[发明专利]一种刀具波形刃设计方法

说明书

本发明公开了一种刀具波形刃设计方法，先设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模、刀具波形刃的几何建模；将几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；设定切削工艺参数进行数值仿真，获得刀具波形刃上应力集中点的最大应力及应力分布，应力较小的波形刃刀具的几何结构参数较优，对单个波刃的切削过程进行数值仿真，获得切削力、切削温度和刀具应力等切削过程物理量，进而提出波深、波距和轴向偏移量的优化流程和优化方法，它可以用于各种含有波形刃的刀具的设计。

技术领域

本发明属于刀具设计领域，具体涉及一种刀具波形刃设计方法。

背景技术

在保证刀具寿命的前提下，粗加工铣刀的使用过程中往往要求尽可能高的材料去除率，但是随着材料去除率的不断增加，切削力显著升高，切屑折断困难，容易造成切屑堵塞、刀具崩刃等一系列问题，严重时还会导致机床停机现象的出现。而波形刃刀具是在普通铣刀的基础上将刀具的前刀面或后刀面加工成波浪形状，从而形成波形刀刃，相邻两个刀刃的波形沿刀具轴向方向错开一定距离，如CN1034881A,因此可以将产生切屑的宽度减小，从而得到窄而厚的切屑，减少了切削过程的材料变形，从而降低了断屑的难度。利用波形刃刀具加工的最大缺点是会在加工表面上形成波纹状的痕迹，需要后续的半精加工和精加工阶段予以去除。

波形刃的存在使得切削刃上各点的刃倾角、工作前角以及与工件的接触状态均不相同，垂直于刀具轴线上任一截面的齿距也不同，这样虽然有利于切削颤振的消除，但是另一方面会造成刀具刃口处的应力集中现象，导致刀具的崩刃，影响刀具的使用寿命。因此，波形刃的几何结构设计就显得尤为重要，波形刃刀具的主要形状包括正弦型和圆弧形，其主要几何结构参数包括波深、波距和轴向偏移量，如附图1所示。现有文献和专利一般给出了这三个几何结构参数的大概范围及其对加工过程的大致影响，但是这三个几何结构参数在不同加工条件下(切削速度、进给量、工件材料等)对刀具—工件接触状态、切削过程物理量(切削力、切削温度)和刀具寿命的影响研究较少，因此还未形成一套有效的波形刃几何结构参数设计方法。

发明内容

本发明提供了刀具波形刃设计方法，其克服了背景技术中未形成一套有效的波形刃几何结构参数设计方法的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：

一种刀具波形刃设计方法，该刀具总齿数为n，该n为大于2的自然数；该波形刃的主要形状包含有正弦型和圆弧形，该波形刃的主要形状的几何结构参数包含有波深、波距和轴向偏移量；该设计方法包括：

步骤1，设计不同波深和波距的波形刃刀具，利用下述的绘制方法获得不同波深和波距的波形刃刀具之稳定切削后的工件包络线，该绘制方法包括：

依据波形刃的主要形状及其几何结构参数，绘制第一个刀刃波形刃的二维截型图；

依序绘制下一个刀刃波形刃的二维截型图，使其在刀具轴线上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量e，同时在垂直于刀具轴线方向上与上一个刀刃的二维截型图有一个偏移量f_z，f_z等于切削加工过程中刀具的每齿进给量，直至绘制第n+1个刀刃波形刃的二维截型图；

n+1条刀刃波形刃的二维截型图相交所包围的面积为每一个波形刃的实际切除材料面积，n+1条刀刃波形刃的二维截型图所形成的交点就是刀具波形刃上的应力集中点；

步骤2，利用上述得到的不同包络线进行工件几何建模；

步骤3，利用上述得到的不同包络线进行刀具波形刃的几何建模；

步骤4，将步骤2和步骤3中的几何建模导入有限元仿真软件，建立工件几何和刀具几何的接触关系；