三部分16，第一部分11的螺旋角44°～42°，第二部分15的螺旋角42°～39°，第三部分16的螺旋角39°～34°，如图6所示。根据仿生叶序分布理论，如图9所示，将切削部分进行三等分，使刀具螺旋角逐渐变化。
如图4所示，第一前刀面7形成的第一前角γ为5°～13°。在铣削过程中，增大前角可以使刀具更加锋利，引起工件中切削层的变形及切削过程中摩擦阻力变小，切削力与切削温度通常会变低，可以抑制或消除积屑瘤。但是前角的持续增大会使铣刀的散热面积变小，切屑不易流出，从而导致铣刀温度迅速增大、磨损加快，寿命降低。综合考虑前角选择范围为5°～13°。
刀具在切削时，由于刀具与工件之间的相互作用会产生振动，这些振动会传递到刀具的刀体上。仿生立铣刀刀体结构具备足够的吸能和耐久性。仿生“夹芯”结构具有出色的减振性能，能够有效地分散和吸收外部冲击力。有助于减少切削过程中的振动，从而提高加工稳定性和加工表面质量。立铣刀刀齿采用了仿生变螺旋角刃线13设计，这意味着刀齿的螺旋角度在刃面上是变化的。可以有效地分散切削过程中产生的切向力，减少刀具振动。相比于传统的等螺旋角刃线14，具有仿生变螺旋角刃线13的立铣刀在切削过程中更平稳，降低了由于切向力不均匀导致的振动幅度，从而提高了加工精度和表面光洁度(如图5所示)。仿生前刀面能够降低切削力可以减少刀具受力，延长刀具的使用寿命；其次，减少切削力有助于减轻工件和刀具的振动，提高了加工的稳定性和表面质量。
耦合仿生立铣刀各耦元协同作用取得的效果，相比于单元仿生，耦合仿生能够取得的有益效果更好，大幅提高刀具切削性能。耦合仿生立铣刀在切削过程中通过刀体的振动吸收能量，变螺旋刃线的设计和前刀面的优化，最终实现了降低刀具振动、减少切削力、提高加工稳定性和加工表面质量的目标。耦合仿生立铣刀各耦元协同作用取得的效果，相比于单元仿生，耦合仿生能够取得的有益效果更好，大幅提高刀具切削性能。这种基于耦合仿生原理的创新方法有望推动刀具设计和切削工艺的进步，并在制造业领域取得更优秀的成果。
构成本发明立铣刀的前刀面及夹芯结构和渐变螺旋参数可以分别调整，根据不同的加工工况协调保证刀具的切削刃强度、省力性能和减振性能。
因此，本发明采用上述一种耦合仿生立铣刀，具有切削力大，便于切入工件的特点，在一定程度上减小甚至消除振动，提高传动平稳性，增加容屑槽面积和排屑体积，有利于切屑的排出。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种耦合仿生立铣刀，其特征在于：包括柄部、芯部和切削部，所述芯部材料为灰铸铁，所述切削部材料为硬质合金，所述灰铸铁由碳钢基体和片状石墨组成，所述切削部包括外周切削齿和容屑槽，所述外周切削齿前刀面由第一前刀面、第二前刀面、第三前刀面、第一过渡圆弧组成，其后刀面与第二过渡圆弧相连，所述第一前刀面由圆弧A1、弦长L1确定，第二前刀面由直线L2确定，第三前刀面由圆弧A2、弦长L3确定，所述外周切削齿前刀面的径向剖面呈凸圆-直线-凹圆结构，其后刀面径向剖面为直线型，所述容屑槽包括主槽与副槽两部分，副槽向上凸起与后刀面直线相连接，主槽与副槽相切，所述切削部三等分为第一部分、第二部分、第三部分，第一部分的螺旋角44°～42°，第二部分的螺旋角42°～39°，第三部分的螺旋角39°～34°。
2.根据权利要求1所述的一种耦合仿生立铣刀，其特征在于：所述外周切削齿数为4。
3.根据权利要求1所述的一种耦合仿生立铣刀，其特征在于：所述外周切削齿前刀面的径向剖面的圆弧A1半径为1.6-2.6mm，弦长L1为0.4-0.6mm，直线L2长度为0.1-0.3mm，圆弧A2半径为2.5-3.5mm，弦长L3为0.8-1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种耦合仿生立铣刀，其特征在于：所述立铣刀刀径为D，立铣刀内部直径为d，芯部直径为D1，d>D1且0.6D＜d＜0.4D。
5.根据权利要求1所述的一种耦合仿生立铣刀，其特征在于：所述第一前刀面形成的第一前角γ为5°～13°。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116984668B (zh) | 2024-03-08 |
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