槽銑刀具的前角與后角優(yōu)化設計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械設計及制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種槽就刀具的前角與后角優(yōu)化 設計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機械制造業(yè)中已廣泛應用槽就刀具進行就削加工W完成金屬成型。為提高生產(chǎn)效 率W及保持競爭力，越來越高的切削速度被應用于科學研究W及生產(chǎn)制造之中。切削速度 的不斷升高導致切削過程中的刀具溫度急劇增加，并對刀具壽命乃至已加工表面產(chǎn)生不良 影響。在高速切削條件下，切削溫度主導了起主要作用的刀具失效機理。刀具幾何結(jié)構(gòu)參 數(shù)如刀具前角和后角對切削加工過程中的刀具溫度有重要影響。因此，為獲取較低的刀具 溫度W及較高的刀具壽命，對就削條件下的槽就刀具的前角與后角進行優(yōu)化設計極為重要 中國文獻"超硬材料工程"（2013,25巧）；廣5)在正交實驗的基礎上，得到了影響PCBN刀具使用壽命的刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的主次順序，并獲取了刀具幾何結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。中國 文獻"航空精密制造技術(shù)"（2013,49化）=37^40)通過正交實驗法研究了硬質(zhì)合金立就刀的 不同刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，并W最小切削力為優(yōu)化目標，對刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進 行了優(yōu)選。中國文獻"中國機械工程"（2008,19(4) ;428~431)應用全因子實驗設計和多元 線性回歸技術(shù)建立了切削力預測模型，并在此模型的基礎上對刀具幾何參數(shù)進行了優(yōu)化， W獲取最小的切削力。
[0003]綜上可知，已有的刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方式為；通過大量切削實驗，通過正交實 驗法對刀具幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并且多W獲取最小切削力為優(yōu)化目標。刀具溫度對刀具壽 命有著極其重要的影響，已有的刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法未對刀具瞬時平均溫度進行考 慮，難W確保高的優(yōu)化精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，考慮刀具瞬時平均溫度對刀具壽命的影 響，并且同時結(jié)合正交試驗設計方法，提出了一種槽就刀具的前角與后角優(yōu)化設計方法，該 方法可獲取最高刀具壽命的刀具前角與后角組合。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：槽就刀具的前角與后角優(yōu)化設 計方法，包括W下步驟， (1) 、首先根據(jù)加工條件，確定可采用的多種刀具前角和后角組合； (2) 、通過查閱文獻或?qū)嶒灉y試，確定刀具、工件的各項物理性能參數(shù)； (3) 、根據(jù)實際切削條件，通過正交實驗設計方法確定所需分析的各切削參數(shù)組合； (4) 、將就削向直角自由切削進行轉(zhuǎn)化，采用商用有限元軟件，設定各項相關(guān)參數(shù)，進行 二維直角自由切削有限元仿真； (5) 、依據(jù)有限元仿真結(jié)果，對刀具上的熱流密度W及刀-屑接觸長度進行計算； (6) 、通過理論計算，針對刀具不同的前角和后角組合，確定各個切削參數(shù)組合條件下 的刀具溫度峰值； (7)、對于各刀具前角與后角組合，計算各個切削參數(shù)組合條件下的刀具溫度峰值的平 均值，取值最小的刀具前角與后角組合即為最優(yōu)選擇。
[0006] 所述步驟（1)具體為，根據(jù)加工經(jīng)驗W及刀具前角和后角的基本選用原則，確 定刀具前角和后角選用范圍，在它們的選用范圍內(nèi)選取若干數(shù)值，構(gòu)成多個刀具前角 敎與后角搬組合。
[0007] 所述步驟（2)具體為，通過查閱文獻或?qū)嶒灉y試獲取刀具W及工件材料的物理性 能參數(shù)；對于刀具材料有：密度游、彈性模量器、泊松比帶、比熱疑;、熱導率枉；對于工件材料 有：密度彈性模量線、泊松比^誤、比熱r。、熱導率給、熱擴散系數(shù)輸；對于工件材料的 化hnson-Cook本構(gòu)模型，有公式如下：
(1) 其中，賽為剪應力、累為剪應變、I為剪應變率、r為絕對溫度、n為應變硬化指數(shù)，C為應 變率敏感系數(shù)，/??為熱軟化系數(shù)，厶《^及^^。為常數(shù)；通過查閱文獻或通過動態(tài)壓縮實驗^ 及擬合算法，獲取化hnson-Cook本構(gòu)模型中的各項參數(shù)；應變硬化指數(shù)n，應變率敏感系數(shù) 。熱軟化系數(shù)曲，常數(shù)厶《W及;e。
[0008] 所述步驟（3)具體為，根據(jù)實際切削加工條件，確定各切削參數(shù)如軸向切深坤、切 削速度?&、徑向切深沒6、每齒進給量.在等所在范圍，依據(jù)正交實驗設計方法，在各切削參數(shù) 范圍內(nèi)選定若干典型值，并確定所需分析的各切削參數(shù)組合。
[0009] 所述步驟（4)具體為，將就削向直角自由切削轉(zhuǎn)化，根據(jù)步驟（1)中所確定的刀具 前角和后角組合，確定直角自由切削有限元仿真中的所用刀具的幾何角度；將步驟（2)中 所確定的刀具和工件各項物理性能參數(shù)，導入商用有限元仿真軟件；將步驟（3)中所確定 的切削速度)滾的數(shù)值輸入有限元仿真軟件；根據(jù)步驟（3)中所確定的每齒進給1：輿的最大 值，確定有限元仿真中所采用的切削厚度化、.的范圍，并在此范圍內(nèi)取若干典型數(shù)值進行仿 真。
[0010] 所述步驟（5)具體為，對于步驟（1)中所選取的任意刀具前角與后角組合，在步驟 (4)中的任一切削速度條件下的不同的切削厚度下，刀具前刀面上進入刀具的熱流密度^ 均可通過下式進行計算： :續(xù)毎||叫嚇續(xù)g. U) 其中綠2為刀具前刀面上的熱流密度，II:為熱分配系數(shù)； 對于公式（2)中的濃2有表達式：
(3) 其中，胃為剪切面平均溫度；蘇為環(huán)境初始溫度，可設為20°C;挺為刀具材料的熱 導率，可在步驟（2)中獲??；豁f為工件材料的熱導率，可在步驟（2)中獲??；/.i.為刀-屑接 觸長度，可在步驟（4)即切削仿真過程中量??； 對于公式（3)中的3有表達式：
其中為切削寬度，可根據(jù)步驟（3)中的軸向切深巧;確定； 對于公式（3)中的痕有表達式：
(5) 其中，《輸:為工件材料的熱擴散系數(shù)，可根據(jù)步驟（2)獲取；1%為切屑在刀具表面上的 流動速度，并有表達式：
(6) 其中，秘5為切削速度，可根據(jù)步驟（3)獲取；堿諭為切屑厚度，可在步驟（4)的切削仿真 過程中量取；械為切削厚度，可根據(jù)步驟（4)獲??； 對于公式（2)和（3)中的瓣甫表達式：
(7) 其中，為刀具前刀面處的摩擦力，并且有表達式，
(8) 其中，終為在切削速度方向的切削分力，可在步驟（4)的切削仿真中獲取；與;IV 方向垂直的切削力，可在步驟（4)的切削仿真中獲?。稽I為刀具前角，可在步驟（1)中獲 ?。?對于公式（3)中的爲;有表達式：
(9) 其中，盛;為剪切面熱量流入到切削過程中所形成切屑的比率，奪S為剪切面上的熱流 密度，藥為剪切角，媽為工件材料的比熱容并可在步驟（2)中獲取輝#為工件的密度并可 在步驟（2)中獲?。粚τ诠剑?)中的有表達式：
(10) 其中，％為剪切速度，染為切削面積，薇為剪切面上的剪切力；對于公式（10)中的 湊!甫表達式：
(11) 對于公式（10)中的夢有表達式：
(12) 對于公式（10)中的>讓有表達式：
(13) 對于公式（10)中的;.朵;有表達式：
(14) 對于公式（9)中的襲I.