[发明专利]槽铣刀具的前角与后角优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设计及制造技术领域，具体涉及一种槽铣刀具的前角与后角优化设计方法。

背景技术

机械制造业中已广泛应用槽铣刀具进行铣削加工以完成金属成型。为提高生产效率以及保持竞争力，越来越高的切削速度被应用于科学研究以及生产制造之中。切削速度的不断升高导致切削过程中的刀具温度急剧增加，并对刀具寿命乃至已加工表面产生不良影响。在高速切削条件下，切削温度主导了起主要作用的刀具失效机理。刀具几何结构参数如刀具前角和后角对切削加工过程中的刀具温度有重要影响。因此，为获取较低的刀具温度以及较高的刀具寿命，对铣削条件下的槽铣刀具的前角与后角进行优化设计极为重要

中国文献“超硬材料工程”(2013，25(5)：1~5)在正交实验的基础上，得到了影响PCBN刀具使用寿命的刀具几何结构参数的主次顺序，并获取了刀具几何结构的最优参数。中国文献“航空精密制造技术”(2013，49(6)：37~40)通过正交实验法研究了硬质合金立铣刀的不同刀具结构参数对切削力的影响规律，并以最小切削力为优化目标，对刀具结构参数进行了优选。中国文献“中国机械工程”(2008，19(4)：428~431)应用全因子实验设计和多元线性回归技术建立了切削力预测模型，并在此模型的基础上对刀具几何参数进行了优化，以获取最小的切削力。

综上可知，已有的刀具几何结构参数优化方式为：通过大量切削实验，通过正交实验法对刀具几何结构进行优化，并且多以获取最小切削力为优化目标。刀具温度对刀具寿命有着极其重要的影响，已有的刀具几何结构参数优化方法未对刀具瞬时平均温度进行考虑，难以确保高的优化精度。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，考虑刀具瞬时平均温度对刀具寿命的影响，并且同时结合正交试验设计方法，提出了一种槽铣刀具的前角与后角优化设计方法，该方法可获取最高刀具寿命的刀具前角与后角组合。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：槽铣刀具的前角与后角优化设计方法，包括以下步骤，

（1）、首先根据加工条件，确定可采用的多种刀具前角和后角组合；

（2）、通过查阅文献或实验测试，确定刀具、工件的各项物理性能参数；

（3）、根据实际切削条件，通过正交实验设计方法确定所需分析的各切削参数组合；

（4）、将铣削向直角自由切削进行转化，采用商用有限元软件，设定各项相关参数，进行二维直角自由切削有限元仿真；

（5）、依据有限元仿真结果，对刀具上的热流密度以及刀-屑接触长度进行计算；

（6）、通过理论计算，针对刀具不同的前角和后角组合，确定各个切削参数组合条件下的刀具温度峰值；

（7）、对于各刀具前角与后角组合，计算各个切削参数组合条件下的刀具温度峰值的平均值，取值最小的刀具前角与后角组合即为最优选择。

所述步骤（1）具体为，根据加工经验以及刀具前角和后角的基本选用原则，确定刀具前角和后角选用范围，在它们的选用范围内选取若干数值，构成多个刀具前角与后角组合。

所述步骤（2）具体为，通过查阅文献或实验测试获取刀具以及工件材料的物理性能参数；对于刀具材料有：密度、弹性模量、泊松比、比热、热导率；对于工件材料有：密度、弹性模量、泊松比、比热、热导率、热扩散系数；对于工件材料的Johnson-Cook本构模型，有公式如下：

(1)

其中，为剪应力、为剪应变、为剪应变率、T为绝对温度、n为应变硬化指数，C为应变率敏感系数，m为热软化系数，A、B以及为常数；通过查阅文献或通过动态压缩实验以及拟合算法，获取Johnson-Cook本构模型中的各项参数：应变硬化指数n，应变率敏感系数C，热软化系数m，常数A、B以及。

所述步骤（3）具体为，根据实际切削加工条件，确定各切削参数如轴向切深、切削速度、径向切深、每齿进给量等所在范围，依据正交实验设计方法，在各切削参数范围内选定若干典型值，并确定所需分析的各切削参数组合。