刀具几何参数

刀具几何参数（精选七篇）

刀具几何参数 篇1

PCBN刀具材料虽然具有极高的硬度和优良的耐磨性,但韧性和强度较差,在断续切削中,刀齿在切入或切出工件时,都有冲击,容易引起PCBN刀具寿命的下降,而采用合理的刀具几何参数可以提高它的抗破损能力和获得较高的切削耐用度。因此研究PCBN刀具铣削灰铸铁HT200的几何参数对切削耐用度的影响有着重要的意义。

1 试验条件

本文通过用PCBN刀具铣削HT200灰铸铁的切削试验,采用单因素试验法,研究某一几何角度对刀具耐用度的影响。刀具磨钝标准为VBmax=0.2mm,由于是断续切削,考虑PCBN刀具的韧性不高,刀具倒棱可以提高刀具切削部分的强度和散热能力,避免刀具发生损坏,提高刀具的耐用度,但是为了避免增加切削力过多,倒棱取值的不宜过大,取0.1mm为宜。其他的试验条件如下:

工件材料:HT200(HBS170~240)灰铸铁

试验设备:X53K立铣床

加工方式:单齿对称铣削

铣刀盘直径:Φ125mm,单齿切削,刀头结构如图1所示

刀具几何参数:Kr=75˚

刀片尺寸:16mm×16mm

切削用量:VC=2 3 5 m/m i n,a s p=0.4 m m,fz=0.2mm/z

2 PCBN刀具铣削HT200合理几何参数的选择

2.1 前角γ0对PCBN刀具耐用度的影响

切削试验的几何角度条件为:端铣刀刃倾角sλ为-7º,后角α0为6º,前角γ0分别取-5º、-10º、-15º、-20º,研究不同负前角对刀具耐用度T的影响。试验结果如图2所示。

从图2中可看出,刀具负前角太大或太小,刀具的耐用度都会降低,在一定的切削条件下,存在有一个合理负前角γ0pt,本文试验条件下,PCBN铣削灰铸铁HT200,合理前角γ0pt=-9º~-11º刀具获得最大耐用度。

合理前角γ0pt分析:合理前角主要应该根据工件材料、刀具材料和加工方式等影响因素来选择确定。

1)工件材料对合理前角γ0pt选择的影响

加工脆性材料灰铸铁HT200时,切屑和前刀面的接触长度是很小的,压力中心靠近刀刃,易崩刃,考虑这种情况,需要选择较小的前角或负前角以提高刀尖的强度和散热能力,保证刀具的耐用度。

2)刀具材料对合理前角γ0pt选择的影响

PCBN刀具虽然耐磨性和耐热性较高,但是韧性较低,应当选择负前角来增加抗破损能力和提高刀尖强度,即在一定范围内,负前角越大,PCBN刀具耐用度越高。

3)加工方式对合理前角γ0pt选择的影响

铣削加工为断续切削加工,切削过程中切削力是变化的,为了减少冲击,避免不平稳的加工状态出现,要选择负前角提高刀刃强度。采用负前角的刀面形式,刀刃的强度好,不易崩刃,但是切割作用减弱,它对切屑的推挤作用增加,切屑的变形大,易断屑,合理增大负前角可以提高刀具散热能力,增加刀具强度,能提高铣刀的耐用度。但是过大的负前角会带来切削力的波动和振动,增大切削力和切削热,尤其在低速区切削的时候尤其要注意出现振幅加大的现象。

以上诸因素中,应侧重考虑加工方式和刀具材料本身对合理前角选择的影响。即负前角增大可以增加刀具的刃口的抗铣削冲击能力和散热能力,但是由于加工脆性材料灰铸铁HT200,越大的负前角越易产生更多的崩碎切屑,导致切削力的波动和切削力的数值都会增大,切削热增多,刀具的磨损会加快。综合以上因素,因此PCBN刀具铣削HT200的合理前角为-9º~-11º为宜。

2.2 后角α0对PCBN刀具耐用度的影响

在一定的切削条件下,刀具的后角存在一个对应最大刀具耐用度的合理数值α0pt。

后角切削试验取端铣刀刃倾角λs为-7º,前角γ0为-9º,后角α0分别取3º、5º、8º、10º、12º五个水平,试验结果见图3T-α0关系曲线。

如图3所示:采用较小后角,刀具耐用度变小。后角过大也会使得刀具耐用度下降,使得刀具发生崩刃和早期破损。因此PCBN刀具铣削灰铸铁HT200采用α0pt=5º~7º为宜。

为了提高PCBN刀具抗破损能力,合理后角度取值不应过大,合理后角α0pt产生主要考虑与切削层公称厚度、工件材料和加工方式等有关。

1)切削层公称厚度hD对合理后角α0pt选择的影响

一般而言,切削层公称厚度hD越大,合理后角α0pt越小,反之α0pt越大。保证刀具最高耐用度的合理后角值,主要取决于切削层公称厚度hD,因而铣削加工主要应根据切削层公称厚度hD来选择后角的大小。本文试验采用对称铣削,所用的铣刀盘直径D=125mm,工件的宽度B(铣削宽度αe)为铣刀盘直径的,即B=100mm,根据《铣工手册》计算平均铣削厚度为:

切削厚度比一般的车削要小,因此适当的增加后角可以减少后刀面的摩擦,延长刀具的耐用度。

2)工件材料对合理后角α0pt选择的影响

铣削灰铸铁时候,加工表面和后刀面的接触长度比加工塑性材料金属要短,但是后角越小,铣削力增大,工件的加工面和刀具的后刀面这两者之间的摩擦增大,加剧后刀面的磨损,刀具耐用度会降低。切削脆性金属时,切削力主要集中在刃口附近,不宜取过大后角,后角过大,刀尖强度下降,反而会降低刀具的耐用度。

3)加工方式对合理后角α0pt选择的影响

铣削加工承受一定的冲击载荷,为了避免出现振动和保护刀刃,应当适当减小后角来维持一定的刀刃强度。

以上几个因素中,主要考虑保证铣削加工中的刃口强度和减小摩擦两方面问题,后角不应该太大或太小,由于采用了负前角,加工脆性材料金属,可以适当增大后角来造成切削刃切入金属的条件。因此,为获得最大刀具耐用度,合理后角通过切削试验确定为α0pt=5º~7º。

2.3 刃倾角λs对PCBN刀具耐用度的影响

确定合理刃倾角λspt的切削试验的几何角度条件:后角α0为6º,前角γ0为-9º,刃倾角λs分别取-5º,-8º,-12º,-15º,试验结果如图4所示。

如图4所示,过大或过小的负刃倾角都会带来刀具耐用度的下降,刀具的刃倾角在-8º左右时获得最大耐用度。

合理刃倾角λspt主要考虑切削方式的影响:刃倾角对铣削性能有较大影响,为延长刀具使用寿命,尤其在断续切削要着重考虑刀尖的强度,负的刃倾角(-λs)切削,是远离刀尖的切削刃先接触工件,切削刃是逐渐切入,刀尖可免受冲击,保护刀尖,且切削过程较平稳,提高刀具承受冲击的能力。负的刃倾角对刀具耐用度的影响,可以转化为负前角对刀具耐用度的影响。PCBN刀具的抗冲击韧性较低,不宜选择正的刃倾角。为了避免径向力增加过多,负值也不宜太大,因此合理刃倾角度的范围考虑取-6º~-8º。

3 结束语

1)PCBN刀具抗冲击能力差,采用负前角切削可以增加刀具的强度。切削脆性铸铁时,过大的负前角带来切削力波动,会引起刀具耐用度下降,在本文的试验条件下合理负前角为-9º~-11º。

2)PCBN刀具铣削灰铸铁采用后角5º~7º,减少后刀面的摩擦和保证刃口强度,获得较好的刀具耐用度。

3)采用负刃倾角切削可以增强PCBN刀具刀尖的强度,合理刃倾角考虑为-6º~-8º。

参考文献

[1]徐媛媛,灰铸铁铣削加工PCBN刀具工艺参数研究[D],华中科技大学.2007.

[2]E.Abele.Wear Mechanism When Machine Compacted Graphite Iron.CIRP,2002:324-329.

[3]丁维军,张弘韬.PCBN刀具负倒棱前角的合理设计及其对残余应力的影响[J].工具技术,1996,30(6):21-23.

[4]朱从容.PCBN刀具及其应用[J].机械设计与制造工程.2001,30(2):65-66.

刀具几何参数 篇2

关键词：SiCp/Al复合材料,PCD刀具,高速铣削,仿真,切削温度

0 引言

金属基复合材料 (MMC) 具有比强度和比模量高、耐高温、耐磨损、热膨胀系数小等优异的综合性能, 近年来在航空发动机涡轮叶片、飞机机翼、导弹尾翼和壳体、惯导平台、电子封装、汽车零部件等方面的应用需求十分迫切[1]。铝基碳化硅复合材料虽然具备诸多优良性能, 但这种材料硬而脆, 其基体和增强相在微观层面具有不均匀性, 切削时两相的变形不协调, 使其机械加工变得异常困难, 集中表现在刀具寿命低、加工质量难以控制等方面[2,3,4]。

目前科研人员在PCD刀具切削复合材料时切削温度的建模预测、实验研究和仿真分析等方面均有探索。南京航空航天大学的葛英飞等[5]采用夹丝半人工热电偶法, 在600~1200 m/min速度范围内对PCD刀具高速铣削Si Cp/2009Al的瞬时铣削温度进行了研究;哈尔滨工业大学的赵永华[6]对金刚石刀具二维切削Si Cp/2024Al进行了仿真研究, 得出了切削区温度随着切削速度的增加而上升;沈阳理工大学的刘闯[7]对PCD刀具三维切削Si Cp/Al复合材料时的温度变化进行了仿真, 得出切削区最高温度随着切削速度和等效切削厚度的增加而上升的结论。由此可见, 目前对PCD刀具高速铣削Si Cp/Al复合材料时切削区温度的研究主要停留在切削用量对切削温度的影响上, 而刀具角度对切削温度的影响研究较少。

本文利用大型仿真软件ABAQUS, 研究了PCD刀具高速铣削大体积分数Si Cp/Al复合材料薄壁件时, 刀具角度对切削温度的影响。

1 三维铣削模型仿真

1.1 三维铣削模型的建立

刀具的几何参数以前角5°后角10°的三维图为例来说明铣刀的刀具角度。由于刀具角度比较复杂, 所以刀具角度的建模是通过三维软件Solid Works实现的, 刀具选取PCD单刃圆柱形立铣刀, 刀具直径为10 mm, 刀尖圆弧半径为rε=0.3 mm, 刀具角度如图1所示。工件尺寸取长L=20 mm, 高H=20 mm, 壁厚Tc=1 mm。

三维铣削装配模型如图2所示。

1.2 网格划分

由于工件尺寸较大, 网格细化既能提高计算精度又能节省计算时间, 所以对加工部分的网格细化是十分有必要的。采用局部网格细化的方法对工件进行了网格划分, 使切削部分的网格明显多于其它部分。采用单精度偏移的方法对刀具的网格进行了细化, 使刀尖部分的网格明显多于其它部分。工件网格采用C3D8RT (八结点热耦合六面体单元) , 并利用ABAQUS软件中的分区功能对工件切削区域进行分割, 再通过合理指定每条边单元个数, 对工件的切削区域进行网格细化, 如图3所示;刀具网格采用C3D4T (四结点热耦合四面体单元) , 在刀尖区域采用偏置布种技术进行网格细化, 如图4所示。

1.3 边界条件与载荷施加

在实际加工过程中, 由于铣刀的刚度远远大于工件的刚度, 所以在建模过程中, 可以将铣刀进行刚体约束, 并将刚体的参考点设置在刀杆的回转中心线上, 在施加载荷时, 对参考点施加转动和移动载荷即可实现刀具的运动。

由于实际铣削加工时, 加工过程是通过铣刀的旋转实现的, 而工件是固定的, 所以在对工件施加载荷时将工件底部完全固定。

1.4 材料属性

工件材料选取铝基碳化硅复合材料, Si Cp/Al复合材料中Si C颗粒的平均尺寸为60μm, Si C的体积分数为56%, 本文所采用的材料本构关系是通过对周元鑫等[8]实验得出的不同体积分数Si Cp/Al复合材料的应力、应变曲线计算分析得出, 不同体积分数Si Cp/Al复合材料的应力应变曲线如图5所示。Si Cp/Al复合材料与PCD刀具的材料性能指标如表1所示。材料的应力应变本构关系如表2所示。

2仿真条件

本文采用单一变量法进行仿真分析, 切削速度为300 m/min, 刀具转速为9600r/min, 径向切深ae=0.2 mm, 轴向切深ap=5 mm, 每齿进给量fz=0.2mm/z。接触过程中刀具与工件的摩擦因数取0.3, 环境温度设为20℃。在切削速度不变的条件下改变刀具的几何参数进行模拟仿真, 得出刀具角度对切削温度场的影响规律, 仿真实验方案如表3所示。

3 仿真结果分析

在工件的铣削加工过程中, 切削热主要来源是由于第一变形区的切削变形引起的, 其次是切屑和前刀面, 工件和后刀面的摩擦。由于高速切削速度很快, 切削Si Cp/Al复合材料时切屑非连续, 切屑与前刀面摩擦较小, 因此切削过程中切削变形最大的区域温度最高, 所以本论文研究的是切削过程中的切削温度。

分析仿真结果时, 取时间t=1.435×10-4s, 其它条件不变, 只改变刀具的前角或后角, 进行铣削温度的模拟仿真。

3.1 前角对切削温度的影响分析

前角γ0=0°、5°、10°、15°, 后角α0=10°。切削温度变化情况如图6~图9所示。

前角和切削切削区最高温度的关系如图10所示。

由仿真结果和温度图可知, 切削区最高温度随着前角的增大而降低, 这主要是因为随着前角的增大, 刀具变得更加锋利, 切屑的变形减小, 前刀面与切屑的摩擦情况得到改善, 使得切削力有所减小, 最终导致切削热减少。

3.2 后角对切削温度的影响分析

前角γ0=10°, 后角α0=5°、10°、15°, 20°。切削温度变化情况如图11~图14所示。

后角和切削区最高温度的关系如图15所示。

由仿真结果和温度图可知, 工件的切削区最高温度随着后角变化, 总体上看切削区最高温度变化幅度较小, 说明刀具后角对切削温度的影响不大。这是由于, 一方面增大后角可增加刀具的锋利性, 改善后刀面和工件的摩擦, 但另一方面后角过大, 使刀具导热能力下降。

4 结论

本文利用有限元软件ABAQUS, 研究了在PCD刀具高速铣削Si Cp/Al复合材料时刀具几何角度对切削温度的影响规律, 由仿真结果得出以下结论:

1) 前角对切削温度的影响较大, 在0°~15°的范围内前角的变化对切削区最高温度的影响比较明显, 增大前角能有效地降低切削温度, 选取刀具时, 在满足刀具切削刃强度和不影响加工精度的前提下, 应该选取比较大的刀具前角。

2) 后角对切削温度的影响不大, 增大后角可增加刀具的锋利性, 改善后刀面和工件的摩擦, 但后角过大, 切削刃变薄, 会影响刀具的使用寿命, 因此, 在选取刀具后角时不宜选用太大的刀具后角。

参考文献

[1]BHUSHAN B.Modern tribology handbook[M].London:CRC Press, 2001.

[2]KUMAR REDDY N S, SHIN K S, YANG Minyang.Experimental study of surface integrity during end milling of Al/Si C particulate metal-matrix composites[J].Jounal of Materials Procceeing Technology, 2008, 201 (1-3) :574-579.

[3]DHOKEY N B, PARETKAR R K.Study of wear mechanismsin copper-based Si Cp reinforced composite[J].Wear, 2008, 265 (1-2) :117-133.

[4]陈长年, 周延佑.引入飞机制造技术推进汽车制造技术创新[J].制造技术与机床, 2008 (9) :17-19.

[5]葛英飞, 边卫亮, 傅玉灿, 等.PCD刀具高速铣削Si Cp/A1复合材料切削温度试验研究[J].工具技术, 2011, 45 (8) :31-35.

[6]赵永华.Si Cp/Al复合材料切削过程仿真与实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2011.

[7]刘闯.Si Cp/Al复合材料薄壁件的高速铣削路径优化研究[D].沈阳:沈阳理工大学, 2013.

刀具几何参数 篇3

数控车床是集机、电、声、光、液一体化的机床, 是一种高精度和高度自动化的设备。其高精度主要是由机床本身的精度决定, 这方面操作者很难改变, 但是影响数控车床加工精度的外部因素是多方面的, 诸如工件的热变形、刀具安装的高低、对刀、刀具的磨损、工件的定位误差等诸多因素。笔者仅从对刀因素谈谈如何提高数控车床的加工精度。

1 提高对刀精度的原因

这里主要有三个原因, 一是读数误差, 游标卡尺要读小数点后两位, 而且要测量3次以上求平均值, 数控加工实践教学过程中, 有的学生不认真观察量具, 差不多就行;二是有的学生不会正确使用游标卡尺, 测量时用力过大导致出现读数误差。三是量具本身的制造误差, 如果我们使用高精度的千分尺来正确测量, 则能够较大地提高对刀的精度。

2 改变工具补正形状的数值

在FANUC0i系统的数控车床的刀具补正/形状指的是刀具的位置补偿, 即数控车床上刀具在刀架上的具体安装位置, 可以通过试切对刀来补正。具体步骤如下:先车削加工一个外圆, 将刀具沿着Z轴方向退出来, 这时切记X轴方向上刀架不要移动, 如图1所示。将主轴停止, 通过测量外径为X46.147, 然后输入到偏置页面的输入区域, 点击测量, 结果如图2所示 (对应的X值) 。然后车削加工端面, 这时要沿着X轴方向移动刀架, 切记Z轴方向上不要移动刀架, 在偏置页面的输入区域输入Z0, 点击测量, 结果如图2所示 (对应的Z值) 。如果我们人为将01号刀补中的X值加上2, 那么将会变成212.520, 加工以后工件在X方向理论上将会整体大2 mm, 接下来通过量具来测量真实的外径尺寸, 将会有一定的偏差, 假设整体大了1.9 mm, 说明诸多因素带来的误差是0.1 mm, 然后将01号刀补中的X值改写为210.620, 就会消除误差。Z轴方向是同样的道理, 这里不再说明。

3 改变工具补正摩耗的数值

刀具补正摩耗指的是车刀在车削加工过程中刀尖的磨损量, 可以通过修改该值来有效地避免因刀具磨损给加工带来的误差, 还能够修正其他因素带来的误差。我们可以先在工具补正/摩耗里输入一个固定的值 (假设是3) , 如图3所示, 加工以后工件尺寸应该比设计尺寸大3 mm, 如果不是那就说明还有其他的因素在影响加工精度, 假设比设计尺寸大3.12 mm, 这就说明有其他影响精度的因素带来了这0.12mm的误差, 然后在工具补正/摩耗01号中输入-0.12, 再次运行加工程序就可以补偿掉这部分误差。

4 认真修研车刀的刀尖

有的学生刃磨完刀具后, 不注重对刀尖圆弧的修研, 直接用于切削加工导致刀具在试切对刀时就造成刀具磨损, 给后续加工带来误差。所以在刀具刃磨完成后, 一定要用油石认真修研刀尖, 自然形成一个刀尖圆弧, 提高刀尖本身的强度和耐磨性。如果条件允许可尽量使用涂层刀具, 提高刀具的耐磨性能, 可以有效避免因刀尖磨损造成加工误差。

5 编制试切程序来检验对刀误差

可以编制一个简单的试切程序来验证对刀存在多大的加工误差, 然后运行该程序来加工工件, 测量所得尺寸是不是和编程尺寸一致, 如果不一致可以通过修改工具补正/摩耗里的数值来弥补加工误差。可编写如下试切程序:

采用该程序在尺寸为准52 mm×132 mm的工件上试切一段外圆, 外圆直径为准50 mm, 长度为50 mm。加工后测量该尺寸, 如果有偏差, 说明对刀不准确, 或者还有其他的因素影响加工精度。可通过修改刀补参数来抵消这部分误差。

参考文献

[1]荣瑞芳, 关雄飞.数控加工工艺与编程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.

[2]陈红康, 杜洪香.数控编程与加工[M].济南:山东大学出版社, 2003.

刀具几何参数 篇4

矩形花键因为互换性好、定位精度高、承载能力强,在汽车和工程机械零部件中应用广泛。花键轴上的矩形花键一般采用滚削加工,当花键节圆沿齿条做纯滚动时,花键齿形就能包络出齿条形状,这是矩形花键滚刀齿形的设计原理。根据此原理衍生三种滚刀齿形设计方法:计算法、查表法、代圆弧法,各类刀具手册中都有详细介绍,此处不再赘述。

本文以沉切矩形花键及其三点代圆弧滚刀齿形为例,推演滚刀齿形、花键齿形的参数化建模公式,以AUTOCAD为演示平台,介绍了滚刀齿形展成包络花键齿形的算法流程,实现花键滚切的动态模拟。

1、矩形花键齿形图元及特征参数

根据定心方式不同,矩形花键轴分为以下两类,小径定心的花键轴,齿根留用砂轮空刀槽,热后磨键侧和小径,大径定心花键轴,热后键侧小径不加工。

绘制花键截形时,可以将大径定心结构作为小径定心的一种特例(无沉切)。下文以沉切花键为例,介绍在给定一组花键的截形参数后,如何计算花键的特征点线坐标,然后运用VBA函数,在AUTOCAD中再现花键形状。

1.1 沉切花键截形及参数说明

dc:沉切最深处直径b:齿宽da:花键大径D:倒角大小df:花键小径R:沉切圆弧半径Z:齿数

1.2 花键单齿图元对象及参数列表

矩形花键单齿图元可分解成若干点、线、圆弧结构。齿根带沉切、齿顶带倒角的矩形花键,单齿齿形由8个CAD图元组成(表1),对象序号与图3对应。

以花键中心为圆心,以一齿对称线为纵轴建立坐标系,各图形元素的特征参数计算如下:

1)特征点

◇O点坐标:(0,0,0)

◇02点坐标:(b/2+R,0)◇F点坐标:(0.5b1,0)◇O1、C点分别与O2、F点关于y轴对称,x坐标取反。2)齿顶圆弧

◇F点坐标:(0.5b1,0)

◇O1、C点分别与O2、F点关于y轴对称,x坐标取反。

2)齿顶圆弧

◇圆心O

◇起始角:π/2-sin-1(b/2-D)/(da/2)

◇终止角:π/2+sin-1(b/2-D)/(da/2)

◇圆弧半径:da/2

3)右沉切圆弧

带沉切花键,计算相对复杂。程序先绘制出齿根圆df、再绘制出右侧沉切圆dc(对应对象6),求两圆的交点。交点有两个,我们通过比较两个交点的x坐标,得右侧交点的坐标[设此交点坐标为(xx,yy,zz)],求得齿根圆弧和沉切圆弧的起始、终止角度。

◇圆心O2

◇起始角:π

◇终止角:2π+tg-1((yy-y)/(xx-x))

◇圆弧半径:R

4)左沉切圆弧

◇圆心O1

◇起始角:-π-tg-1((yy-y)/(xx-x))

◇终止角:2π

◇圆弧半径:R

5)齿根圆弧

◇圆心O

◇起始角:π-tg-1(yy/xx)-2π/z1

◇终止角:tg-1(yy/xx)

◇圆弧半径:df/2

2、刀具齿形图元及特征参数

与花键截形对应,矩形花键滚刀也分为两种形式,带沉切的花键需用带凸角的滚刀加工。下文以较复杂的带凸角花键滚刀为例,介绍刀具齿形的参数化建模。

2.1 滚刀齿形及参数说明

Pn0:法向齿距h0:齿全高Sn0:节圆法向齿厚ha0:齿顶高rc:槽底圆弧半径m:槽底宽λ:修缘角b:凸角宽度θ:凸角角度t:凸角高度X0:代圆弧圆心横坐标R0:代圆弧y0:代圆弧圆心纵坐标

2.2 刀具单齿图元对象及参数列表

带凸角的花键滚刀,单齿齿廓由13个图形元素构成(见图5),图元名称及特征点信息见表2。

以齿形节线为横轴,以齿形对称线为纵轴建立坐标系,计算出各特征点、线、圆弧的坐标参数。

1)特征点

◇A点坐标:(-Pn0/2,ha0-h0,0)

◇B点坐标:(-(Pn0-m)/2,ha0-h0,0)

◇C点坐标:(-(Pn0-m)/2,-(Pn0-Sn0-m)/2×tgλ,0)

◇D,E,F点分别与A,B,C点关于y轴对称,x坐标取反。

◇J点坐标:(x0-R0×cos(sin-1 ((ha0-y0)/R0))-Sn0/2+b,ha0,0)

◇I点坐标:(xx+/tgθ,ha0-t,0)

◇G,H点分别于J,I点关于y轴对称,x坐标取反。

2)左侧代圆弧

◇圆心坐标02:(x0-Sn0/2,y0,0)

◇起始角:π-sin-1((ha0-y0)/R0)

◇终止角:π+sin-1(y0/R0)

◇圆弧半径:R0

3)右侧代圆弧

◇圆心坐标02:(Sn0/2-x0,y0,0)

◇起始角:-sin-1((ha0-y0)/R0)

◇终止角:sin-1(y0/R0)

◇圆弧半径:R0

2.3 工件和刀具齿形在CAD中的重构策略

运用VBA中的画线、绘圆、阵列等指令函数,将花键齿形和刀具齿廓的图形元素,存储在各自的图形块中。调用显示函数,将工件和刀具图形显示在CAD模型空间中,程序流程如下:

→定义参数,设置激活图层等全局变量;

→创建图形块,用于保存图形元素,工件和刀具齿形分别保存在各自块中;

函数:Blocks.Add (InsertionPoint,Name)

→往图形块中添加单齿图形元素,计算参数值;

添加圆弧函数:Block.AddArc (Center,Radius,Start Angle,EndAngle)

添加直线函数:Block.AddLine(StartPoint,EndPoint)

→将单齿图形元素阵列,获得整个花键截形:

阵列函数:Object.ArrayPolar (NumberOfObjects,AngleToFill,CenterPoint)

→将图形块显示在CAD模型空间

显示函数:ModelSpace.InsertBlock(InsertionPoint,Name,Xscale,Yscale,ZScale,Rotation)

2.4 展成算法及动态模拟

工件不动,刀具齿廓节线沿花键节圆做纯滚动时,刀具齿廓包络出的形状就是花键齿形。如图7所示,以花键中心为圆心,以花键齿槽中心为纵轴负半轴,作为啮合展成的初始位置,开始展成模拟。

矩形花键滚刀的包络算法,由内外两层的嵌套循环实现(算法流程见图6)。内层以单个齿距的N等分为循环变量,循环结束时,包络出单齿齿形;外循环以花键齿数为循环变量,循环结束时,包络出整个工件的完整截形。内层循环时,将单个齿距的展成分为n个啮合瞬态。每个瞬态,刀具节线绕工件节圆纯滚动转过(Pn0/n)/rj1的弧度;计算工件节圆与刀具节线的切点位置,作为刀具齿形的插入点;计算)刀具中心线与x轴的偏转角度,作为刀具啮合角。将每个瞬态工件与刀具的啮合关系用图形方式在CAD显示,保留所有Z1×n个啮合瞬态痕迹,即得到包络图。

3、结论

矩形花键连接是汽车传动系中一类常见的连接方式。本文以带沉切的轴用矩形花键为例,介绍了花键齿廓和滚刀齿形的参数化建模方法,以AUTOCAD为平台,运用VBA二次开发,实现了刀具包络花键的展成模拟。运用所得包络图,可直观进行加工误差分析,花键直边起点检查,完成刀具设计加工校验。

摘要：以轴用矩形花键及其加工滚刀为研究对象,推演了工件截形及滚刀齿形各特征点线的计算公式,运用VBA语言对AUTOCAD进行二次开发,实现了矩形花键截形及花键滚刀齿形的参数化建模,运用包络算法,完成了滚刀齿形展成模拟。

关键词：矩形花键,滚刀,VBA,参数化建模,展成模拟

参考文献

[1]四川省机械工业局.复杂刀具设计手册下册[M].北京:机械工业出版社,1979:723-748.

[2]Autodesk.ActiveX和VBA开发人员指南.AutoCAD 2006开发人员帮助.联机文档.2006.

[3]王建中.矩形花键滚刀的计算机辅助设计[J].科技情报开发与科技.2008,35:143-145.

刀具断屑槽参数对断屑影响的分析 篇5

关键词：切屑控制,断屑槽,断屑性能

1 引言

在机械加工中,金属切削过程是刀具和工件相互作用的过程,在这一过程中将产生大量的切屑。切屑过长将会影响加工表面质量、刀具寿命、操作者的安全以及生产效率;切屑过碎,则造成切屑飞散和堆积,引起切削振动,损害刀具寿命,降低加工质量。所以要想保证机械加工的加工质量,降低生产成本,提高生产效率就必须采取合理的断屑技术,将切屑折断成适当的长度,以便于排除和处理切屑,尤其是在自动化生产中更为关键。实际加工中有许多断屑方法,但利用刀具断屑槽进行合理断屑是断屑过程中非常有效的一种断屑手段。

断屑槽断屑是利用材料的加工硬化和受冲击、受挤压而达到破坏强度的原理来断屑的。刀片断屑槽能使切屑按预先设定的方式进行卷曲、流动和折断,使其形成“可接受”的良好屑形,从而实现对切屑的有效控制。断屑槽的基本结构如图1所示,主要参数包括棱带宽度br1、主切削刃上槽宽Wn、刀尖角平分线上槽宽WΦ、断屑槽深度H、刃口高度h、宽深比ζ、反屑角θ、槽型斜角τ等。每个参数设置是否合理都直接影响着金属切屑过程中切屑折断的性能。本文仅就可转位刀具断屑槽结构参数对切屑折断的影响进行分析。

2 断屑槽参数对断屑性能影响分析

2.1 棱带宽度br1

可转位刀片使用时,通过机械方法夹固在刀杆或刀体上,刀片的棱带在标准刀杆上就形成了角度为-6°的倒棱。负倒棱的主要作用是增加切削刃强度,减少刀具破损。但在确定负棱带宽度时,不能只考虑增加刀具强度,还要考虑切屑能否流入断屑槽,即是否有利于断屑。以切削钢为例,当棱带宽度大于刀具和切屑接触长度时,切屑的卷曲为自然卷曲,不受断屑槽的约束,而是沿倒棱负前角的表面流出,不利于断屑;当棱带宽度小于刀具和切屑接触长度时,切屑保证进入断屑槽,形成良好切屑;但当棱带宽度大于刀具和切屑粘接区长度,同时小于刀具和切屑接触长度时,则切屑处于一种临界状态,可能进入断屑槽,也可能不进入断屑槽。通过以上分析可知,为了保证很好的断屑,应尽可能地使棱带的宽度小于等于刀具和切屑的接触长度。

在实际设计和使用中,应综合考虑刀具刃口强度、断屑情况及具体的切削状态。粗加工时因切削力较大,应选择较大的br1以保证刀具的强度,精加工时可以选取较小的br1,既满足刀具强度要求,又有良好的断屑效果,具体数值见表1。当刀具前角较小时,前刀面挤压切削层时的塑性变形增大,有利于断屑,可根据情况减小br1,但至少留有0.05mm以上的棱带宽度;断续切削时对刀具的冲击较大,要求刀具具有足够的强度,因此应增大棱带宽度值。

2.2 主切削刃上槽宽Wn的影响

断屑槽宽度是影响断屑的主要因素,槽宽的大小应确保一定厚度的切屑在流出时碰到断屑台,并在断屑台反作用角作用下,使切屑卷曲半径减小而断屑。

目前世界上刀具的槽形大致可以分为两种:一种是不变截面槽形,一种是变截面槽形。对于直线型、直线圆弧型和圆弧型截面的等截面直槽式二维断屑槽,槽底圆弧半径与槽宽Wn之间存在式(1)的几何关系,可见切屑卷曲半径Rc均与槽底圆弧半径成正比例关系。

当增大断屑槽宽度时,切屑的卷曲半径较大,由于没有足够的变形,切屑不易折断,对断屑不利。因此在断屑槽宽度较大时,一般采取大的进给量和增加切屑厚度来改善断屑效果。断屑槽宽度越小,使切屑卷曲的曲率半径越小,卷曲变形越大,切屑越容易折断。但是Wn与最大断屑进给量有直接关系,断屑槽宽度减小最大断屑进给量也减小,这使得在大进给量时产生过断屑,影响断屑效果。

在实际生产中,设计断屑槽宽度时,要考虑进给量f、背吃刀量和所加工的材料等因素。

一般当进给量确定之后,可以利用经验公式来确定槽宽,加工中碳钢时,取Wn=10f;加工合金钢时,取Wn=7f;切削韧性大的塑性材料时,Wn可以取小一些。反之,当断屑槽宽度确定之后,每一种断屑槽都有一个最佳断屑的进给量和切削深度。当Wn较小时,可在较小的切削深度和进给量下断屑,反之当Wn较大时,在较大的切削深度和进给量下可以保证良好的断屑。粗加工时,进给量比较大,切屑较厚,可以选择较大的Wn;精加工时情况相反,应选取较小的Wn。断屑槽的宽度可以根据表2来选取。

变截面槽形刀片的主切削刃上,每一点的法向截面上的前角是变化的,有效断屑槽宽度能够随切深不同而变化,因此在实际切削中每点的卷曲和变形不同,使得变截面槽形刀片不仅断屑范围宽,断屑性能也比较稳定。因此变截面的三维断屑槽在目前应用越来越广泛。

2.3 断屑槽斜角τ

根据断屑槽相对于主切削刃的倾斜角度不同,断屑槽在刀面上有三种位置型式:外倾式、平行式、内倾式,如图2所示。

外倾式断屑槽使得刀具刃倾角为-λs,以刀具切削外圆为例,在靠近工件外表面处,加工速度最高而槽最窄,切屑最先卷曲,卷曲半径小,变形大,而刀尖处切削速度最低,槽又最宽,切屑最难卷曲,且卷曲半径最大。结果就使切屑在工件外表面处先卷成小卷,同时产生作用力将刀尖处切屑翻转到后刀面上,因此最终切屑与工件表面碰撞,切屑易折成小段,形成C型屑,有利于断屑。在中等背吃刀量时,断屑效果较好。但是,当切削深度较大时,由于断屑槽后面窄,容易造成切屑堵塞使刀具损坏。在切削深度较小时,刀具的切削部位主要为刀尖处,该处槽较宽,断屑效果不理想。外倾式断屑槽斜角可以根据工件材料来进行设计,一般加工中碳钢时取τ=8°~10°,加工中碳钢时取倾斜角τ=10°~15°,加工不锈钢时取τ=6°~8°。

内倾式断屑槽前窄后宽,刀尖处槽最窄,切屑先卷成小卷,而工件外表面处于大槽宽处,因此卷成大卷,一般形成的切屑为螺旋卷,然后靠自重甩断。一般取斜角τ=8°~10°。由于刀具最终形成刀具刃倾角为λs,使切屑流向刀具后刀面而折断,故内倾式断屑槽一般适用于较小背吃刀量的半精加工和精加工。

平行式断屑槽τ=0°,切屑形成主要靠碰到加工表面折断而形成弧形屑。比较适合大背吃刀量切削中碳钢和低碳钢。

2.4 断屑槽深度H和刃口高度h的影响

断屑槽深度是指槽底到刀片顶面的距离,刃口高度h是指棱带顶面与刀片顶面之间的高度差。

从图1中可知,对于等截面的二维断屑槽,当断屑槽宽度Wn不变时,刀片的法向前角随断屑槽深度增大而增大,刀具切削刃变得锋利,这使得最终形成的切屑厚度变薄变形减小,切屑韧性增加不易折断。当断屑槽深度增大时,在一定程度上槽底对切屑的阻碍减小,使切削力有所下降。但由于槽深度增加,刀片刃口变薄,刃口强度下降,刀片强度也随之下降,易造成崩刃现象。

同时,从图1可知,棱带高度也是影响断屑槽深度的一个关键因素。当刀片顶面位置固定时,棱带高度降低致使断屑槽的有效深度变浅,刀片的法向前角减小,断屑槽反屑面相对提高,切屑受到的弯曲力矩增大,这些因素使得切屑变形增加,切屑容易折断,利于断屑。但在设计棱带高度时,还要综合考虑刀片强度及刀片的安装稳定性。

2.5 宽深比ζ的影响

断屑槽宽深比ζ是指断屑槽宽度和深度的比值(Wn/H)。断屑槽的形状对宽深比有直接影响,直线圆弧型断屑槽的Wn/H值在一定范围内变化。当槽型为全圆弧型时,槽深H最小,宽深比Wn/H最大,此时槽底圆弧半径按式(2)计算。

当槽型为直线圆弧型时,槽底圆弧半径与各参数的关系按公式(4)计算。

从公式可看出槽底半径与槽宽比有直接关系,而槽底半径直接影响断屑,因此有必要考虑宽深比对断屑的影响。

2.6 反屑角θ

断屑槽的槽背与刀片基面的夹角称为反屑角,如图1所示。反屑角是影响断屑的主要因素,反屑角增大,切屑卷曲半径减小,卷曲变形增大,切屑易折断。但反屑角太大,切屑容易堵塞,排屑不畅,会使切削力增大、切削温度升高。因此在设计断屑槽时应综合考虑θ的总体影响。从断屑效果来看,反屑角在20°~30°之间时,三维断屑槽断屑较好。

2.7 刀尖角平分线上槽宽WΦ的影响

由于刀尖对角线上断屑槽宽度WΦ的存在,切削过程中,切屑受到较大的横向弯矩,使得切屑容易折断。但在切削深度较大时,切屑较宽,切屑受力的作用点分散在整个断屑槽表面上,刀尖对角线上槽宽WΦ对切屑卷曲的影响不是很显著。

3 结论

采用断屑槽断屑简单方便,但刀具断屑槽设计的是否合理,对刀具的使用性能起着至关重要的作用。每种几何参数的断屑槽只在一定的切削条件下能够很好地断屑,因此结合实际切屑状态合理设计断屑槽,合理使用断屑槽,对保证加工质量有着重要的意义。

参考文献

[1]仇启源,庞思勤.现代金属切削技术[M].北京:机械工业出版社,1989.

[2]冯高头,叶丽.刀具断屑不可靠的原因分析及解决方法[J].MC现代零部件,2006(8):88-91.

刀具几何参数 篇6

1.1具有很强的加工硬化趋势, 极易磨损刀具

大部分不锈钢材料 (马氏体类不锈钢例外) 具有很强的加工硬化趋势, 同时, 因为加工硬化层具有很高的硬度 (通常高于原有硬度2倍左右, 表面硬度HV能够达到400-570kg/mm2) 。不同的切削条件与不锈钢工件材料, 会让加工硬化层深度从数十μm一直深入到数百μm (通常为100μm-200μm) 。

1.2切屑不易折断或者卷曲

切削过程中切屑不易卷曲和折断。特别是镗孔、钻孔、切断等工序的切削过程中, 排屑困难, 切屑易划伤已加工表面。在数控机床上切削不锈钢时, 断屑与排屑是重点考虑的问题。

1.3切屑具有很强的粘附性, 极易造成刀瘤

不锈钢材料具有很高的韧性, 尤其是对其它金属材料具有较强的亲和力, 加工过程非常容易造成刀瘤。

1.4 “三高” (高温度、高硬度、高强度) 不易分离切屑

不锈钢的特性之一就是高温度、高硬度、高强度。例如温度维持在700°C的奥氏体类不锈钢的机械性能仍不会显著降低。

2合理选用加工刀具

合理选用加工刀具是进行不锈钢材料加工的重要先决条件。不锈钢加工刀具的必须具有以下特点:较高的强度、硬度、韧性、耐磨性以及较低的不锈钢亲和力。

常用的刀具材料有硬质合金和高速钢两大类, 形状复杂的刀具主要采用高速钢材料。由于高速钢切削不锈钢时的切削速度不能太高, 因此影响生产效率的提高。对于车刀类较简单的刀具, 刀具材料应选用强度高、导热性好的硬质合金, 因其硬度、耐磨性等性能优于高速钢。常用的硬质合金材料有:钨钴类 (YG3、YG6、YG8、YG3X、YG6X) , 钨钴钛类 (YT30、YT15、YT14、YT5) , 通用类 (YW1、YW2) 。YG类硬质合金的韧性和导热性较好, 不易与切屑粘结, 因此适用于不锈钢粗车加工;而YW类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好, 适合于不锈钢的精车加工。加工1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢时, 不宜选用YT类硬质合金, 由于不锈钢中的Ti和YT类硬质合金中的Ti产生亲合作用, 切屑容易把合金中的Ti带走, 促使刀具磨损加剧。

3合理选择刀具几何角度

合理选择刀具几何角度非常重要, 其切削部分的几何角度直接影响着不锈钢工件进行切削加工时的切削力、表面粗糙度、加工硬化趋势、生产率、刀具耐用程度等诸多方面。合理选择刀具几何角度不仅可以提高工件的加工质量和加工效还可以显著降低加工成本 (如降低刀具的更换频率和废品率等) 。

3.1合理选择前角

进行不锈钢切削时, 应该在不降低刀具强度的前提之下, 适当提高前角 。刀具前角的适当提高会降低刀具的塑性变形能力、切削热以及切削力, 加工硬化的趋势也会随之减轻, 相应地, 刀具耐用度便会显著提高。综合看来, 通常情况下刀具前角保持在12°-20°为最佳, 具体角度根据实际需要来调整。

3.2合理选择后角

在弹性与塑性两方面均高于常规碳素钢的不锈钢, 进行切削时, 如果刀具后角 过小, 会增加车刀后角与切断表面的接触面积, 此时, 摩擦高温区集中于车刀后角部位, 刀具的磨损会显著加快, 并且工件的表面光洁度会显著降低。因此, 进行不锈钢工件切削时, 车刀后角 应该大于车削普通碳钢时的角度, 但是不可以过大, 因为过大的后角会导致刀刃强度地急剧下降, 刀具的耐用度得不到保证。所以, 刀具后角保持在6°-10°之间为最佳。

3.3刃倾角

由于采用较大的前角, 刀尖强度会有所削弱。为增强刀尖强度而又不使背向分力增加过大, 刃倾角宜取较小数值, 一般为-5°至 -15°, 连续切削时取较大值, 断续切削时取较小值。

4合理选择切削用量

合理选择切削用量直接影响着不锈钢加工的效率与质量, 所以, 在合理确定刀具类型和刀具几何角度之后, 必须要科学合理地确定切削用量。

合理选择切削用量时应该注意以下几个问题:首先, 不同的不锈钢毛坯具有不同的硬度, 应该根据实际情况来选择切削用量;其次, 合理选择切削用量, 同时需要考量刀具材料、刀具刃磨条件以及焊接质量等因素;再次, 除了以上两点, 合理选择切削用量需要认真考量零件的直径、车床精度以及加工余量问题。

刀具几何参数 篇7

刀具作为制造过程中的重要工具, 对零件加工过程起着举足轻重的作用。另外, 切削参数的选择不当会导致刀具磨损严重、机床颤振和工件质量超差等问题发生[1]。如何保证在满足零件加工质量的前提下尽可能地提高生产率和降低生产成本已经成为当今世界切削行业不断探索和研究的课题。特别是国内大多数船用柴油机制造企业在生产中仅凭经验、刀具商推荐信息或参考切削用量手册试切后确定切削刀具以及切削参数, 不仅浪费了时间和加工材料, 也往往因为过于保守而达不到切削刀具和切削参数的最佳配置, 从而影响了机床和刀具发挥最佳的切削性能, 故此类企业迫切需要建立合理实用的刀具和切削参数优选系统。

国外已研究出针对切削加工过程的刀具库和切削参数优选软件 (如CUTDATA[2], METALMAX[3]和Cut Pro/Shop Pro[4]等) 。而因国内制造企业不够重视, 导致在这方面的研究起步较晚。目前一些高校、科研院所采用基于规则推理 (RBR) 、基于实例推理 (CBR) 和权重决策等理论方法先后开发了一系列的刀具选择系统, 提高了企业生产的自动化程度[5~7]。北航刘强等人开发了一套面向铣削加工过程的动力学仿真系统 (Simu Cut) , 用于优选无颤振条件下的切削参数[8,9]。然而, 既能实现刀具优选和切削参数优选的系统还未出现。

本文运用现代切削理论、数学建模和智能算法寻求合理的切削刀具和切削参数, 利用VB6.0、SQLServer2000和MATLAB等软件混合编程技术, 开发了用于船用柴油机关键零件加工的优选刀具和切削参数系统, 为船用柴油机制造企业的刀具和切削参数选择提供有益帮助。

1 系统的总体方案设计

根据软件工程学思想, 采用IDEF0图方法描述系统的功能活动及其联系, 以此来建立本系统的结构模型。如图1所示, 本系统有系统管理、切削加工数据库、刀具优选、切削过程动力学仿真和前后台处理五个主要功能模块, 其中每个主要模块根据需求又划分若干子模块。系统管理模块包括用户管理、权限管理、系统日志和用户切换等功能;切削加工数据库模块是整个系统的基础, 系统所有的刀具数据及知识均由后台数据库做支持, 它包括刀具商 (如山特维克、瓦尔特、肯纳、伊斯卡等刀具和切削参数) 样本数据库和企业经验刀具及切削参数数据库;刀具优选模块把满足加工要求的刀具按照权重的大小推荐给用户;切削过程动力学仿真模块包括铣削加工过程时域仿真、颤振稳定域仿真、铣削力系数辨识和工艺参数优化计算子模块[10];如图2所示, 前后台处理模块包括VB6.0, SQLServer2000和MATLAB等软件, 可以实现图形显示、报表打印输出等功能, 软件的相互调用方法可以参考文献[11]。

2 系统实现的关键技术及算法流程

2.1 利用规则推理和权重决策实现刀具优选

规则推理是将专家的知识和经验归纳为推理过程中的规则, 并依此进行推理。所谓推理就是指从已知事实出发, 运用已掌握的知识, 推导出其中蕴涵的事实性结论或归纳出某些新结论的过程。常用的推理方法有正向推理, 反向推理和双向推理[12]。本系统中的规则明确, 知识库的结构相对简单, 故采用如图3所示的正向推理流程实现刀具优选。如图4所示, 系统根据用户需求调用数据库中的机床信息、工件信息和输入的加工信息, 自动调用系统知识库进行规则推理和权重决策, 匹配出满足刀具-工件材料知识库中规则的刀具信息存入数据库。

2.2 基于遗传多目标优化算法的切削参数优选

工艺参数优化计算是在已有动力学仿真技术的基础上, 以主要的加工工艺参数 (主轴转速n、每齿进给量fz、轴向切削深度ap、径向切削深度ae) 为优化设计变量, 以最大生产率, 最佳表面质量和综合目标函数, 以铣削过程动力学仿真系统的相关仿真结果为约束条件, 进行优化计算, 得到满足一定优化目标和约束条件的工艺参数, 如图5所示。目标函数应根据制造企业的实际情况来确定。不同企业或同一企业不同的生产阶段, 切削参数优化的目标函数应有所区别。通常, 对于战争时期或重要型号攻关时期的军工企业, 加工效率成为首要优化目标, 而加工成本则不是主要考虑的问题;对于和平时期市场经济下的民用制造企业来说, 则需要兼顾效率和效益, 应使用综合的多目标函数[13]。多目标优化方案如图6所示。

本文以最大材料去除率和最佳表面质量为多目标优化目标函数, 利用权重和法来为每个目标函数分配权重, 并将其组合成为一个如下的综合目标函数:

式中, λ1和λ2为权重系数, 它们分别反映材料去除率和表面质量的相对重要程度。M (X0) 和R (X0) 分别表示优化前的材料去除率和表面质量。其中材料去除率可以表示为:

式中, N表示铣刀齿数。而侧面粗糙度和底面粗糙度的表达式分别为[13]:

式中D代表铣刀直径, re代表刀尖圆弧半径, Ra max代表最大许用表面粗糙度。

将基因遗传算法和多目标切削参数优化的思想相结合, 构建程序实施的基本流程如图7所示。第1部分建立多目标实施模型;第2部分是多目标权重和处理;第3部分是采用基因遗传算法进行全局寻优。

3 系统界面及算例分析

3.1 刀具优选模块操作及算例分析

刀具优选模块功能由两部分组成。第一部分运用规则推理技术, 如图8 (a) 所示, 根据用户交互选择的工件信息、工序信息及加工信息, 先从后台刀具库中调取适合加工此工件的候选刀具集;第二部分是把第一部分推选出的刀具作为备选集, 运用权重决策理论, 根据选定的优化目标, 结合各种影响因素的优化后的刀具按照权重值的大小由大到小顺序排列;如图8 (b) 所示, 选择最大生产率优化目标所得的刀具优化结果表明:刀具编号为R290-050Q22-12L的“方肩面铣刀”更适合加工PA机机架的台阶面加工。

3.2 工艺参数优选模块操作及算例分析

工艺参数优化模块界面主要包括输入, 输出以及操作类型。输入刀具已知参数, 约束条件, 材料属性等;输出有优化前后结果。操作主要有优化计算, 原用参数计算和返回主界面, 如图9所示。优化算例分析如下:

1) 切削条件:选择立铣刀, 铣刀直径40mm, 铣刀齿数4齿, 铣刀螺旋角为150, 加工原用切削参数主轴转速3000r/min、每齿进给量0.08mm/齿、轴向切削深度2mm、径向切削深度20mm;铣削加工时选择顺铣。

2) 材料属性:刀具材料选择高速钢, 工件材料选择模具钢, 通过切削力系数辨识试验获得切削力系数, ktc=2344N/mm2, krc=869N/mm2, kac=83N/mm2, kte=43N/mm, kre=20N/mm, kae=23N/mm。

3) 约束条件:由机床, 刀具以及工件得到主轴功率约束P≤10KW, 主轴扭矩约束T≤100N2m, X方向约束力Fx≤700N, Y方向约束力Fy≤700N, 径向切削深度ae≤40mm, 每齿进给量fz≤0.1mm, 通过颤振稳定域仿真得到主轴转速3500r/mm≤n≤600r/mm, 轴向切削深度ap≤5mm, 如图10所示。

4) 操作步骤:分别通过对最大生产率, 最佳表面质量和综合目标的优化计算, 得到优化的切削参数, 优化前金属去除率和表面质量。通过优化前后切削参数计算得到金属去除率和表面粗糙度, 优化结果见表1。

由表格可得到, 当采用最大金属去除率为优化目标时, 得到的金属去除率远大于优化前, 但粗糙度不如优化前, 此种优化可用在粗加工过程中;采用最佳表面质量为目标优化时, 得到的粗糙度要远优于优化前, 而金属去除率却不如优化前;采用综合目标优化时, 得到的金属去除率和粗糙度均要优于优化前。

4 结论