（机械工程专业论文）cfrp钛合金螺旋铣孔专用刀具优化与试验研究.pdf

摘要c f r p 钛合金作为难切削材料，已广泛应用于航空航天领域，在飞机部件装配过程中有多处结构需要对c f r p 钛合金进行一体化连接，这就要对其叠层材料一体化制孔。为提高航空航天部件装配效率和质量，c f r p 钛合金叠层材料制孔的效率和质量显得尤为重要。因此，有必要对叠层材料的制孔工艺和专用刀具进行优化研究，本文围绕c f r p 钛合金叠层材料螺旋铣孑l 切削机理，对专用刀具进行优化设计和相关试验研究，主要研究内容包括以下几个方面：本文通过对螺旋铣孔工艺的运动学进行深入分析，确定刀具轴心点的运动速度、轴向进给和螺旋角，进而确定刀具运动轨迹。在切削理论的基础上，对不同角度参数的刀具进行有限元仿真，确定合适的刀具角度范围。再根据切削加工影响因素的分析完成刀具参数的选择和刀具优化方案的设计。在c a d 系统参数化建模理论的基础上，基于u g 对所设计的系列刀具进行三维建模并建立刀具的三维零件样板，通过合理设计驱动参数，可以完成刀具的快速设计。刀具刃部与颈部的阶梯状设计能够减小切削刃和切屑对已加工表面的损伤，刀尖设计为双圆角过渡，提高了刀具底刃强度，有利于复合材料纤维的切断，底刃及容屑槽的不对称设计有利于提高刀体强度，增大容屑空间，有利于切屑的排出。根据螺旋铣孔专用刀具优化试验的设计方案，分别对钛合金、复合材料和c f r p 钛合金叠层材料进行刀具磨损试验，并对切削过程中的切削力、刀具磨损、加工孔质量等进行深入研究，完成了刀具参数的优化。试验中分析了c f r p 钛合金在切削过程中的加工难点，为以后螺旋铣孔工艺的优化研究提供参考。关键词：螺旋铣孔、刀具优化、c f l 冲钛合金、参数化建模a b s t r a c ta sn a r d c u t t i n gm a t e r i a l s ，c f r p t i t a n i u ma l l o ya r ew i d e l yu s e di na e r o s d a c ef i e l d i na s s e m b l yp r o c e s so f a v i a t i o np a r t s ，l a r g en u m b e ro f h o l e sn e e d sm a c h i n i n gi nc f r p t i t a n i u ml a m i n a t e dm a t e r i a l s s ot h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fh o i e sw a i t i n gt ob ep r o c e s s e da r ev e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fa s s e m b l yp r o c e s s jn 日e t o 陀i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eh o l em a c h i n i n gp r o c e s s i n ga n do p t i m i z et h es p e c i a lt o o l s b a s e do nt h ec u t t i n gm e c h a n i s mo fc f r pa n dt i t a n i u m ，t h i sp a p e rd os o m er e s 。a r c ho nt o o ! o p t i m i z a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s t h ev e l o c i t yo ft o o lc e n t e rp o i n t ，a x i a lf e e da n dh e l i c a la n g l ec a nb ed e t e r m i n e dt h r o u g ht h es t u d yo fh e l i c a lm i l l i n gk i n e m a t i c s b a s e do nt h ec u t t i n gt h e o r y ，t h e 啪g eo ft o o la n g l ec a nb es e l e c t e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h e nt h et o o lp a r a m e t e rc n 0 1 c ea n do p t i m i z a t i o ns c h e m ea r ec o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h ec u t t i n gi n f l u e n c ef a c t o r s o nt h eb a s i so ft h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gt h e o r yo fc a ds y s t e m t o o lm o d e la n dt h r e e - d l m e n s i o n a lp a r tt e m p l a t ea r ee s t a b l i s h e d t o o l sc a nb ec o m p l e t e dr a p i d l vb vp a r a m e t e 。d r i v i n g t h es t e p l a d d e rd e s i g no ft o o le 趣ep a r ta n dt o o ln e c kc a nd e c r e a s et h ew e a ro fm a c h i n e ds u r f a c e t h ed o u b l ef i l l e to f t o o ln o s ec a ne n h a n c e dt h es 仃e n 础o fb a s i c - c u t t i n ge d g e t h eu n s y m m e t r i c a ld e s i g no fc h i pp o c k e ti sb e n e f i c i a lt oc h i pr e m o v a l a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns c h e m eo ft o o lo p t i m i z a t i o n ，t o o lw e a re x p e r i m e n t sf o rm a c h i n i n gt i t a n i u m ，c f r pa n dc f r p t i t a n i u ma r ec o m p l e t e d c u t t i n gf o r c e t o o lw e a ra n dh o l eq u a l i t i e sa r ea l s os t u d i e d t h ea n a l y s i so fp r o c e s s i n gd i f f i c u l t i e sp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o no f p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：h e l i c a lm i l l i n g ，t o 。1o p t i m i z a t i 。n ，c f r p t i t a n i u ma 1 1 0 y ，p a r a m e t r i cm o d e l i n g第一章绪论第一章绪论随着航空航天、船舶、汽车、能源等行业的快速发展，制造业中对结构材料的性能要求也越来越高。c f r p ( c f r p 为碳纤维增强复合材料的缩写) 钛合金作为典型的难加工材料，在航空航天领域的应用极为广泛，尤其在飞机装配中，c f r p 钛合金制孔的质量和效率直接影响飞机的装配质量和效率。因此，采用新的制孔工艺螺旋铣孔，并研制其专用刀具对提高这类孔加工质量与效率有重要意义。1 1 课题的来源和背景本课题来源于天津市科技支撑计划重点项目“飞机自动化装配装备的螺旋铣孔单元研制”( 0 9 z c k f g x 0 3 3 0 0 ) 并i 天津市自然科学基金重点项目“c f 嗍合金螺旋铣孔过程切削机理与工艺优化研究”( 11 j c z d j c 2 2 8 0 0 ) 。航空航天技术的发展带动着新材料的发展与应用，飞机的设计要求速度更快、重量更轻而且有更大的承载能力，与此同时，还要使用更少的燃料，最大化的降低成本与污染。先进的航空产品必然要求航空零部件具有更加优异的性能，复合材料和钛合金的低密度、高强度、耐腐蚀等优良性能使其越来越广泛的应用于航空航天领域，因此c f r p 钛合金等难切削材料的加工效率和质量成为航空航天领域发展的关键技术之一。c f r p 钛合金的切削加工中，作为航空零部件一体化装配的必要工序，孔的加工尤为重要。据统计，f 2 2 战机的双翼中对孔的需求量有1 4 0 0 0 个，大型客机波音7 4 7 的下线需要约3 0 0 万个紧固孔要加工，在飞机寿命期内发生灾难性损坏往往都是由于孔的疲劳裂纹引起的【1 。因此，航空零部件所加工孔的质量对飞机的寿命与安全性能有着重要影响。1 2c f r p 钛合金材料孔加工研究现状随着航空航天事业的快速发展，钛合金材料的应用也越来越广泛，钛合金作为航空航天材料有以下优势：轻量化、耐热、耐腐蚀而且能与碳纤维复合材料相容。钛合金及复合材料的应用水平已经成为衡量一个国家飞机制造业与发动机先第一章绪论进水平的重要标志，其大力发展与应用以成为增强我国航空航天实力的重要举措。1 碳纤维复合材料孔加工特点及研究现状由于碳纤维材料是由强度小、韧性高且有较低弹性模量的材料和强度大、脆性高且有较高的弹性模量的材料复合而成的，其力学性能为各向异性，机加工性能很差，因此碳纤维复合材料是典型的难加工材料，主要体现在导热性差、高硬度、层间剪切强度低等特点，加工过程主要有以下问题【2 j ：1 加工过程中材料易出现毛刺、拉丝、撕裂、分层、崩块等缺陷，要达到较好的加工质量，其加工参数也不好掌握，其孔加工缺陷，如图1 1 示意，如今复合材料应用趋于广泛，应用的部件也越来越重要，即使一点小的缺陷也有可能造成非常严重的后果。口度、微裂纹尺寸精度裂、毛刺图1 - 1 碳纤维复合材料孔加工缺陷2 加工过程中的切削温度过高，再加上纤维的回弹和高硬切削粉末的摩擦，致使刀具磨损加快、刀具寿命低等。3 加工表面的表面质量低，由于复合材料的基体和增强体之间的热膨胀系数不同，在切削高温下很容易产生残余应力，使加工精度也很难达到要求。4 复合材料加工时容易产生粉末，而不是有形切屑，污染环境，危害身体健康，而且粉末还具有导电性，易使电路短路等，危害加工设备。由图1 2 可知，若对碳纤维采用传统的钻孔方式，在孔的入口和出口处，很容易出现撕裂和分层等缺陷，很难达到比较理想的制孔质量。第一章绪论1 妇一影1i坠jrt图1 2 碳纤维复合材料钻孔对于以上加t 难点，在国内大连理t 大学提出了“以磨代钻”的孔加9 - 方法，并且研制出了新型的电镀超硬磨料刀具1 3j ；西北工业大学研究了复合材料和铝合金叠层材料胶接面应力模型，并进行了三维有限元分析，提出预测复合材料和铝合金胶接面应力的分析方法【4 】：沈阳飞机制造公司对刀具的材料、几何角度以及切削用量等方面对c f r p 钻孔工艺性和孔表面质量进行了研究，优化了碳纤维复合材料高质量钻孔的工艺参数1 5 j ：航天材料及工艺研究所对复合材料钻孔刀具的磨损机理及钻削力等进行了研究【6 】；华南理上火学对碳纤维复合材料进行高速钻孔，研究了切削参数对孔表面质量的影响规律【7j ；北京航空航天大学对c f r p 钻孑l 缺陷进行了深入分析，并对分层缺陷机理进行了研究j 。国外学者对复合材料的研究也相当深入，d i l i e s c u 等人对复合材料钻孔中切削参数、钻削力与刀具磨损的关系做了深入研究，并建立了刀具磨损监测的关系模型。a g i l p i n 对各种复合材料用钻孔刀具进行了评述，阐述了刀具磨损的主要因素是刀具的切削速度和进给量，复合材料加工应该是低应力切削p j ；s r a w a t等人对复合材料进行高速钻孔，研究了w c - c o 刀具磨损的影响因素，得出切屑与刀具的摩擦是刀具磨损的主要原因【1o 】；s c l e e 等人研究了复合材料本身层间角度的不同对钻孔过程影响【；j p d a v i m 等人研究了钻削复合材料过程中出现的分层现象，并建立了关于轴向进给和切削速度的线性回归方程1 12 i 。以上研究为今后开展碳纤维复合材料t l d r l 工机理提供了重要参考。2 钛合金孔加工特点及研究现状钛合金切削加工性能较差，主要原因有：钛合金导热性差直接导致切削加工过程中产生很高的切削温度，在相同条件下，钛合金的切削温度一般为4 5 钢的一倍以上，高温降低了刀具的耐用度；钛合金化学活性大产牛的硬化层，会对刀具产生直接的磨损，减小刀具的使用寿命：钛合金弹性模量低，回弹性大，使刀具后刀面与工件接触面加大，增大了刀具后刀面的磨损；钛合金低塑性、高硬嫂使得切屑与刀具前刀面接触面减小，导致前刀面应力大，易使刀具破损：由于钛第一章绪论的活性高，对大多数的刀具材料来说，在切削钛合金的过程中，刀具很容易被溶于钛中，或与钛起化学反应，如前面所说的生成t i c 硬质层，在没有粘结剂的情况下，这些t i c 很容易被磨损掉，刀具中的碳又不断扩散形成新的t i c 层( 如图1 3 ) t i c 层又被磨损掉，实现重复磨损过程1 3 】，以上加工性能使得钛合金加工效率低，刀具损伤大，为典型的难切削材料。图1 3 碳通过碳化钛层扩散的磨损模型结合钛合金加工特点，国内上海交通大学陈明教授采用硬质合金刀具对钛合金材料进行钻孔试验，比较了类金刚石( d l c ) 涂层、未涂层和t i c 涂层的硬质合金刀具加工孔的质量和刀具磨损情况，阐述了d l c 涂层刀具在寿命和孔加工质量上的优势【1 4 ；大连理工大学采用油气雾化技术加工钛合金，研究表明，雾化物能有效降低切削温度，保护金刚石刀具，提高工件加工质量1 15 j ；j l c a n t e r o a等研究发现，钛合金钻孔中，切削速度及进给速度要明显低于其他相应材料。选择合适的刀具基体材料，优化刀具结构及加工参数等问题还有待解决【l6 | 。r l i等和e a r a h i m 等研究表明，钛合金材料小的弹性模量和较大的轴向切削力，导致钻孔毛刺问题非常严重，直接影响加工孔的表面质量。为提高钛合金钻孔质量和提高刀具的使用寿命，钻削过程中需要用适当的切削液【17 。1 8 j 。这些研究都为今后钛合金制孔工艺优化提供重要参考依据。3c m 钛合金叠层材料孔加工特点及研究现状c f r p 钛合金叠层材料制孔比单独的c f r p 或钛合金材料制孔更为复杂，一般要求采取一次装夹、一体制孔，以保证制孔的精确度、同轴度等，从而减少装配误差。但是复合材料和钛合金叠层中，不同材料性能相差很大，同时构件的加工顺序也会影响钻孔质量，如c f r p 构件在金属构件上部，加工中金属切屑的排出有可能会划伤c f r p 构件孔壁，影响孔的表面质量。现阶段c f r p 钛合金叠层材料制孔的一般t 艺过程为：c f r p 钛合金叠层钻孔分拆清理c f r p 钛合金再定位精铰孔。航空航天领域中，c f r p 钛合金材料制孔直径一般为4 l5 m m 。4第一章绪论m r a m u l u 等用普通硬质合金钻头对c f r p 钛合金进行钻y l d u 工，深入研究了钻孔切削力、孔的加工质量、刀具磨损及加工孔的出入口毛刺缺陷等，并对不同钻头的加工试验进行对比 1 9 。c f r p 钛合金结构钻孔过程中切屑有被挤压入cf r p 和钛合金夹缝中的趋势，所以在扩孔后，要进行清理表面。另外，如果孔径大，加工钛合金时扭矩会很大。钻孑l 作为传统的s t i l l 工艺加工c f r p 钛合金存在很大的局限性，不仅工艺复杂、孔质量不理想，而且对钻头的要求也相当严格，提高刀具成本。螺旋铣孔作为新兴的孔加工工艺，它能够实现低应力切削，降低切削温度，减小刀具磨损；螺旋铣孔过程属于断续切削，避免切削过程中温度的积累：螺旋铣孔工艺中一种规格的刀具可以加工不同直径的孔，减少刀具成本等。对于加工c f r p 钛合金等难加工材料，螺旋铣孑l 工艺优势明显。图1 - 4 钻孔、螺旋铣孔宏观形貌b d e n k e n a 等，以t i a l n 涂层整体硬质合金三面刃立铣刀为例，研究了c f rp 钛合金螺旋铣孔的运动学规律及切屑形成机理，分析了切削参数对孔加工质量的影响。提出螺旋铣孔是c f r p 钛合金叠层材料制孔的有效方法 2 0 。1 3 螺旋铣孑l 技术的优势及国内外研究现状螺旋铣孔过程包括以下三个基本运动：主轴旋转( 白转运动) 、刀具绕孔中心的轨道运动( 公转运动) 以及向下的轴向进给运动。三个运动的共同作用下完成整个螺旋铣孔过程。螺旋铣孔技术的优势( 2 1 ：螺旋铣孔 二艺可以用同一直径的刀具加工不同直径的孔，减少刀具成本和刀具的换刀时间，提高工作效率：切削过程中底刃和侧刃同n 寸参与切削，不1 仁4 于传统钻削中只有底刃去除材料，实现低应力切削，减少轴向切削力，降低复合材料分层缺陷儿率：切削过程属于断续切削，有效降低切削第一章绪论温度，提高刀具使用寿命；螺旋铣工艺采用偏心运动方式，且其切屑为碎状( 下图) ，有利于切屑的排出，提高加工孔的表面质量。n a v o t o r 公司已成功研制出螺旋铣孔专用设备o r b i t a ld r i l l i n g ( 轨道钻孔) 并应用于空客a 3 8 0 和波音7 8 7的装配过程中，提高了装配过程制孔效率和质量。图1 - 5 钻削钛合金切屑图1 - 6 螺旋铣钛合金切屑e w h i n n e m 通过对螺旋铣孔技术的研究，阐述了该技术波音飞机上的应用前景，对螺旋铣孔技术的优势给予肯定【2 2 1 。r i y e r 等人采用硬质合金刀具运用螺旋铣孔工艺及其它制孔工艺，通过比较不同加工方法获得孔的质量，来体现螺旋铣孔技术的优势【2 引。r l i n d q v i s t 等人将螺旋铣孔设备与机器人技术相结合，提出螺旋铣孔技术在自动装配中的优势 2 引。w y n i 将螺旋铣孔技术应用在航空航天领域，分析了螺旋铣孔切削力的主要影响因素【25 | 。天津大学在2 0 0 8 年就与n o v a t o r 公司的战略合作伙伴、著名刀具供应商美同肯纳金属有限公司( k e n n a m e t a li n c ) 合作，对螺旋铣孔动力学进行了深入研究，在切削力建模、切削力矩、加工表面质量、加工参数优化等问题的研究，得到肯纳金属充分肯定【2 6 。2 9 1 。现阶段，对于螺旋铣孔设备，国内也只有部分高校、科研院所在进行研发，天津大学在该技术的研究己取得阶段性成果，样机正处于实验阶段。对于螺旋铣孔刀具，美国肯纳金属与瑞典n o v a t o r 公司合作，对螺旋铣孔专用刀具进行了研制，专门与n o v a t o r 公司的螺旋铣设备配套使用。在国内，还没有螺旋铣孔专用刀具推出。1 4 主要章节内容和结构螺旋铣孔专用刀具的优化对于提高c f r p 钛合金等难切削材料孑l 的加工有重要意义，对航空航天事业的发展提供有力技术支撑。本文对螺旋铣孔运动学研究的基础上，对刀具结构参数进行优化试验，并对试验过程中的问题进行分析，研究刀具的切削机理，为以后加工c f r p 钛合金的工艺优化奠定基础。第一章绪论本文主要章节内容如下：第一章介绍了我国对c f r p 钛合金先进材料的广泛应用及其加工难点，分析了航空制造中c f r p 钛合金叠层材料制孔的研究现状，介绍了螺旋铣孔工艺，并对螺旋铣孔工艺的优势与国内外的研究做了深入分析。指出了螺旋铣孔专用刀具优化研究的必要性。第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化，本文通过对螺旋铣孔工艺的运动学进行分析，确定刀具轴心点的运动速度、轴向进给和螺旋角，进而确定刀具运动轨迹。在切削理论的基础上，对不同角度参数的刀具进行有限元仿真，确定合适的刀具角度范围。再根据切削加工影响因素的分析完成了刀具参数的选择和刀具优化方案的设计。第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模，在c a d 系统参数化建模理论的基础上，基于u g 对所设计的系列刀具进行三维建模并建立刀具的三维零件样板，通过合理设计驱动参数，可以完成刀具的快速设计。刀具刃部与颈部的阶梯状设计能够减小切削刃和切屑对已加工表面的损伤，刀尖设计为双圆角过渡；提高了刀具底刃强度，有利于复合材料纤维的切断，底刃及容屑槽的不对称设计有利于提高刀体强度，增大容屑空间，有利于切屑的排出。第四章c f r p 钛合金螺旋铣孔刀具试验研究，根据螺旋铣孔专用刀具优化试验的设计方案，分别对钛合金、复合材料和c f r p 钛合金叠层材料进行刀具磨损试验，并对切削过程中的切削力、刀具磨损、加工孔质量等进行深入研究，完成了刀具参数的优化。试验中分析了c f r p 钛合金在切削过程中的加工难点，为以后加工工艺的优化提供参考第五章结论与展望，总结文章研究主要内容，对实验结果进行分析，指出研究的不足与进一步的研究方向。第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化2 1 螺旋铣孑l 工艺运动学分析传统钻孔工艺与螺旋铣孔工艺很重要的区别在于刀具的切削方式上，钻孔工艺中，加工孔的大小取决于所用钻头的直径，而在螺旋铣孔工艺中，加工孔的大小是由刀具直径和螺旋运动偏心量决定。在刀具的螺旋运动中，要想确定刀具的运动轨迹，就需要计算刀具轴心点的运动速度巧，每转轴向进给，及运动螺旋线的螺旋角口。加，您确碾、七、上- j 乙霪r 印夕七蓐 。一j b 一二1 ) r f毫= ；套、一_ 十一一一f ld h一。，一i；d 6 图2 1 螺旋铣孔运动示意图矿一一切削速度y ，一轨道转速d b 加工孑l 蛊径见轨道直径a 。每轨道轴向进给口轨道螺旋角其中，己知参数有j 具轴向每齿进给丘。切向每齿进给丘，被加工孔直径见，刀具运动螺旋线投影圆直径d 。，刀具转速玎，铣刀齿数z 。第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化图2 - 2 刀具轴向进给示意图由刀具切向进给示意图易得，刀具轴心运动，7轨迹，yv h a = 启a z 所即= f z t z ”啪r = 功甓睇d b( 2 1 )( 2 2 )( 2 3 )进而，由刀具轴向进给示意图即可得到刀具螺旋运动的轨道参数，如下式中，v f = 历丽( 2 4 )口：a r c t a n ( 塑1v f h t ia p = t a n ( c r 、万d 办v 炳。一刀具轴向进给速度一刀具水平方向切削速度，刀具轴心水平方向转速( 2 5 )( 2 6 )第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化2 2 钛合金螺旋铣孑l 过程有限元仿真随着计算机科学的快速发展，有限元技术也得到了人们的广泛应用。现在在很多领域都有商业化的有限元软件，包括静力学分析、动态分析、热力学分析、电磁场分析等等。金属切削过程实际上是刀具与工件相互挤压、剪切、断裂等相互作用的过程，刀具的整体结构、角度参数、基本材料等都会影响刀具的强度和韧性，进而影响刀具的寿命，因而合理选择刀具参数、基本材料是刀具的优化的重要内容。刀具有限元仿真的目的是对加工钛合金的螺旋铣孔专用刀具进行设计指导，为选择合适的刀具基体材料及刀具参数提供参考依据。a d v a n t e d g e t mf e m 是专业采用有限元技术对切削加工进行模拟的软件，它可以获得切削加工中的切削力、切削温度、切屑打卷、切屑形成等输出结果。通过t h i r dw a v ea d v a n t e d g ef e m仿真软件可以模拟多种加工工艺条件，能够替代新刀的试切，节约刀具设计和工件材料成本，缩短刀具研制周期。本文有限元模拟采用t h i r dw a v ea d v a n t e d g e 二维铣削模块，对螺旋铣孔过程中刀具的前角、后角、刀具材料进行有限元分析，为下文刀具优化方案的制定提供依据。表2 1 切削不变量参数66 0 00 0 322第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化分析结果如下：x 仲m 】序列lx ( m t n )序列2佃m )序列5图2 - 4 有限元仿真结果比较仿真结果分析：由仿真序列1 和序列2 比较得，相同刀具参数和切削参数下硬质合金刀具可以获得更小的切削温度，且硬质合金刀具的断屑效果更好，这样硬质合金刀具更容易获得好的表面质量和较长的刀具寿命，这与绪论中提到的硬质合金刀具加工钛合金更有优势相符合；由2 、3 和4 比较得，相同切削条件、后角相同( 1 5 。) 的刀具，前角为8 。时，切削温度最低，切削力较小，且断屑效果最好，前角越大越不利于断屑；由2 、5 和6 比较得，切削条件相同、前角相同f 8 。) 的刀具，后角为1 5 。时，切削温度最低，切削力较小，后角越小，刀具后刀面受工件材料摩擦越严重，影响刀具寿命，后角太大，刀具切削锋利，但刀具强度降低，耐用度下降。由仿真结果可得，刀具前角为8 。，后角为1 5 。，切削时断屑效果最好，切削温度最低，可以对刀具的优化提供参考。2 3 切削加工影响因素2 3 1 刀具切削质量和效率的影响因素刀具在切削加工过程中，影响其加工性能的因素有很多，比如刀具材料及结构参数、切削参数、冷却液、机床及其附件、工装夹具、被加上材料及结构参数第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化等等，因此，刀具的参数优化是一项系统复杂的工程。图2 5 为影响刀具切削质量和效率的主要影响因素。r 7 被加工材料的加工性能刀具切削性能!，一7 产i 牌号及机械性能【i 【些堂堡壁 金属切削性能一结构刚性【。一 i 加工余量_ 一f 匦叵堕 臣叵l 匪叵一r 。一j 刀具材料性能 ( 2 3 4 )i= 鸭t a n c 3 ，一m 3 )j7 螺旋角( 刃倾角)适当增大螺旋角，可以使切削轻快，同时易于排屑，可以提高加工表面精但螺旋角过大，垂直于刀具的分力就变大，降低加工刚性，切屑也不易排出。加工表面的垂直度误差在立铣刀螺旋角小于3 0 。时随着螺旋角的增大而增大，在螺旋角大于4 0 。时，随着螺旋角的增大而减小。在实际应用中，通常螺旋角选取在3 0 。4 5 。 3 8 - 3 9 1 。8 后刀面刃宽及刀尖圆角后刀面刃带是为了消振和压光而在刀具后刀面磨出的一条刃带，其宽度受刀具直径影响，刀具直径越大，后刀面刃带越宽。对立铣刀而言，其总宽一般不应大于1 2 m m ，本文专用刀具中，第一后刀面刃宽0 5 m m ，第二后刀面刃宽0 5 m m 。根据相关文献铣刀圆弧半径一般取2 m m 5 r a m 时，切削性能最好。本文中取r = 3 0 m m 。2 4 2 刀具基体与涂层材料的选择1 刀具基体材料选择)7890，23乏乏乏oooo2222222(第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化本螺旋铣孔专用刀具材料为肯纳金属材料有限公司提供钨钢系列的超精细粒度等级的k 2 0 0 0 材质，其具体参数及其它材质对比如下【4 1 1 ：表2 - 3 肯纳金属系列刀具材料材质粒度等级硬度墓薹墓墨密度c 。w ci s 0 5 1 3 材质介绍l a mh v 3 0n m m 2n m m 2g c m 3 墨k 2 0 0 0u l t r a f i n e1 9 8 04 5 0 01 4 589 2k 1 0k m ss u b m i c r o n1 5 5 03 6 0 03 9 0 01 4 41 08 9 5k 3 0k f1s u b m i c r o n1 7 4 03 0 0 06 0 0 01 4 969 4k i ot h m fs u b m i c r o n1 7 8 03 0 0 06 0 0 01 4 86 59 1 8k 1 02 刀具涂层材料选择全能牌号，适用于要求高性能加工的领域，如钛合金。适用于钢不锈钢、有色金属、非金属材料的粗加工精加工，为制造钻头首选。适合于硬度 h r c 5 5 的硬材料加工，非金属材料，为制造铰刀首选。适合于硬度 h r c 5 5 的硬材料加工，非金属材料( 尼龙、塑料、玻璃钢等)表2 - 4 欧瑞康巴尔查斯公司的涂层数据涂层材料显微硬度( h v 0 0 5 )与钢的干摩擦系数最高工作温度t i a i n3 3 0 00 2 59 0 0c r n1 7 5 00 57 0 0c ( d l c ) 2 0 0 00 1 0 23 5 02 0第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化针对本次刀具优化，采用的涂层形式为：无涂层、t i a i n 涂层、c r n 涂层、d l c ( 类金刚石涂层) 四种涂层类型。表2 4 为欧瑞康巴尔查斯公司【4 2 的涂层性能数据：由以上数据可以看出，t i a i n 涂层显微硬度最大，与钢的摩擦系数较小，最高工作温度最高；c r n 涂层显微硬度最小，与钢的摩擦系数最大，最高工作温度较高；d l c 涂层显微硬度较高，与钢的摩擦系数最小，但是最高工作温度最低。这些因素都会直接或间接的影响刀具的使用寿命。本次实验的目的之一就是刀具在切削c f r w 钛合金叠层材料时，优化刀具相匹配涂层。2 4 3 螺旋铣子l 过程刀具参数优化方案设计1 切削要素本文中螺旋铣孔专用刀具是针对钛合金和复合材料叠层结构制孔而设计，具体切削路径在前文已有介绍。根据刀具所匹配设备的要求，以及复合材料加工过程中不能采用冷却液的限制，优化试验主要采取干切削方式。辅助采用冷却液与之对比，研究冷却液对降低切削温度、提高表面质量等影响。2 切削参数1 1 刀具转速r l2 1 轨道转速y 矽2 坳口2 + v j h t 2( 2 3 5 )3 ) 轨道进给螺旋角口口= a r c t a n 塑1v f h t i( 2 3 6 )v f h 。刀具轴向进给速度一刀具水平方向切削速度v h ，刀具轴心水平方向转速4 ) 切削速度圪k = 万d n 1 0 0 0( 2 3 7 )d 刀具直径5 1 刀具加工时间z3 刀具优化方案第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化根据钛合金和复合材料的不同的加工特点，结合课题组多年对钛合金和复合材料的切削加工经验得知，相同刀具在同一参数下分别对钛合金和复合材料制孔，在相同的刀具寿命标准下，加工复合材料的孑l 数要远多于加工钛合金的孔数，也就是说，在加工c f r p 钛合金叠层材料时，加工钛合金对刀具寿命的影响要远大于加工复合材料对刀具寿命的影响；钛合金和复合材料都是航空航天领域中使用的重要结构材料，价格要远远昂贵于其它钢材：刀具优化参数为多因素，若考虑到每种组合，试验规模将相当庞大；综合以上因素，在保证试验可靠性的基础上降低试验成本的原则下，刀具优化方案设计如下：首先通过加工钛合金的正交试验优先刀具参数的最优组合方案，得出影响刀具寿命的因素中的主次顺序，对以后设计钛合金用刀具提供指导；在加工钛合金不同参数组合的刀具中选取性能相对较好的刀具进行复合材料螺旋铣孔试验，对c f r p 钛合金材料制孔用刀具进行优选，之后对优先出的刀具加以验证。本刀具优化方案不仅能从总体上对c f r p 钛合金螺旋铣孔用刀具进行优化，而且在刀具磨损试验中，可以对钛合金和复合材料的切削加工特点及刀具参数的变化所带来的影响进行分析，为以后c f r p 钛合金螺旋铣孔刀具的进一步优化提供参考。4 钛合金螺旋铣孔参数优化正交试验设计刀具设计优化试验中，若采用全面的试验方法进行研究的话，势必会增大试验成本，通过设计止交试验，选取一系列有代表性的水平组合进行试验，可以大大减小工作量，并且能得到准确的试验结果。本文设计的正交试验中，影响切削质量和效率的主要刀具结构参数有螺旋角、前角、后角、齿数等，如图2 8 。图2 8 刀具主要结构参数基于以上确定的参数之外，本优化试验将刀具前角、螺旋角、刀具涂层3 因素作为待优化因素。根据前文依据，构建4 水平正交优化试验如下：刀具前角：5 。，8 。，1 2 。，l5 。刀具螺旋角：3 0 。，3 5 。，4 0 。，4 5 。第二章螺旋铣孔专用刀具参数选择与优化2 5 本章小结本章主要对螺旋铣孔工艺的运动学进行分析，确定刀具轴心的运动速度，轴向进给和运动螺旋角，进而确定刀具运动轨迹。通过有限元仿真对刀具材料及刀具前角和后角进行分析比较，优化刀具参数，再结合切削过程中各因素对切削性能的影响，确定了刀具的不变参数和待优化参数。最后基于正交试验理论对刀具的前角，后角和涂层完成刀具优化方案的设计。第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模第三章螺旋铣子l 专用刀具参数化建模金属的切削加工所包含的三种实体及其属性描述如下图所示：图3 1 切削加工关系图从以上切削加工关系图可以看出，切削过程所涉及到的三种实体包括刀具、机床、加工材料，它们紧紧围绕切削这一动作而紧密联系。其中，刀具、机床、加工材料又分别有自己的属性描述，如刀具角度、刀具基体材质及刀具涂层等描述了刀具的属性；机床的额定功率、最高转速及机床精度等描述了机床的属性；材料的塑性、硬度及导热性等描述了工件材料的属性。在实际加工生产中，对于不同的的金属加工，所选用刀具的种类往往是不同的，甚至于某些特l 中d n t - 还需要订制刀具。然而，随着数控技术的日益发展，数控刀具的应用越来越广泛，在刀具设计中涉及到大量曲线曲面及特征参数的计算也越来越复杂，而且刀具设计的结果绝大多数都要通过二维图纸方式来表达，要在二维工程图中精确的描绘出复杂曲面往往是很困难的。因此，刀具设计人员用传统的设计方法通常很难高效、精确地设计出所需刀具。为此，在刀具的开发设计过程中，通用化、系列化是提高刀具设计质量，有效缩短刀具设计周期的有效途径。3 1 基于u g 的刀具参数化建模u n i g r a p h i c sn x 是美国e d s 公刊出品的c a d c a e c a m 一体化三维设计软件，它给用户在产品设计及加工制造中提供了虚拟数字化造型和工艺设计验证手第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模段。它具有高一l q 土4 - 6 日匕g - , 机械设计和制图功能，提高了产品研发的灵活性与高效性。其参数化设计功能被广泛应用于机械、航空、造船等产品设计和制造领域。u g 软件中的电子表格是混合建模方法中的高级表达式编辑器，利用软件本身所提供的表驱动技术可以方便地创建标准零件、通用零件以及产品系列化设计的三维模型库。3 1 1 模型参数化设计思想参数化设计，即尺寸驱动，它可以实现c a d 系统的交互式绘图设计功能，也能完成其自动绘图设计功能。对一项产品的设计过程其实就是不断修改的过程。参数化设计的目的就是根据所需产品的设计意图能够进行灵活的修改，因此，易于修改性是参数化设计尤为重要的。3 1 2 模型参数化建模思路1 系统参数与尺寸约束在u g 参数化建模中，系统参数与尺寸约束相辅相成，用系统参数来驱动尺寸的关键在于如何从所设计韵实物中提取可变尺寸，并且能够通过改变此尺寸来精确控制所需图形的改变。这就需要将图形尺寸约束与可变参数联系起来，通过尺寸约束来控制图形的相对不变部分，通过系统参数来控制图形的可变部分，以达到产品系列化、通用化的目的。因此，设计过程必须要以图形完整的尺寸为出发点，即图形需要全约束，不能漏尺寸及多尺寸。当图形完全约束后，系统便将其所注尺寸与模型的变化转变为系统参数，达到参数驱动建模的目的。2 特征参数与表达式驱动在u g 建模模块中提供了各种标准设计特征，各标准特征通过特征参数及定位尺寸来确定，特征参数与表达式驱动的相互关系可以实现参数化设计目的，提高设计效率。通过链接还可以实现不同部件的表达式协同工作，即某一部件的表达式可以与其它部件的表达式建立某种联系，当被引用的表达式发生变化时，其它被链接的表达式也会随之更新。3 电子表格驱动图形在建立三维模型后，可以创建一个与该模型所有尺寸相关联的外部电子表格，因为电子表格中的参数已经被三维模型的尺寸所引用，所以通过修改电子表格中的数据就可以修改模型尺寸，这样可以避免因大量参数的修改所带来的繁重工作量，可以方便的实现用一个模型表达出多个同类产品的目的。第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模3 2 螺旋铣专用刀具建模过程首先绘制刀具毛坯轴向旋转截面，通过回转命令创建刀具毛坯，刀具毛坯中已表达出刀尖过渡圆角及内冷孔等刀具参数；然后利用规律曲线功能生成螺旋铣刀具的截面线和侧刃引导线及扫掠脊线，由扫掠功能将闭合截面线沿引导线，同时在脊线的控制下扫描生成扫掠体；再利用布尔运算与已生成的毛坯体求交，从而得到刀具前后角、螺旋槽等特征；最后通过u g n x 的p a r tf a m i l i e s ( 部件族)命令生成刀具的三维零件样板。具体步骤如下：3 2 1 刀具参数化建模1 创建刀具毛坯刀具毛坯设计图如下：| 圉图3 - 2 专用刀具毛坯刃部放大图图3 3 螺旋铣孔专用刀具毛坯二维设计图根据图纸设计在u g 草图中绘制刀具毛坯如下：第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模图3 - 4 螺旋铣孔专用刀具毛坯图； 三薹i ；、胛= ，pp = 2 x r t a n jp 螺距医圈园= ( 3 1 )( 3 - 2 )ng 杯佩固匠圈冒圈曩墨瓣缃一一岛两够口差丑g 标一xr 姜曩雕曩曩矗曩睫墨目量墨曩锄t o电角苗毋i fr 自匾固固图3 5 螺距表图3 - 6 圈数表达式x，聃畦第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模图3 7 螺旋线的创建及参数化3 在u g 中创建刀具截面线螺旋引导线生成后就可以创建刀具端面的截面线，也就是母线，一般情况下，刀具的端截面线都是由直线段和圆弧组成。在u g 建模模块中，进入草图环境，依据设计图纸要求，利用u g 草图曲线命令进行绘制，并进行尺寸约束。其中，按设计要求，前角为可变量，需要在表达式中提前定义前角。如下图：。墨4 囵田5 # 。=e= i斯e ，羔矗墨囝瞌瞄臣，h 一4；趟g # ：曩固：埘二。龟力盛一“孕图3 8 刀具截面线创建扫掠实体( 隐藏刀具毛坯)蕊i 戳蔷麟e 羲面二i 曲j飞巨向王口蠡枷陋鼍+，目目i 自_ 目- i i l _ _ l _ _ _ x_ “ 。；e ：目导螋一一k导矗t 暑$ 3 曩】j，。逢箨( h，置晦i，7 。72 图3 。9 扫掠实体2 811il、x| 盖酣一第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模利用u g 布尔运算将扫掠体与刀具毛坯求交后即得刀具刀刃三维模型。4 参数化基础上的三维零件库创建三维零件库的基本原理由于所设计的一系列刀具为相似性零件，可称其为复合零件。它能够完整表达零件库及零件系列中所有的零件特征。复合零件在u g n x 中用交互方式创建的三维零件模型，称为三维零件样板。样板可以继承所需零件的全部特征，在零件设计时，我们只需确定一组设计参数就可以通过三维零件样板来控制模型的形状和拓扑关系。生成刀具的三维零件样板利用u g n x 的部件族命令，可以方便的定义设计刀具的系列化零件库。进入工具一部件族，选取表达式中的l u o x u a n j i a o ( 螺旋角) 和q i a n j i a o ( 前角) 作为提取参数，设置好保存目录后点击创建，进入e x c e l 工作表，根据所设计刀具的规格录入刀具的控制参数，如下图所示：根据上一章节中对螺旋铣孑l 刀具优化方案，在工作表中输入所设计刀具前角和螺旋角参数，如图3 1 0 ，图3 1 0 螺旋铣孔专用刀具系列参数选择需要创建刀具的参数，这里全部选择。创建部件中，如下图：2 9如娟嘶蟠蛎跖!。挖坫oo垢地垤坫0o垤挖oo沪沪旷卜沪卜铲卜旷卜旷，t4毛飞4r4r33 r 4 r 43 r 3r t ，4第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模文件 辑但)目肿咧丽蠡群褥蒿i 一一一。= 26 鼻：憎盛的成员3 0 - 5一旧腱的成员3 5 81，憎腱的成员4 0 1 2l 剖建的成员q 5 1 5舯t 的成员3 d b+ 惶的成员3 5 5睦定的刊憎腱的成员4 0 1 5旧腱的成员4 5 1 ：噌腱的成员3 0 一1 2l 亩腱的成员3 5 一l5。创建的成员4 0 5呛腱的成员4 5 - 8苎望! l一一一：莲慧i 鬟ie ：、1 n l c s h u h 、自窿的成员4 0 一e函酝一一一一一 官腱的成员4 s 一5部件族宅子最萜一1 复蔓取搞图3 1 l 刀具系列创建过程三维零件样板创建成功后，将扫掠体与刀具毛坯进行布尔求交，再补充刀柄分和容屑槽，即可完成刀具的三维设计。3 2 2 二维工程图模板创建图3 1 2 刀具三维图二维工程图的模板制作由两步完成，首先需要按照企业图纸要求订制合适的工程图纸格式，之后再导入刀具的三维主模型，并将主模型的投影视图按企业的标准绘制在工程图中，以被主程序调用。1 添加图框第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模添加图框总体上来说有两种方法，第一种是直接输入法将图框添加到图纸中，另一种方法是用u g n x 的模板的方法【4 3 。其中，添加图框的最有效的方法是创建模板的方法，模板虽然只有一个图形对象，但它能引用主模型的多个对象。2 实现参数化模板螺旋铣孔专用刀具的参数化模板包含了所设计刀具的所有参数信息，通过u g n x 制图模块的添加注释和备注等命令，对设计刀具进行标注，由外部函数控制刀具变量的修改，以达到刀具系列化设计1 的目的。对u g 安装目录中的文件u g i ie n v d a t 进行修改l 4 4 j ，可以实现刀具尺寸标注的双向关联。由于刀具属于特殊的机械零件，其图纸通常不能按一般结构件那样由主模型的各个投影视图获得，因为，首先刀具侧刃部分为螺旋面，直接投影在标注中必然会存在误差；其次，在主模型中有容屑槽和排屑槽及各种圆角等参数特征，如果采用主模型多次进行投影，必然会使程序读取复杂，而且极易出错。本文中，由于在螺旋铣孔刀具建模过程中采用的复合建模方式，所以二维模板的制作中也采用复合式尺寸标注方式。复合式尺寸标注即将零件的主体模型与其特征结构分别标注。对于刀具总体主模型，采用正常投影方式就可以真实表达出刀具的结构特征，但对于刀具的其它细节特征，如前角、后角、容屑槽等，需要独立于主模型单独标注，但是，变量值要继承主模型的参数，从而保证当主模型变化时，图纸参数能够相应变化，以达到二维刀具工程图纸参数化的目的。图3 13 刀具参数化二维工程图第三章螺旋铣孔专用刀具参数化建模3 3 本章小