槽铣刀具的前角与后角优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械设计及制造技术领域，具体涉及一种槽就刀具的前角与后角优化 设计方法。
【背景技术】
[0002] 机械制造业中已广泛应用槽就刀具进行就削加工W完成金属成型。为提高生产效 率W及保持竞争力，越来越高的切削速度被应用于科学研究W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W及较高的刀具寿命，对就削条件下的槽就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巧）；广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化）=37^40)通过正交实验法研究了硬质合金立就刀的 不同刀具结构参数对切削力的影响规律，并W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， W获取最小的切削力。
[0003]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W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W确保高的优化精度。
【发明内容】
[0004]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，提出了一种槽就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。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：槽就刀具的前角与后角优化设 计方法，包括W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) 、将就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W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。
[0006] 所述步骤（1)具体为，根据加工经验W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 敎与后角搬组合。
[0007] 所述步骤（2)具体为，通过查阅文献或实验测试获取刀具W及工件材料的物理性 能参数；对于刀具材料有：密度游、弹性模量器、泊松比带、比热疑;、热导率枉；对于工件材料 有：密度弹性模量線、泊松比^誤、比热r。、热导率給、热扩散系数输；对于工件材料的 化hnson-Cook本构模型，有公式如下：
(1) 其中，赛为剪应力、累为剪应变、I为剪应变率、r为绝对温度、n为应变硬化指数，C为应 变率敏感系数，/??为热软化系数，厶《^及^^。为常数；通过查阅文献或通过动态压缩实验^ 及拟合算法，获取化hnson-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 。热软化系数曲，常数厶《W及;e。
[0008] 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坤、切 削速度?&、径向切深沒6、每齿进给量.在等所在范围，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。
[0009] 所述步骤（4)具体为，将就削向直角自由切削转化，根据步骤（1)中所确定的刀具 前角和后角组合，确定直角自由切削有限元仿真中的所用刀具的几何角度；将步骤（2)中 所确定的刀具和工件各项物理性能参数，导入商用有限元仿真软件；将步骤（3)中所确定 的切削速度)滚的数值输入有限元仿真软件；根据步骤（3)中所确定的每齿进给1：輿的最大 值，确定有限元仿真中所采用的切削厚度化、.的范围，并在此范围内取若干典型数值进行仿 真。
[0010] 所述步骤（5)具体为，对于步骤（1)中所选取的任意刀具前角与后角组合，在步骤 (4)中的任一切削速度条件下的不同的切削厚度下，刀具前刀面上进入刀具的热流密度^ 均可通过下式进行计算： :續毎||叫嚇续g. U) 其中绿2为刀具前刀面上的热流密度，II:为热分配系数； 对于公式（2)中的濃2有表达式：
(3) 其中，胃为剪切面平均温度；蘇为环境初始温度，可设为20°C;挺为刀具材料的热 导率，可在步骤（2)中获取；豁f为工件材料的热导率，可在步骤（2)中获取；/.i.为刀-屑接 触长度，可在步骤（4)即切削仿真过程中量取； 对于公式（3)中的3有表达式：
其中为切削宽度，可根据步骤（3)中的轴向切深巧;确定； 对于公式（3)中的痕有表达式：
(5) 其中，《输:为工件材料的热扩散系数，可根据步骤（2)获取；1%为切屑在刀具表面上的 流动速度，并有表达式：
(6) 其中，秘5为切削速度，可根据步骤（3)获取；碱諭为切屑厚度，可在步骤（4)的切削仿真 过程中量取；械为切削厚度，可根据步骤（4)获取； 对于公式（2)和（3)中的瓣甫表达式：
(7) 其中，为刀具前刀面处的摩擦力，并且有表达式，
(8) 其中，終为在切削速度方向的切削分力，可在步骤（4)的切削仿真中获取；与;IV 方向垂直的切削力，可在步骤（4)的切削仿真中获取；麵为刀具前角，可在步骤（1)中获 取； 对于公式（3)中的爲;有表达式：
(9) 其中，盛;为剪切面热量流入到切削过程中所形成切屑的比率，夺S为剪切面上的热流 密度，藥为剪切角，妈为工件材料的比热容并可在步骤（2)中获取辉#为工件的密度并可 在步骤（2)中获取；对于公式（9)中的有表达式：
(10) 其中，％为剪切速度，染为切削面积，薇为剪切面上的剪切力；对于公式（10)中的 凑!甫表达式：
(11) 对于公式（10)中的夢有表达式：
(12) 对于公式（10)中的>讓有表达式：
(13) 对于公式（10)中的;.朵;有表达式：
(14) 对于公式（9)中的袭I.