一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法

1.本发明涉及刀具切削领域，具体涉及一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法。


背景技术：

2.立铣刀是切削加工中常用的加工工具，在一些深腔类复杂零部件的加工中，因材料去除率高、轴向切深大，采用常规立铣刀加工时容易出现排屑干涉的现象，会消耗更多的切削功率。同时加工过程还易产生过长的切屑，切屑卷曲缠绕在刀具上容易划破已加工工件表面，同时加剧了刀具和工件之间的摩擦，引起温度升高，导致零件加工精度劣化，也会减少刀具的使用寿命。
3.本发明提出一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，设计立铣刀时引入自由切削原理，根据此原理把周刃前刀面设计成不等螺旋角的波形曲面结构，减小了排屑干涉，同时使周刃形成局部变螺旋角结构，可以抑制切削过程中的颤振。并且在周刃后刀面上设计有分屑槽，计算单个周刃上分屑槽总宽度和未开分屑槽轴向总长度之间的比值，将其称为离散度，量化了分屑槽总宽度和周刃轴向总长度之间的关系，能定量研究分屑槽数量对切屑长度的影响规律。周刃上的分屑槽可以减小离散刃立铣刀轴向切削深度，降低了轴向铣削力，同时可以使切屑更容易折断，避免产生卷曲长切屑。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决实际加工中的切屑过长、排屑干涉的问题，提出一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，本发明的技术方案如下：
5.步骤一、设计立铣刀的基本参数；
6.步骤二、引入自由切削原理，将立铣刀周刃前刀面设计成不等螺旋角的波形曲面结构；
7.步骤三、根据非自由度计算公式计算立铣刀非自由度系数ф，并判断该值是否在1到1.15之间，如果在这个区间范围则进行下一步，若不在这个区间范围则重新设计前刀面的形状；
8.步骤四、根据加工材料合理选择每齿进给量f，设计分屑槽参数，根据单个周刃上分屑槽总宽度和未开分屑槽轴向总长度之间的比值计算离散度，并判断该值是否在0.08到0.5之间，若在这个范围则进行下一步，若不在这个区间范围则重新设计分屑槽参数；
9.步骤五、获得一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀三维模型。
10.进一步地，所述步骤一的基本参数包括：
11.(1)总体尺寸l、直径d、芯厚h、刃长l1；，
12.(2)对铣削性能影响较大的三个参数：周刃前角γz取值范围是：5
°
～15
°
、周刃第一后角α
z1
取值范围是：12
°
～16
°
、螺旋角β取值范围是：30
°
～35
°
；
13.(3)对铣削性能影响较小的参数用常规立铣刀的经验值：前刀面宽度b1取2mm，周刃第一后刀面宽度b
az1
取1.5mm，周刃第二后角α
z2
取15
°
、周刃第二后刀面宽度b
az2
取1.5mm，刃部槽形曲线半径r1取2.53mm，r2取7.12mm；端刃第一后角α
d1
取10
°
、端刃第一后刀面宽度b
ad1
取2mm，端刃第二后角α
d2
取15
°
。
14.进一步地，所述步骤二设计的不等螺旋角的波形曲面结构沿着周刃螺旋线方向，波谷到波峰的垂直距离小于周刃第一后刀面的宽度，波长小于等于四分之一周刃的长度。
15.进一步地，所述步骤三的非自由度系数ф公式为：
[0016][0017]
式(1)中a为立铣刀单个周刃非自由切削实际消耗的功率，da1、da2、da3、
……
、dan为立铣刀周刃上各个单元刀具进行自由切削时的功率，i＝1、2、3、
……
、n，一共有n个单元刀具参与切削，其中d表示周刃划分的单元刀具的微元，为各单元刀具进行自由切削时的功率之和。
[0018]
进一步地，所述步骤四根据加工材料合理选择每齿进给量f，所设计的分屑槽参数包括：整体旋向(左旋、右旋、交错排布)、分屑槽形状(曲线型、矩形、三角形)、分屑槽宽度(等槽宽、变槽宽1、变槽宽2)、深度(分屑槽深度v＞f)；在周刃上设计分屑槽时使相邻两个周刃上各个分屑槽的轴向高度不同，这样能保证刀具旋转一周每个周刃切削区域全部重叠。根据单个周刃上分屑槽总宽度和未开分屑槽轴向总长度之间的比值计算离散度，并判断该值是否在0.08到0.5之间，若在这个范围则进行下一步，若不在这个区间范围则重新设计分屑槽参数；
[0019]
进一步地，所述步骤四的离散度s公式为：
[0020][0021]
式(2)中l1、l2、l3、
……
、lm表示单个周刃上各个分屑槽的宽度，x＝1、2、3、
……
、m，一共有m个分屑槽，表示单个周刃上所有分屑槽的总宽度；其中l
z1
、l
z2
、l
z3
、
……
、l
ze
表示单个周刃上未开分屑槽的各段周刃的轴向长度，y＝1、2、3、
……
、e，一共有e段这样的长度，表示单个周刃上未开分屑槽的轴向总长度。
[0022]
本发明的有益效果
[0023]
本发明方法设计立铣刀时引入自由切削原理，将周刃前刀面设计成不等螺旋角的波形曲面结构，从而减小了加工时的排屑干涉，抑制了铣削过程中的颤振，不等螺旋角的波形曲面结构增大了立铣刀的容屑空间，提高了材料去除率；
[0024]
通过离散度关系式量化了分屑槽总宽度和周刃轴向总长度之间的关系，能定量研究分屑槽数量对切屑长度的影响规律；
[0025]
在周刃设计的分屑槽和不等螺旋角的波形曲面结构可以提高离散刃立铣刀的散热能力，更容易断屑，避免产生卷曲长切屑。
[0026]
说明书附图
[0027]
图1是本发明的流程图；
[0028]
图2是分屑槽整体旋向中的左旋示意图；
[0029]
图3是分屑槽整体旋向中的右旋示意图；
[0030]
图4是分屑槽整体旋向中的交错排布示意图；
[0031]
图5是样条曲线形分屑槽形状示意图；
[0032]
图6是矩形分屑槽形状示意图；
[0033]
图7是三角形分屑槽形状示意图；
[0034]
图8是等槽宽分屑槽示意图；
[0035]
图9是变槽宽1型分屑槽示意图；
[0036]
图10是变槽宽2型分屑槽示意图；
[0037]
图11是采用本发明提供的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀的整体结构图；
[0038]
图12是采用本发明提供的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀周刃部分剖面图；
[0039]
图13是采用本发明提供的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀端刃局部图；
[0040]
图14是采用本发明提供的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀周刃分屑槽和波形曲面结构的分布图；
[0041]
图15是常规立铣刀的整体结构图；
[0042]
图16是常规立铣刀三维有限元铣削仿真结果图；
[0043]
图17是实验7号对应的离散刃立铣刀三维有限元铣削仿真结果图；
[0044]
图18是从仿真结果里依次提取常规立铣刀和实验7号铣削力fz仿真值获得的对比图。
具体实施方式
[0045]
如图1所示是本发明的操作流程图，一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一、先确定立铣刀的基本参数，包括：
[0047]
总体尺寸l为105mm直径d为20mm，芯厚h为12mm，刃长l1为40mm，螺旋角为30
°
，选用四刃立铣刀，有四个周刃和四个端刃；对铣削性能影响较大的三个参数：周刃前角γz为10
°
，周刃第一后角α
z1
为15
°
，螺旋角β为30
°
。
[0048]
对铣削性能影响较小的参数用常规立铣刀的经验值：前刀面宽度b1为2mm，周刃第一后刀面宽度b
az1
为1.5mm，周刃第二后角α
z2
为15
°
，周刃第二后刀面宽度b
az2
为1.5mm，刃部槽形曲线半径r1为2.53mm，r2为7.12mm；端刃第一后角α
d1
为10
°
，端刃第一后刀面宽度b
ad1
为2mm，端刃第二后角α
d2
为15
°
。
[0049]
步骤二、引入自由切削原理，将周刃前刀面设计为不等螺旋角的波形曲面结构，整
个波形长k2＝10mm，波峰到波谷的垂直距离k3＝1.5mm。
[0050]
步骤三、在matlab软件中采用遗传算法求各单元刀具所消耗的功率，然后带入下式计算非自由度系数ф：
[0051][0052]
式(1)中a为立铣刀单个周刃非自由切削实际消耗的功率，da1、da2、da3、
……
、dan为立铣刀周刃上各个单元刀具进行自由切削时的功率，i＝1、2、3、
……
、n，一共有n个单元刀具参与切削，其中d表示周刃划分的单元刀具的微元，为各单元刀具进行自由切削时的功率之和。
[0053]
步骤四、所述方法根据加工材料合理选择每齿进给量f，分屑槽整体旋向为右旋；分屑槽形状为样条曲线形；分屑槽设计为变槽宽，相邻两个周刃上分屑槽数分别为三个和四个，三个分屑槽的周刃上分屑槽宽度采用变槽宽1，前宽度为1mm、深度为1mm，后宽度为1.4mm、深度为1.2mm。四个分屑槽的周刃上分屑槽宽度采用变槽宽2，前宽度为1.2mm、深度为1mm，后宽度为1.5mm、深度为1.3mm。分屑槽之间的间距为10mm，周刃上分屑槽距离端刃的距离为k1＝5mm、k2＝10mm。
[0054]
计算周刃离散度s公式为：
[0055][0056]
式(2)中l1、l2、l3、
……
、lm表示单个周刃上各个分屑槽的宽度，x＝1、2、3、
……
、m，一共有m个分屑槽，表示单个周刃上所有分屑槽的总宽度；其中l
z1
、l
z2
、l
z3
、
……
、l
ze
表示单个周刃上未开分屑槽的各段周刃的轴向长度，y＝1、2、3、
……
、e，一共有e段这样的长度，表示单个周刃上未开分屑槽的轴向总长度。经计算，四个分屑槽的周刃离散度为0.136，三个分屑槽的周刃离散度为0.081。
[0057]
步骤五、采用solidworks软件分别建立基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀和常规立铣刀的三维模型，分别通过abaqus软件进行有限元仿真实验，提取二者轴向铣削力fz的数值并对比其大小。
[0058]
步骤六、对基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法的设计步骤中分屑槽的参数列出正交实验表，设计的正交实验表如下：
[0059][0060]
正交设计表
[0061]
以实验7号的分屑槽参数为例设计离散刃立铣刀，将其和常规立铣刀分别进行有限元仿真实验，用solidworks软件分别建立实验7号对应的离散刃立铣刀三维模型和常规立铣刀三维模型，分别通过abaqus软件进行有限元仿真实验，提取二者轴向铣削力fz的仿真值，对比常规立铣刀和实验号7对应的离散刃立铣刀的轴向铣削力fz的仿真值大小，结果表明实验7号对应的离散刃立铣刀可以降低轴向铣削力。
[0062]
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、设计立铣刀的基本参数；步骤二、引入自由切削原理，将立铣刀周刃前刀面设计成不等螺旋角的波形曲面结构；步骤三、根据非自由度计算公式计算立铣刀非自由度系数ф，并判断该值是否在1到1.15之间，如果在这个区间范围则进行下一步，若不在这个区间范围则重新设计前刀面的形状；步骤四、根据加工材料合理选择每齿进给量f，设计分屑槽参数，根据单个周刃上分屑槽总宽度和未开分屑槽轴向总长度之间的比值计算离散度，并判断该值是否在0.08到0.5之间，若在这个范围则进行下一步，若不在这个区间范围则重新设计分屑槽参数；步骤五、获得一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法设计的离散刃立铣刀三维模型。2.根据权利要求1所述的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，其特征在于，所述步骤一设计的立铣刀基本参数包括：(1)总体尺寸l、直径d、芯厚h、刃长l1；(2)对铣削性能影响较大的三个参数：周刃前角γ
z
取值范围是：5
°
～15
°
、周刃第一后角α
z1
取值范围是：12
°
～16
°
、螺旋角β取值范围是：30
°
～35
°
；(3)对铣削性能影响较小的参数用常规立铣刀的经验值：周刃前刀面宽度b1取2mm，周刃第一后刀面宽度b
az1
取1.5mm，周刃第二后角α
z2
取15
°
、周刃第二后刀面宽度b
az2
取1.5mm，刃部槽形曲线半径r1取2.53mm，r2取7.12mm；端刃第一后角α
d1
取10
°
、端刃第一后刀面宽度b
ad1
取2mm，端刃第二后角α
d2
取15
°
。3.根据权利要求1所述的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，其特征在于，所述步骤二引入自由切削原理，将立铣刀周刃前刀面设计为一种不等螺旋角的波形曲面结构，波谷到波峰的垂直距离小于周刃第一后刀面的宽度，波长小于等于四分之一周刃的长度。4.根据权利要求1所述的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，其特征在于，所述步骤三具体内容包括：计算立铣刀非自由度系数ф，判断该值是否小于1.15；非自由度系数公式为：式(1)中a为立铣刀单个周刃非自由切削实际消耗的功率，da1、da2、da3、
……
、da
n
为立铣刀周刃上各个单元刀具进行自由切削时的功率，i＝1、2、3、
……
、n，一共有n个单元刀具参与切削，其中d表示周刃划分的单元刀具的微元，为各单元刀具进行自由切削时的功率之和。5.根据权利要求1所述的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，其特征在于，所述步骤四根据加工材料合理选择每齿进给量f，设计分屑槽深度并保证其值大于每齿进给量，所设计的分屑槽参数包括：整体旋向(左旋、右旋、交错排布)、分屑槽形状(曲线型、
矩形、三角形)、分屑槽宽度(等槽宽、变槽宽1、变槽宽2)、深度(分屑槽深度v＞f)。6.根据权利要求1所述的一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，其特征在于，所述步骤四计算的离散度s公式为:式(2)中l1、l2、l3、
……
、l
m
表示单个周刃上各个分屑槽的宽度，x＝1、2、3、
……
、m，一共有m个分屑槽，表示单个周刃上所有分屑槽的总宽度；其中l
z1
、l
z2
、l
z3
、
……
、l
ze
表示单个周刃上未开分屑槽的各段周刃的轴向长度，y＝1、2、3、
……
、e，一共有e段这样的长度，表示单个周刃上未开分屑槽的轴向总长度。

技术总结
本发明公开了一种基于自由切削原理的离散刃立铣刀设计方法，结合三维建模软件设计了一种适用于加工深腔类复杂零部件的离散刃立铣刀。在设计离散刃立铣刀时引入自由切削原理，将周刃前刀面设计成不等螺旋角的波形曲面结构；考虑分屑槽参数对刀具性能的影响，引入离散度概念，计算单个周刃上分屑槽总宽度和未开分屑槽轴向总长度之间的比值，量化了分屑槽总宽度和周刃轴向总长度之间的关系。采用本专利设计出的离散刃立铣刀可以改善排屑和散热效果，降低轴向铣削力，抑制铣削过程中的颤振。抑制铣削过程中的颤振。抑制铣削过程中的颤振。


技术研发人员：付祥夫 王成龙 郑敏利 陈恩义 李康男
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/31