加工复合材料用铣刀的参数化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种加工复合材料用铣刀的参数化设计方法，属于刀具设计技术领域。
【背景技术】
[0002]由于碳纤维复合材料以及玻璃纤维复合材料具有强重比高等诸多优点，因此越来越广泛低被应用在航空航天制造业中。但是，碳纤维复合材料却属于难加工的航空材料，尤其是碳纤维复合材料的铣削加工，因此加工复合材料用铣刀的设计与制造已成为刀具制造业的主流。
[0003]而目前，复合材料用铣刀的设计与制造仍停留在手工设计的阶段，其设计过程为:首先，依据给定的加工复合材料铣刀设计及要求手工查找铣刀的设计标准(国标、航标、企标)、拉刀设计相关知识库等资料进行铣刀的结构设计；其次，进行繁琐的、复杂而又容易出错的手工的拉刀设计参数计算；再次，在AutoCAD软件上进行手工的渐开线拉刀的图纸绘制；最后，完成铁刀的图纸存储或打印。
[0004]手工设计复合材料用铣刀至少需要16个小时，也就是2个工作日。由于每次设计铣刀都需要繁杂的工作，尤其是大量而复杂的参数计算，因此严重阻碍了铣刀的设计与制造效率，而且很容易因为人为因素造成设计误差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种加工复合材料用铣刀的参数化设计方法，提高效率，减少设计误差。
[0006]本发明的技术方案:加工复合材料用铣刀的参数化设计方法，包括以下步骤:
O设计开始；
2)确定加工复合材料铣刀的设计要求及数据；
3)加工复合材料铣刀的结构设计:根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行刀具结构的设计；
4)加工复合材料铣刀的参数计算:根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行刀具材料及其结构参数的计算;
5)加工复合材料铣刀的齿形坐标计算:依据选择的齿厚方式以及渐开线齿轮与花键齿形的基本数据，并应用VB程序设计软件编制渐开线齿形参数计算软件，然后进行渐开线齿形参数的计算，并计算出渐开线齿轮与花键齿形的坐标；
6)根据步骤3)得到的结构数据、步骤4)得到的参数数据以及步骤5)得到的齿形坐标数据，通过VB程序直接驱动AutoCAD软件自动完成AutoCAD版本的刀具图纸设计，包括铣刀的图形绘制、尺寸与形位公差标注以及刀具表面粗糙度标注、技术要求、按照企业标准的图纸框等； 7)将已经设计完的AutoCAD版本的刀具图纸存储到复合材料铣刀图纸数据库中，或者将其打印出来。
[0007]上述步骤3)中，根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行如下刀具结构的设计:
1)刀具侧刃的结构设计；
2)刀具端刃的结构设计；
3)刀具柄部的结构设计；
4)刀具刃部与柄部过渡部分的结构设计。
[0008]上述步骤4)中，根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行如下刀具材料及其结构参数的计算:
1)刀具材料；
2)刀具刃部直径；
3)刀具柄部直径；
4)切削刃长度；
5)刀具总长度；
6)刀具侧刃的切削单元前角；
7)刀具侧刃的切削单元刃长；
8)刀具侧刃的切削单元齿深；
9)右螺旋刃螺旋角；
10)左螺旋刃螺旋角；
11)右螺旋刃数量；
12)左螺旋刃数量；
13)端刃数量；
14)刀具端刃前角；
15)刀具端刃后角；
16)刀具端刃后刀面宽度；
17)刀具设计的技术要求。
[0009]所述复合材料刀具设计与制造的知识库模块，是根据复合材料零件的材料性能、零件结构特征及其参数而建立的刀具材料及其结构参数与复合材料零件的材料性能、零件结构特征及其参数之间的关联关系及算法数学模型，最终实现刀具设计模型需求数据的自动筛选与计算。
[0010]所述复合材料刀具设计与制造的知识库模块中，相关联的主要数据有:
1)复合材料的性能参数
1.0复合材料的机械性能:硬度、强度、韧性等；
1.2)化学性能:主要是与刀具材料的亲和性；
1.3)切削加工性能:切肩塑性变形难易程度、与被加工材料的摩擦系数、导热性等；
2)复合材料零件总体结构及其精度参数
2.1)复合材料零件的结构特征及其参数:梁、框、肋、壁板等及其具体的结构参数；
2.2)零件的刚性:确切的说是被加工部位的刚性，与零件的材料、结构特征及其具体的结构参数相关联；
2.3)复合材料零件的固有振动频率(装夹在工作台或工装上测量的参数):对预防共振与颤振相关联；
3)复合材料零件被加工部位的结构参数
3.1)复合材料零件被加工部位的结构参数:与零件(被加工部位)刚性、刀具的结构及其结构参数、切削加工参数以及零件的精度相关联；
3.2)复合材料零件被加工部位的固有振动频率(装夹在工作台或工装上测量的参数):与刀具的结构及其结构参数、切削加工参数以及零件的精度相关联；
3.3)复合材料零件被加工部位的结构刚性:与刀具的结构及其结构参数、切削加工参数以及零件的精度相关联；
4)刀具材料性能参数
4.1)刀具材料的机械性能:硬度、强度、韧性等对刀具切削性能及使用寿命的影响；
4.2)刀具材料的切削性能:锋利度、切肩塑性变形难易程度、与被加工复合材料的摩擦系数、导热性等；
5)刀具结构及其精度参数
5.1)刀具的结构参数:材料结构特征、总长、悬长、刃长、齿数、容肩槽结构等；
5.2)切削角度:前角、后角、螺旋角等；
5.3)切削刃形状及刃口半径r等；
5.4)刀具的固有振动频率(装夹在机床上测量的参数)等；
5.5)刀具的精度及动平衡参数等；
6)工艺装备性能参数
6.1)定位精度；
6.2)定位的稳定性；
6.3)工艺装备的刚性;
7)工具系统性能参数
7.1)定位精度；
7.2)定位的稳定性；
7.3)工艺装备的刚性；
7.4)动平衡性能；
8)机床精度参数
8.1)定位与重复定位精度；
8.2)负载精度;
8.3)主轴精度(如跳动度等)；
9)机床强度与刚性参数
9.1)机床的功率等；
9.2)工艺装备的固有振动频率:机床主轴的固有振动频率、工装的固有振动频率等；
10)工序特征
10.1)粗加工；
10.2)半精加工； 10.3)精加工。
[0011]本发明的有益效果:本发明具有自动设计与自动计算的功能，即只要输入被加工复合材料零件的材料参数、结构特征参数、加工特征，则本发明将能够应用VB程序驱动AutoCAD软件自动完成AutoCAD版本的刀具图纸设计，包括铣刀的图形绘制、尺寸与形位公差标注以及刀具表面粗糙度标注、技术要求、按照企业标准的图纸框等，极大的提高了加工复合材料用铣刀的设计要求，降低了错误的发生，同时也为复合材料刀具的数字化制造技术做出了突破性的贡献。
【附图说明】
[0012]图1为加工复合材料用铣刀的参数化设计方法的流程图。
[0013]图2为实施例中铣刀的主视图。
[0014]图3为图2中A-A剖面的放大图。
[0015]图4为图2中B-B剖面的放大图。
[0016]图5为图2中C-C剖面的放大图。
[0017]图6为实施例中铣刀的左视图。
[0018]图7为图6中D-D剖面的放大图。
[0019]图8为实施例中刀具图纸的技术要求。
[0020]图9为实施例中刀具的完整设计图纸。
【具体实施方式】
[0021]以厚度为10mm、材料为碳纤维复合材料的结构件为例，其加工特征为切边加工，在采用本发明设计方法后，得到的铣刀的设计结果如下:刀具刃部直径为20mm、刀具柄部直径为20mm、切削长度为28mm、刀具总长度为82mm、右螺旋刃螺旋角为30°、左螺旋刃螺旋角为30°、右螺旋刃数量为24、左螺旋刃数量为26、端刃数量为2 ;得到的切削加工参数为:刀具转速 n=12000-18000rpm、进给速度 f=1000-1200mm/min、ap=10mm、ae2_10mm。铁刀的设计图纸如图2至图9所示。
[0022]此次工作只花费了不到8分钟的时间，比传统的手工设计效率相比至少提高了1200 倍。
【主权项】
1.加工复合材料用铣刀的参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)设计开始； 2)确定加工复合材料铣刀的设计要求及数据； 3)加工复合材料铣刀的结构设计:根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行刀具结构的设计； 4)加工复合材料铣刀的参数计算:根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行刀具材料及其结构参数的计算; 5)加工复合材料铣刀的齿形坐标计算:依据选择的齿厚方式以及渐开线齿轮与花键齿形的基本数据，并应用VB程序设计软件编制渐开线齿形参数计算软件，然后进行渐开线齿形参数的计算，并计算出渐开线齿轮与花键齿形的坐标； 6)根据步骤3)得到的结构数据、步骤4)得到的参数数据以及步骤5)得到的齿形坐标数据，通过VB程序直接驱动AutoCAD软件自动完成AutoCAD版本的刀具图纸设计。2.如权利要求1所述的加工复合材料用铣刀的参数化设计方法，其特征在于:所述复合材料刀具设计与制造的知识库模块，是根据复合材料零件的材料性能、零件结构特征及其参数而建立的刀具材料及其结构参数与复合材料零件的材料性能、零件结构特征及其参数之间的关联关系及算法数学模型，最终实现刀具设计模型需求数据的自动筛选与计算。
【专利摘要】本发明提供一种加工复合材料用铣刀的参数化设计方法，包括以下步骤：设计开始；确定加工复合材料铣刀的设计要求及数据；根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行刀具结构的设计；根据被加工零件的材料及其结构参数、铣刀的设计标准并依据复合材料刀具设计与制造的知识库模块自动进行刀具材料及其结构参数的计算；应用VB程序设计软件编制渐开线齿形参数计算软件，然后进行渐开线齿形参数的计算，并计算出渐开线齿轮与花键齿形的坐标；根据得到的结构数据、参数数据以及齿形坐标数据，通过VB程序直接驱动AutoCAD软件自动完成AutoCAD版本的刀具图纸设计。本发明具有提高效率、减少设计误差等特点。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899386
【申请号】CN201510333967
【发明人】唐臣升, 翟南, 蒲永伟, 李研, 潘国华, 宋扬
【申请人】沈阳飞机工业（集团）有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日