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哈尔滨埋工大学工学硕士学位论文 三维复杂槽型铣刀片应力场分析及评价 摘要 三维复杂槽型可转位铣刀片具有优于平前刀片铣刀片的切削性能，具有 逐渐代替平前刀面铣刀片的趋势。但目前三维复杂槽型铣刀片的种类较少， 并且其槽型也多由经验定型，缺乏理论依据。为了得到切削性能更优良的槽 型，从而获得较好的应力场，本文对三维复杂槽型铣刀片铣削力的分布规律 和复杂槽型的评判进行了深入系统的理论和试验研究。 首先，基于铣酎力试验，采用铣削力测量系统，利用动态数据采集系 统，对不同切削参数下的五种铣刀片的铣削力进行了动态采集，并对不同槽 型铣刀片铣削力进行了分析。 其次，基于试验获得的数据得出铣削力和刀屑接触面积的实验式，利 用m a t l a b ，结合铣削力数学模型建立了平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片 的表面受力密度函数，为应力场的有限元分析建立了边界条件。 第三，利用有限元分析软件a n s y s ，对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀 片先进行实体建模和网格划分，再利用已求得的密度函数作为边界条件，对 铣刀片进行应力场分析。 最后，基于模糊数学理论，综合考虑了各影响因素，建立了铣刀片应力 场模糊综合评判模型，采用二级模糊综合评判，评判过程不仅考虑了所有因 素的影响，而且保留了各级评判的全部信息，使评判结果更加符合实际，并 对平刀片和波形刃两种铣刀片的应力场进行了综合评判。 以上研究为三维槽型铣刀片槽型优化c a d 系统的建立奠定了基础。为 铣刀片槽型的开发研究提供了一定的依据。 关键词三维复杂槽型：铣刀片；密度函数；应力场：模糊综合评判 墼兰堡型三垒兰三兰竺! ；耋堡篁兰 s t r e s s f i e l da n a l y s i sa n de v a l u a t i o n f o rm i l l i n gi n s e r tw i t hc o m p l e x g r o o v e a b s t r a c t l n d e x a b l e m i l l i n gi n s e r t w i m3 i ) c o m p l e x g r o o v eh a sb e t t e rc u t t i n g p e r f o r m a n c et h a ni n s e r tw i t hp l a n ef a c ea n dh a st h et e n d e n c yt or e p l a c ei n s e r t w i t hp l a n ef a c e h o w e v e r , t h ek i n d so fm i l l i n gi n s e r tw i t h3 dc o m p l e xg r o o v e a r ef e w ，t h eg r o o v ei sm o d e l e db ye x p e r i e n c ea n dt h e r ei sal a c ko ft h e o r yb a s i s t og e tb e t t e rg r o o v ew i t hc u t t i n g p e r f o r m a n c ea n db e t t e rs t r e s sf i e l d ，t h e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fm i l l i n gs t r e s sf i e l d ，t h ed i s t r i b u t i n g p r i n c i p l e so ft h em i l l i n gf o r c ew i t hg r o o v e di n s e r ta n de v a l u a t i o na r es t u d i e d c o m p r e h e n s ir e l ya n dp r o f o u n d l y f i r s t l y , t h em i l l i n gf o r c em i l l i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d ew i t hm i l l i n g f o r c e m e a s u r i n gs y s t e m u s i n gd y n a m i cd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，t h ef o r c ed a t ao f t h es a m ec u t t i n g p a r a m e t e r sw i t h d i f f e r e mm i l l i n gi n s e r t i sc o l l e c t e da n d a n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ee x p e r i m e n tf o r m u l ao fm i l l i n g f o r c ea n dc u t t e r c h i pi sb u i l t u s i n gm a t l a ba c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a b a s e do nt h ef o r m u l aa n dt h e m a t hm o d e l t h ed e n s i t yf u n c t i o ni sb u i l t ，a tt h es a m et i m et h ef u n c t i o n i s v i s u a l i z e d ，w h i c hp r o v i d e st h eb o u n d a r yc o n d i t i o nf o rf i n i t ea n a l y s i sofs t r e s s f i e l d t h i r d l y ，t h es o l i dm o d e la n dm e s h i n gm o d e lo ff l a tr a k em i l l i n gi n s e r ta n d w a v e de d g em i l l i n gi n s e r ti sf o r m a t t e d ，t h e nu s i n gt h ed e n s i t yf u n c t i o na st h e b o u n d a r yc o n d i t i o n ，g e tt h er e s u l to ft h ef i n i t es t r e s sa n a l y s i s f i n a l l y ，c o n s i d e r i n g e a c h i n f l u e n c i n gf a c t o r ，t h e m o d e lo f f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n f o rs t r e s sf i e l di se s t a b l i s h e db a s e do n f u z z y m a t h e m a t i c st h e o r yt h et w o b a n df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni sa p p l i e d n o to n l ya r ea l io ft h ei n t l u e n c i n gf a c t o r sc o n s i d e r e db u ta l s oa l lt h ei n f o r m a t i o n 堕堡堡矍三查兰三兰窒当耋堡篁兰 o fe v e r ye v a l u a t i o ns t a g ei sr e s e r v e d ，w h i c hm a k e st h ee v a l u a t i o nr e s u l ta c c o r dt o t h ep r a c t i c e t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fw a v ei n s e r ta n dm i l l i n gi n s e r tw i t h p l a n ef a c ei sp r o c e s s e d 毂1 lt h e s es t u d i e sp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h eb u i l d i n gg r o o v eo p t i m i z a t i o n o f3 dg r o o v e m i l l i n g i n s e r ta n dp r o v i d et h et h e o r y g i s t f o rt h e g r o o v e d e v e l o p m e n to fm i l l i n g i n s e r t k e y w o r d s 3 dc o m p l e xg r o o v e ；m i l l i n gi n s e r t ；d e n s i t yf u n c t i o n ；s t r e s s f i e l d ； f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ： 堕堡篓墨：查兰三差竺圭兰堡鎏兰 第1 章绪论 1 1 本论文的选题目的和意义 铣削刀具是机械制造行业应用很广的种刀具，在金属切削加工设备中， 铣床约占1 8 以上，没有一种刀具具有铣刀那么多的类型、形状和功用。铣刀 所能完成的工作比任何一种刀具都要多得多l l | 口1 。而且在机械加工切削过程中， 刀具起着决定性的作用，刀具设计的水平直接反映出机械加工的水平。随着生 产的发展，无论在加工的复杂性、精密度方面，还是在生产率和工件质量方 面，人们对刀具也提出了越来越高的要求。三维复杂槽型铣刀片具有优于平前 刀面铣刀片的切削性能，具有逐渐代替平前刀面铣刀片的趋势。目前国外一些 名牌刀具生产厂家已生产出一些三维复杂槽型的铣刀片，但我国目前还没有生 产厂家对铣刀片的三维槽型进行自主研究和生产，每年需进口大量带有槽型的 铣刀片以满足生产的需要。为了改变这种状况，哈尔滨理工大学的现代制造技 术与刀具开发研究所结合铣削特点，针对平前刀面的切削性能较差，刀片磨 损，破损严重且摊屑方向不一致的问题，已开发研制了两种新型铣刀片一一大 前角铣刀片和波形刃铣刀片，二者都可使切削刃逐渐切入，切出工件，切削过 程平稳，振动小，并改善切屑流向，同时使金属切削变形减小，降低了铣削力 和铣削热，并在生产中取得了良好效果。但目前国内外研制的铣刀片槽型多是 以经验加实验的方法定型的，对于三维复杂槽型铣刀片的研究缺乏理论基础。 在铣削过程中，铣削力直接决定蓿铣削热的产生，而铣削力的分布规律直 接影响到刀片内部应力的分布，进而影响到刀片的铣削性能。多年来，国内外 学者对铣削力进行了大量的研究，取得了许多重要成果。但是对于铣削力的研 究，大多是针对几十年来一贯应用的平前刀面铣刀片进行的，对于近年来应用 的具有槽型的铣刀片的研究很少有报导，所以有必要对三维槽型铣刀片的铣削 力进行更深一步的探讨和研究。并且目前国内对铣刀片槽型的优劣，没有统一 的判断依据。 本文为加快产品的设计速度，提高设计精度和可靠性，我们试图借助于计 算机技术咀及先进的算法完成三维复杂槽型铣刀片的建模与三维复杂槽型铣刀 片应力场有限元分析，同时建立套评判应力场优劣的准则。对于铣削，由于 切削枫理相对复杂，研究得还不成熟。而铣刀片采用三维槽型越来越成为国际 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 发展的主要趋势。日本学者臼井英治等都对刀具的三维应力场，温度场进行研 究，但都只是针对平前刀面刀具，所以对于优化新型三维复杂槽型缺乏理论基 础。而本课题的完成将在铣削机理的研究上迈出了新的一步。 1 2 国内外刀具技术的现状和发展趋势 1 2 1 国内外刀具技术的现状 二十世纪六、七十年代，发达国家先后完成了后工业化发展阶段。八十年 代前后，进入了所谓知识经济或新经济时代。信息技术和其他高新技术的推广 使用，极大地促进了社会生产力的发展。传统的制造业也由于数控技术的普及 推广而跃上一个新的发展台阶。在这场生产力大发展的浪潮中，刀具产品和技 术作为制造过程的一个重要环节，也面临巨大的挑战，传统的千篇一律的标准 化刀具，已经无法满足现代制造业对提高效率和降低成本的强烈追求。这种市 场需求变化，形成了强大的压力，迫使工具工业不得不放弃传统的标准化生产 模式，转向迎合现代制造业要求的“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的 发展道路，即所谓“三高一专”的新模式( 4 j 。 工具行业作为个发展比较成熟的传统产业，很早就实行了对外全面开 放。最近十年间，几乎所有国际知名的工具厂商都大举进入中国。九十年代初 跨国工具厂商的产品和服务开始大规模进入中国市场，国内工具企业被迫开始 面对真正意义上的市场竞争。所以从九十年代初到现在这十年间，是我国工具 行业广大企业全面经受市场经济锻炼和考验的十年。一大批企业从利税大户跌 入到年年亏损的低谷，全行业多数企业陷入了前所未有的困境。直到最近两 年，在国家宏观财政和货币政策的强力拉动下，多数企业才出现了初步的转机 和回升。这个事实说明，工具行业的广大企业在经受市场经济第一轮考试中， 多数没有顺利过关，并为此付出了沉重的代价，国内的刀具企业仍面临挑战。 2 1 世纪，中国将成为世界制造业的中心，经济的全球化，带给中国机械行 业将是更多的机遇和更大的挑战。先进制造技术的发展、机械工业结构的调 整、高效率数控机床的使用，都要求现代刀具具有高效率、高精度、高可靠性 和专用化所谓“三高一化”的特点发展，但国内刀具企业目前的现状与这一要 求还存在一定差距。随着改革开放和中国加入w t o ，国外刀具企业大量进入国 内市场，这给国内刀具企业带来竞争的同时，也带来了全新的技术和理念，促 进了先进刀具技术的发展l ”。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 制造工业中，决定产品性能和技术水平的大多数关键零、部件是由刀具切 削加工最终完成。切削刀具性能己成为零、部件生产自动线提高加工工艺技术 水平、生产效率、制造槽度和降低成本的重要保证。传统制造业，也由于信息 技术的普及推广而跃上一个新的发展台阶。从八十年代起，我国一些大型硬质 合金企业( 如株洲和自贡两大硬质合金厂) 通过大规模的技术、设备、工艺的 引进，使刀具的生产技术和工艺装备水平得以显著提高，但总体来说还是比较 落后，大多数企业的技术水平和设备装备还处于发达国家五、六十年代的水 平。技术开发和研究能力弱，新产品开发进展缓慢，科研成果转化为现实生产 的过程也太长。我国绝大多数硬质合金企业对信息化发展认识不足，不能利用 现代化信息手段来及时获取新技术和新的管理方法，跟不上时代发展的需要。 1 2 2 国内外金属刀具技术的发展趋势 金属切削刀具技术的发展主要表现为四个方面：高硬度、高速度、高精度 和干式加工。这意味着被加工材料硬度更高，生产节拍更快，加工精度也更 高，同时环境和成本因素将导致干式加工的推广 6 1 。 1 2 2 1 高速切削将成为切削加工的新工艺 当前，以高速切削为代表的干切削、硬切削等新型切削工艺已经显示出很 多的优点和强大的生命力，这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、 缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此，发展高速切削等新型切削工艺， 促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只 是切削速度的提高，而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上，达到切削 速度和进给速度的成倍提高，并带动传统切削工艺的变革和刨新，使制造业整 体切削加工效率有显著的提高。 硬切削是高速切削技术的一个应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零 件，它与传统的蘑削加工褶比，具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优 点，已在一些应用领域产生较好的效果。在模具行业用c b n 刀具高速精铣淬硬 钢模具，采取小的走刀步距，中间不接刀，完成型丽的精3 n 5 2 ，大大减少了抛 光的工作量，显著缩短了模具开发周期，已成为模具制造业的一项新工艺。在 机床行业用c b n 旋风铣精加工滚珠丝( 6 4 h r c ) 代替螺纹磨削，用硬质合金滚 刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。 高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污 染，对操作者健康的伤害，成为当前治理的重点，但是对切削液所造成危害的 哈尔滨理工大学工学 爱士学位论文 治理增加了制造的成本，导致干切削新技术的开发，并出现了微量润滑切削、 冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的 切削液去掉，降低切削效率，而是进行传统切削工艺的重大变革，为新世纪提 供一种清洁、安全、高效的新工艺，这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结 构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗，开发刀具重磨、回收等 新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。 1 2 2 2 实现难加工材料加工技术妁重大突破 长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬铜、复合材料、耐 磨铸铁等一直是切削加工中的难题，不仅切削效率低，而且刀具寿命短。随着 制造业的发展，2 1 世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的矛盾将更加突出。 与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种 新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车 工业，其发动机、传动器零件中硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合 金和新的高强度铸铁以减轻汽车重量，节省能耗。又如在航空航天工业，钛合 金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都 将进一步增加，能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、能 源等重要工业部门的发展速度和制造业整体水平，也是对切削技术的最大挑 战。因此，我们必须从2 1 世纪初开始探索从根本上解决难加工材料大量使用及 其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新 “刀刃”和加工方法。 1 2 2 3 满足科造业对切削加工新技术翻新材料加工的需求 进入2 1 世纪以后，产品多样化和个性化的趋势将进一步加剧，制造业的产 品更新速度也势必大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、 材料的重大变更，也是对切削加工提出新的开发任务。不仅如此，当前利用切 削加工的柔性及现代切削加工和刀具技术的成果，革新零件加工方法，也显示 出投入少、产出大、见效快的特点。正如在2 0 世纪9 0 年代新建的轿车发电 机、传动器生产线上所集中展示的那样：缸体孔系整体硬质合金钻削工艺、曲 轴的“车一车拉”工艺、缸盖的金刚石高速铣削工艺、同步器齿轮的筒式拉削 工艺等新的加工工艺，不仅使新建生产线的生产节拍加快，产品质量提高，投 资大量减少，充分显示出切削加工的巨大潜力，而且给企业在2 1 世纪投资新项 目、革新现有加工方法、发挥切削加工特长、增加企业竞争实力方压作出了示 范。这种背景下，制造业对切削加工新技术、新产品的需求在2 】世纪初将达到 空前的高度，这既是对切削技术的挑战，也是对我国制造行业传统观念挑战【8 j 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 金属切削加工过程中出现的种种特性，要求金属切削刀具种类、性能的不 断提高以适应新的要求，而我们所要研究的包括哈尔滨理工大学现代制造技术 与刀具开发研究所所开发的波形刃和大前角铣刀片在内的三维复杂槽型铣刀 片，正是符合以上要求并适应刀具发展趋势的新型面铣刀片，在实际生产过程 中，他们已部分取代了原有的平前刀面铣刀片，具有槽型的铣刀片表现出了优 越的切削加工性能。 1 3 国内外铣刀片技术及铣削机理的发展概况 1 3 1 铣刀片的发展现状 铣刀切削性能的好坏，很大程度上取决于刀片的材质与槽型，目前应用在 数控设备和生产线等设备上的铣刀多数使用进口的具有槽型的铣刀片，以保证 生产效率、刀具寿命，而国产铣刀绝大多数配备自行磨制的平前刀面铣刀片， 其几何参数不尽合理，刀具寿命短，直接影响了生产效率。 目前，我国的可转位铣刀片与工业发达国家相比仍存在较大的差距，主要 表现在：( i ) 应用比例低，约占刀具总堂的l o 左右；( 2 ) 国产刀片品种少， 缺少指导性选用原则；( 3 ) 制造质量差，使用寿命为同类国外刀片的4 0 一6 0 ： ( 4 ) 自开发能力差，国内尚无一套完整的设计系统。这样就使得刀片及槽型的 开发周期长，且经济性差。在刀片研制与设计方面，刀片槽型一部分是自己开 发设计新槽型，另一部分是消化、仿制、引进刀片新槽型，使之国产化 ”。 1 3 1 1 铣刀膀轴向前角有增大的趋势 近几年来，在很多应用场合，正前角硬质合金刀具取代了负前角刀具，这 种发展趋势今后会进一步扩大。在1 0 年以前，用顶刃前角为2 0 。或甚至更大的 刀具简直是不可想象的，而如今已在铣削中普遍应用。如日本d i j e t 公司开发的 通用面铣刀d s g 4 5 ，主偏角k ，= 4 5 。，轴向前角为3 0 。径向前角为+ 2 。，这种 铣刀既适用于铣削普通结构钢及铸铁，又可用于铣削不锈钢及铝合盒。瑞典 s e c o 公司丌发的通用面铣刀，轴向前角为2 0 。，径向前角为一4 。i s c a r 公司 推广应用正前角铣刀已有一段时间，最近两年又开发了很多新的正前角刀具， 其中包括用于铣削铝合金的具有特大前角的a p c r 型螺旋形铣刀片) 和另一种大 前角刀片s e k t 方形铣自4 刀片。 1 - 3 1 2 曲线刃和带三维复杂槽型铣刀片的应用 目前，全面考虑刀片的几何参数，切削刃的完整性，刀片牌号及涂层等凶 哈尔滨埋工大学工学硕0 学位论文 素是十分重要的。而且硬质合金生产工艺的进步改善了硬质合金组织的整体质 量和切削刃的韧性，硬质台金制粉和压型技术的进步可在刀片上形成精密细微 的几何形状，这就使得开发新的铣刀片刃形和三维复杂槽型成为可能。如 c a r b o l o y 公司开发的s e k r - 7 6 型铣刀片形状很特别，其顶刃前角为3 4 。，有 筋条形的断屑槽，它已问世6 年，这种刀片用于制造k = 4 5 。和9 0 。的面铣 刀，机床功率消耗可减少2 0 ，工作温度降低2 0 4 。i s c a r 公司的h e l i s t a r a d m t 锯齿形刃刀片用于铣削高温合金， 奥氏体不锈钢和其他合金钢，它的 前角大，切削时无振动。但由于齿尖处切削集中，出现裂纹i ”j 。 我国也有三维复杂槽型铣刀片，本课题试验所采用的波形刃铣刀片和大前 角铣刀片为哈尔滨理工大学现代制造技术与刀具开发所研究，并应用于生产实 践，取得了较好的效果。 1 3 2 最瓤的铣刀片简介 上世纪9 0 年代末推出的最引人注目的大前角铣刀设计是用于端铣刀的 c a r b o l o y 公司的带+ 3 4 。前角的7 6 号刀片。大前角刀片与传统铣刀片相比，可 降低2 0 的切削力。这种铣刀对于不锈钢和硬度达b h3 0 0 的材料，以及普通铸 铁和钛加工都是非常有效的。7 6 号刀片适用于4 5 。和方形肩刀具。 c a r b o l o y 公司的第二系列带正前角的新铣刀是用于键槽粗铣和仿形铣的螺 旋刃铣刀。这些铣刀补充了现有的直径为2 0 r a m 至5 0 m m 的铣刀。新铣刀刀片 有约为+ 1 5 。的前角，刀具上的有效前角约为+ 1 l 。这与相当长的时间内成功 地用于该公司的2 2 0 1 3 端铣刀系列的快速切削方法相同。这种刀具有整体式和 两件式。两件式铣刀有可换刀头。 s a n d v i k ，i s c a r 和i n g e r s o l l 公司分别推如了新的铣刀片和新铣刀，采用大 前角、螺旋刃或曲面刃是三种刀具的共同特点。 s a n d v i k 公司在8 0 年代末推出了用于钢和铸铁铣削加工的波形刃铣刀。这 种曲面刃铣刀可降低切削力，提高切削速度；同时，可减少传统刀片产生的崩 刃现象。两种刀片尺寸用于整个u - m a x 铣刀系列。s a n d v i k 公司报告了槽铣刀 和小型铣刀的比较，u m a x 立铣刀的进给量是普通刀片立铣刀的1 6 2 倍：而 刀具寿命是普通铣刀的2 倍】0 2 1 。 1 s c a r 公司的b r a d l e yt e e t s 说，“一个多世纪以来，螺旋切削刃一直是高速 钢铣刀的理想的切削刃”。而现在，由于采用了先进豹c a d 和c a m 技术，这 种理想的形状可以用硬质合金制造。由于采用c a d 优化设计，用适应控制、刀 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 片自动检验和定期自动压制清洗使数控硬质合金公司把螺旋刃硬质合金铣刀推 向市场。 i s c a r 公司的直径从9 5 m m 3 8 m m 的h e l i m i l l 微型立铣刀是基于螺旋切削 刃，a p m m 刀片制成的。使用螺旋刃刀片可使切削噪声小，动力小。a d k t 曲 刃宽刀片适用于两种端铣刀和一种立铣刀。i s c a r 公司推荐，在9 0 。轴向角和 很大的使用范围内，这种铣刀可实现f 前角切削。 i s c a r 公司的方形s e k r 刀片，是h e l i m i l l 系列的一部分，把螺旋切削刃 分成三个扇形面，每个面有不同的倾斜角。切屑有三部分成形形状。扇形或锯 齿形切削刃s e k r 刀片，最适合加工高温合金，镍铬合金和不锈钢，甚至可以 采用很大的进给量。这种刀片可以用于软金属的加工非常类似于带挡板的车刀 刀片，可防止大量热切屑接触刀片表面。这种设计还可降低震动，提高稳定 性。 i n g e r s o l l 公司的大前角铣刀系列，包括端铣刀和立铣刀，具有双重大前角， 是根据新设计的螺旋刃a p l h 和a p e b 刀片制成的。直径小至1 6 m m 的大前角 立铣刀在市场上可以买到。整个系列主要是从根据使用硬质合金抗压强度最大 的理论设计的i n g e r s o l l 公司的o n e d g e 刀具设计原理改变而来的i ”i 1 4 1 。 k y o c e r a 工程陶瓷公司去年推出了一系列组合端铣刀。使用的刀片大部分是 乎面的变形，刀体和刀夹包括大前角和通用的轴向正前角型，用于加工钢、铝 和其它有色金属。 d a p r a 公司推出了新铣刀和刀片系列，完全不同于我们讨论的刀具。带一个 盘形刀片的球端铣刀、一个夹紧螺钉和刀体构成了基本设计。这种刀具有各种 尺寸规格。与众不同的刀片是平面盘形，一端有一个支承平面，另一端有一个 精磨过的间隙。用于这些刀体的刀片有涂层、非涂层硬质合金和陶瓷型。前角 可根据材料确定。这些特殊刀具适用于高效模具加工。 1 4 刀具铣削机理及c a d c a m 相关技术的研究现状 1 4 1 铣削机理的研究现状 由于面铣刀应用广泛以及切削过程的复杂性，国内外学者在研究面铣刀结 构的同时，对铣削过程的机理研究也给予了足够的重视，他们从整个铣削加工 系统出发，对铣削过程机理和现象进行了研究，主要集中在以下几个方面：铣 刀破损的研究、铣削温度的研究、铣削力的研究、最佳面铣刀的研究和面铣刀 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 减振的研究。 针对面铣削过程中刀片的破损，早在四十年代中期，德国学者 m k r o n e n b e r g 首先针对面铣加工研究了切入类型与刀具破损之间的关系。他详 细分析了面铣的切入过程，指出铣刀和工件的位置和偏移量对刀具寿命将产生 极大的影响i l ”。在这之后，西德阿亨工业大学德h o p t i z 、日本的星铁太郎等从 实验到理论、从宏观到微观对铣刀切入破损进行了分析，指出切入过程中的冲 击、疲劳和热裂纹是引起铣刀切八破损的主要原因【j 6j 【i ”。自k r o n e n b e r g 提出了 切入类型对刀具的破损影响之后，许多学者对此进行了大量的实验，不同程度 地证明了m k r o n e n b e r g 的结论。 要想全面地对铣削过程进行分析研究，必须针对铣削过程的特点，如铣削 时，主切削力的幅值和方向都在连续地发生变化，而铣削力对铣削过程、机床 结构乃至刀具寿命都有很大的影响，所以必须对动态铣削力的变化规律进行研 究。近年来，随着计算机技术、加工过程的自动控制的发展，铣削力己成为对 铣削过程进行适应控制的反馈参数。在这一研究中，不但要求人们能在现场对 铣削力进行测量，更需要精确掌握铣削力的精确表达式【l 。l 。但是由于面铣属于 断续切削，加工时，切削厚度和切削力的方向都在不断地发生变化，所以分析 和计算铣削力是比较困难的 t g l 。到目前为止，很多学者对铣削力进行了研究工 作，取得了很多重要成果。曾也有通过实验对铣削力进行了研究，但由于所建 立的铣削力模型考虑因素较少，且表达式复杂不能推广；随后，对面铣过程进 行了全面分析，在计算铣削力的表达式中，分析了铣削条件、铣刀和工件的相 对位簧、刀齿的轴向跳动以及刀尖圆弧半径对铣削力的影响，但由于考虑的因 素太多，铣削力的计算显得繁琐，因而其推广受到了限制。西南交通大学的周 汝忠教授通过实验建立了面铣动态切削力模型；哈尔滨科技大学的王满元教 授、周继承等在这方面也做了大量研究工作，建立了单齿和多齿铣削力模型 7 1 。 上述模型中考虑了主要影响铣削力的因素，包括铣削用量、铣刀齿数、铣刀直 径、铣刀与工件的位置关系及铣刀齿距等。以上铣削力模型都是从宏观上考虑 并采用平前刀面刀片而建立的各向铣削力之间的关系，但没有考虑刀片切削刃 的形状及刀片槽型对铣削过程的影响。进入9 0 年代，对铣削力进行了进一步且 较实用的研究【2 0 1 。从考虑机床结构和夹具设计出发，在切削条件已知的情况 下，建立了面铣中影响面铣刀的三向分力的数学模型，并对不同铣刀和工件材 料进行了切削实验，取得了一致结果。并对面铣中的静态和动态铣削力进行了 模拟，在静态铣削力模型中，主要考虑了影响切屑横截面变化的因素，刀片安 装位置的偏差和机床主轴的偏斜等偏差；在动态铣削力模型中，多齿斜角切削 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的结构动态模型被假设为多自由度空间系统，基于双变换原理，从这个系统的 相对位移推导并模拟了动态切削力。以上分析和实验均是对平前刀面直线刃铣 刀进行的。随着铣刀片的发展，带有三维复杂槽型铣刀片的广泛应用，铣削过 程中的铣削力变得更加复杂，因此有必要对其做进一步的研究。 但是以上理论分析和研究多是针对平前刀面直线刃铣刀进行的。随着铣刀 片的不断发展，带有三维复杂槽型的铣刀片广泛应用，铣削过程中的铣削力变 得更加复杂，因此有必要对其做进步的研究。 哈尔滨理工大学对切屑折断的数学模型及折断判据进行了系统而深入的研 究，并研究开发了槽型c a d 专家系统；利用虚拟现实技术在刀片槽型开发中与 c a d 相结合，产生虚拟原型并对其进行实时设计和修改，显著缩短刀片槽型的 开发周期，降低开发成本；并初步进行了三维槽型铣刀片铣削力、铣削热的建 模与仿真。并建立了直线刃铣刀片铣削力数学模型及波形刃铣刀片铣削力数学 模型，并对铣削力进行了试验研究。也曾对铣削力的预测和铣削力在前刀面的 分布给出了一个简单的抽象的函数关系，但并未做具体的研究和探讨。 断续切削加工技术在整个切削加工领域中占有重要的地位。断续切削刀具 在切削过程中承受冲击载荷，研究断续切削加工中铣刀片的铣削力和应力场分 布规律，为今后三维复杂槽型铣刀片应力场数学模型及槽型优选技术研究打下 有力基础。并成为研究断续切削时刀具失效机理的一个重要手段1 2 1 】。 1 4 2 与铣削刀具相关c a d c a m 技术的发展现状 长期以来，在c a d c a m 的整个发展中占有特别熏要的地位是机械产品 c a d c a m 系统。也是对c a d c a m 需求最广泛的部f - j 2 “。 发达国家应用于刀具设计开发的c a d c a m 技术已进入普及阶段，各种商 品化软件都很成熟。刀具c a d c a m 技术的发展使刀具产品无论是刀具几何参 数，还是切削性能等各方面都能满足用户的加工条件需求，这是工具先进国家 刀具业目前所具有的最大特点口”。由于可转位刀具结构众多，形状复杂，生产 方式又主要是多种小批量和短周期的定货形式，并且一些高难度的可转位刀具 更是传统设计与制造技术所难以胜任的。以c a d c a m 技术和现代化机械加工 设备为核心的现代化刀具生产系统，为可转位刀具的生产与开发开辟了有效途 径。生产硬质合金可转位铣刀的美国甜g e r s o l l 刀具公司是成功地开发和应 用c a d c a m 技术于刀具生产的先驱者之一。该公司根据生产需要，在计算机 网络上开发可转位铣刀的c a d c a m 应用软件系统，支持了该公司若干台机床 堕篓堡型三盎塑；兰堡圭耋堡竺兰 和数十种可转位铣刀的生产。他们又采用图形工作站和大型c a d c a m 软件系 统，开发了交互式c a d c a m 技术，并建成了c i m s 系统。成为美国最大的一 个可转位铣刀生产厂。德国i n g e e r s o l l 机床与刀具公司也建成了f m s 系 统，开发了多种高质量、高难度的可转位铣刀新品种，成为著名的可转位铣刀 生产厂。其他的著名生产公司如日本的三菱金属株式会社、瑞典的s a n d v i k 公司、德国的w a l l 、e r 公司、以色列的i s c a r 公司等刀具公司纷纷建立了自 己的c a d c a m 系统，以适应刀具的设计与加工要求，提高自身的市场竞争 力。满足用户交货期与使用要求，提高刀具质量口4 i 。 我国的可转位铣刀的开发、生产与应用，虽然已有近三十年历史，但品种 不全，质量不高，自主设计和创新的产品很少，许多高质量、高难度的可转位 刀具至今还不能生产。与发达国家相比具有较大的差距。为了发展国产可转位 刀具的生产，很多工具厂也购置了c n c 机床和加工中心。但是由于缺乏 c a d c a m 技术的强大支持，刀具的生产能力还是受到限制，致使手工编程加 工出的面铣刀精度差，可转位螺旋立铣刀无法加工，先进的设备没有发挥出其 应有的能力。 电子计算机的出现和发展，在力学学科领域引起了变革，以有限元法为代 表，包括有限差分法、边界元法、加权残数法等系列离散化数值方法，有的 刚刚崛起，有的则是古老的方法获得了新的活力，近几十年来得到蓬勃发展。 其使用范围日益扩大。现在逐渐形成了一个与固体力学、流体力学和一般力学 并列的新学科计算力学，即力学闯题的计算机方法1 2 ”。 有限元法作为一种有着坚实理论基础和广泛应用领域的数值分析方法，三 十多年来，它的应用范围已从杆、梁类结构扩展到弹性力学平面问题、空间问 题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到动力学问题、波动问题和稳定问题。分 析对象从弹性材料扩展到粘弹性、塑性、粘塑性及复合材料等；从固体力学扩 展到流体力学、传热学及连接介质力学各领域。在工程实践中的作用从分析与 校核扩展到优化设计和计算机辅助设计、计算机辅助生产技术相结合等方面。 c a d c a m 的发展趋势之一就是建立分析模拟系统，大部分采用了有限元 和边界元法( 工程分析软件如美国的a d i n a 、n a s t r a n 、i - d e a s 、s a p ，德 国的a s k a ，英国的a n s y s ，其中i - d e a s 占领了中国的很大一部分市场) ， 通过对照形状模型可以直接进行结构分析和热分析，而且图示输出结果，非常 有利于评价设计结果和修改设计方案。 1 5 课题的来源及本文主要研究内容 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 本课题来源于国家自然科学基金项目“基于网络的断屑预报系统及三维复 杂槽型优化设计的研究”( 5 0 2 7 5 0 4 2 ) 和黑龙江省教育厅海外学人重点项目“可转 位车、铣刀片三维复杂槽型优化设计”( 1 0 5 4 h z 0 0 6 ) 。 本文主要从提高三维复杂槽型铣刀片的切削性能和可靠性出发，进行了三 维复杂槽型铣刀片铣削力试验研究，在此基础上，引入切削力学理论，建立三 维复杂槽型铣刀片受力密度函数，并以此为边界条件应用有限元分析软件 a n s y s 对三维复杂槽型铣刀片进行应力场的有限元分析；对应力场分析的结果 进行模糊综合评判并建立相应的评判准则，从而为槽型重构提供依据为复杂槽 型铣刀片的开发和优化设计提供了方法。本论文的主要研究内容是： 1 三维复杂槽型铣刀片铣削力试验的研究。采用对称铣削，对平前面铣刀 片、波形刃铣刀片、大前角铣刀片、美国肯纳金属公司的铣刀片和以色列 i s c a r 公司的铣刀片五种槽型的铣刀片进行了铣削力试验； 2 以铣削试验和金属切削理论为基础，建立三维复杂槽型铣刀片铣削力的 数学模型和铣刀片表面受力密度函数； 3 以表面受力密度函数为边界条件，应用有限元分析软件a n s y s 对三维 复杂槽型铣刀片进行应力场的有限元分析，得到整个铣削过程的应力分柿并对 应力分布可视化； 4 应用模糊数学理论，综合考虑影响铣刀片三维应力场的多种因素，对铣 刀片的应力场进行综合评判，建立模糊综合评判准则，以确定应力场优劣，为 铣刀片三维复杂槽型的重构提供依据。 哈尔滨理工大学工学硬上学位论文 第2 章三维复杂槽型铣刀片铣削力试验的研究 由于铣削属于断续切削，切屑折断不是主要问题，因此人们考虑经济性、 工艺性，开发的铣刀片常为平前刀面带后角的四方形可转位刀片，但铣刀在切 入切出过程要承受冲击载荷和热冲击，易发生破损，所以要想系统地研究铣削 过程及铣刀片槽型，需要考虑的因素很多。在这一章里，我们深入研究与铣削 过程中的振动、破损密切相关的铣削力变化规律。铣削力的测量是一种比较典 型的多向动态力测量。本章为了进一步研究三维槽型对铣刀片切削性能的影 响，进行了三维复杂槽型铣刀片铣削力试验。对平刀片、大前角铣刀片、波形 刃铣刀片、美国肯纳铣刀片、以色列i s c a r 铣刀片进行了铣削力的测量。通过 测量所得到的不同刀片不同参数下的铣削力对于以后受力密度函数的建立和应 力场分析打下有力的基础。 2 1 三维复杂槽型铣刀片铣削力测量系统及实验原理 本试验所采用的铣削力数据采集系统原理如图2 1 所示，主要由测力传感器 ( 即s d c c 3 h x t m 四向测力仪) 、y d 一2 1 4 型应变仪、数模转换板( a d 卡) 、 带电缆和插头的连接器等组成。 图2 一l 铣目h 力测量系统原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fm i l l i n gf o r c es y s t e m 工件被固定在电阻式应变测力仪上，铣削时工件所受的力的变化会引起应 变仪内部电阻应变片的形变，电阻应变片接成全桥式电路，电阻式应变片的形 变会引起电桥的不平衡，进而引起输出电压的变化。电阻式应变片的形变与电 压的变化呈线性关系，所以当测出输出电压值的大小后就可以知道作用力的大 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 小。在使用电阻应变片作为传感元件时，测量电桥的输出电压值很小，必须使 用应变仪来检测并放大这种微弱的输出信号；然后把来自电阻应变仪的毫伏级 电压放大至模数转换所需电压范围( 0 - 5 伏) 输入到计算机，以满足a d 转换所 需的输入电压范围，本采集系统放大倍数为十倍。经a d 板出来的信号已是计 算机所能接受的数字信号了，计算机通过采集程序，数据处理程序对采集到的 信号进行动态显示，存储及相应处理与分析【2 6 】1 2 7 1 。测力仪需经标定，以便将测 力时的输出读数转换成力数值，所以当测出输出电压值的大小后就可以知道作 用力的大小，从而可以得到铣削力的值。 本铣削力测试系统可测得铣削力的瞬时值，灵敏度高，抗于扰性好，能消 除系统和周围环境引起的零漂，并能对数据进行采集、回放及数据均值、功率 谱分析等处理，为以后表面受力密度函数的建立提供依据。 2 2 铣刀片铣削力试验及分析 2 2 1 不同槽型铣刀片的铣削力试验 采用图2 1 的铣削力数据采集系统，其试验条件为： 铣床型号：立式升降台铣床x w 5 0 3 2 工件材料：4 5 钢； 刀片材料：美国肯纳铣刀片：s p e r l 5 0 4 0 8 e n g bk c 7 2 5 m ： 以色列i s c a r 铣刀片； 波形刃铣刀片( s p c r l 6 0 4 a d f n m j ) ：y t 5 3 5 ： 大前角铣刀片( s p c r l 6 0 4 a d f r 1 61 ：y g 5 3 2 ； 平前刀面铣刀片：y t l 4 ： 工件宽度：1 0 6 m m ； 蕊铣刀直径：1 6 0 m m ； 刀片规格：1 6 m m 1 6 m m 方刀片； 铣削方式：对称铣削； 刀片几何参数：如表2 。l 所示； 切削参数：如表2 - 2 所示。 在试验中，选择不同的试验参数，即：选取切削参数中的n = 3 7 5 r m i n ，= 3 6m m m i n ， a 。= 2 r a m 中的一个作为固定值，改变其余两种参数，就可以得到成 组的铣削力变化曲线，本试验总共得到1 3 组铣削力数据。 堕尘堡矍三查兰三耋坚圭兰堡兰三 表2 - l 刀片几何参数 前角后角刃倾角 肯纳铣刀片 i s c a r 铣刀片 大前角铣刀片 1 8 。7 o 5 。 波形刃刀片 8 。7 。+ 1 5 。1 5 o 平刀片 o 。7 。o 。 表2 - 2 试验切削参数 主轴转速n ( r r a i n )1 9 0 、3 0 0 逊、4 7 5 、6 0 0 切 削 每分进给量f ( r a m r a i n ：2 0 、2 7 、竖、4 7 、5 8 、7 8 、1 0 0 用 量 背吃刀量d 。( m m ) o 5 、l 、2 、3 、4 采用的五种铣刀片如图2 - 2 所示 平刀面铣刀片 波形刃铣刀片