（机械设计及理论专业论文）三维复杂槽型铣刀片槽型设计与重构.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t p 3 9 1 7 2 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g g r o o v ed e s i g na n d r e c o n s t r u c t i o no fm i l l i n g i n s e r tw i t h3dco m p l e xg r oo v e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y - l i uq i a n g t a ng u a n g y u m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a c h i n ed e s i g no ft h e o r y m a r c h ，2 0 0 6 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y - _ i 作者签名：剖独 日期：如锌朔 l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 三维复杂槽型铣刀片槽型设计与重构系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密i g ，在另年解密后适用授权书。 ， 不保密ii 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者躲赢旧金 嗍2 鲫舜洲日 导师签名： ) z 彳 毛3 日期：加乡够月日 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 三维复杂槽型铣刀片槽型设计与重构 摘要 三维复杂槽型可转位铣刀片具有优于平前刀面铣刀片的切削性能，具有逐 渐替代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 而获得更好的耦合场，本文对三维复杂槽型铣刀片不规则面热源受热密度函数、 温度场和应力场的预测、复杂槽型的评判、槽型参数的优化和槽型重构系统的 开发五个方面进行了深入系统的理论和试验研究。 1 基于传热学理论，利用热源法建立了不规则面热源作用下三维复杂槽型 铣刀片的受热密度函数，可以得到任意槽型参数己知的铣刀片受热密度函数的 模型和表面受热密度函数，为铣刀片槽型重构建立了目标函数，为温度场有限 元分析建立了边界条件。 2 针对铣刀片温度场和应力场的非稳态特性，基于人工神经网络理论，采 用b p 神经网络l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法建立了三维复杂槽型铣刀片温度场和 应力场预测模型，为复杂槽型的评判和槽型参数的优化提供了数据支持。 3 运用模糊数学理论，根据加工要求和专家分析，在v c + + 环境下，实现了 对波形刃铣刀片模糊综合评判系统的开发。通过该系统可对多因素作用下的铣 刀片温度场、应力场和耦合场的优劣进行评判，为铣刀片槽型参数的优化提供 了评判依据。 4 建立了槽型参数多目标优化数学模型，利用遗传算法求解了固定切削参 数和给定约束下的优化槽型参数，槽型优化后的铣刀片耦合场明显优于其它槽 型参数下的铣刀片耦合场。 5 在p r o e 环境下，创建了波形刃铣刀片模型；利用p r o t o o l t 二次开 发工具，在v c + + 环境下，采用异步模式完成了槽型参数化重构系统的开发； 实现了利用友好的图形用户界面输入槽型设计参数来控制铣刀片复杂槽型生成 的关键技术。 关键词三维复杂槽型：铣刀片；槽型评判；参数优化；槽型重构 哈尔滨理t 大学工学硕l ：学位论文 g r o o v ed e s i g na n dr e c o n s t r u c t i o no f m i l l i n gi n s e r t w i t h3 d c o m p l e x g r o o v e a b s t r a c t i n d e x a b l e m i l l i n g i n s e r tw i t h3 dc o m p l e xg r o o v eh a sb e r e r c u t t i n g p e r f o r m a n c et h a nt h a 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 t h o w e v e r ， t h et y p e 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 ea r ef e w t h eg r o o v eh a sb e e n m o d e l e db ye x p e r i e n c ea n dl a c k st 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 rc o u p l i n gf i e l d ，t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f h e a t i n gd e n s i t yf u n c t i o no 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 eu n d e rt h e i r r e g u l a rh o ts o u r c e ，p r e d i c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d ，e v a l u a t i o no f c o m p l e xg r o o v e ，g r o o v ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to fg r o o v e r e c o n s t r u c t i o ns y s t e mh a v e b e e nc o n d u c t e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dp r o f o u n d l y 1 t h eh e a t i n gd e n s i t yf u n c t i o no 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 eu n d e r t h ei r r e g u l a rh o ts o u r c ei se s t a b l i s h e db yh e a ts o u r c em e t h o db a s e do nh e a tt r a n s f e r t h e o r y , a n dt h em o d e lo fh e a t i n g d e n s i t yf u n c t i o na n ds u r f a c eh e a t i n gd e n s i t y f u n c t i o no fm i l l i n gi n s e r tw h o s eg r o o v ep a r a m e t e r sa r ek n o w nh a v eb e e na c h i e v e d ， w h i c he s t a b l i s h e st h et a r g e tf u n c t i o nf o rt h eg r o o v ef u n c t i o na n dt h eb o u n d a r y c o n d i t i o nf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l d 2 a i m i n ga tt h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i co ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f m i l l i n gi n s e r t ，b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt h e o r y , p r e d i c t i v em o d e l so f t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fm i l l i n gi n s e r t 、衍t 1 13 dc o m p l e xg r o o v eh a v e b e e ne s t a b l i s h e d 、i t l lt h ea s s i s t a n c eo fl e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h mo fb pn e u r a l n e t w o r k ，w h i c hp r o v i d ed a t as u p p o r tf o rt h ee v a l u a t i o no fc o m p l e xg r o o v ea n dt h e g r o o v ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 3 t h es y s t e mo ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf o rw a v e d - e d g em i l l i n gi n s e r t h a sb e e nd e v e l o p e dw i t ht h ea s s i s t a n c eo ff u z z ym a t h e m a t i c st h e o r yi nv c + + e n v i r o n m e n tw h i c hi sa i d e db ym a c h i n i n gr e q u i r e m e n t sa n de x p e r t sa n a l y s i s t h i s s y s t e mc a nb eu s e dt oe v a l u a t et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l da n dc o u p l i n gf i e l d o fw a v e d e d g em i l l i n gi n s e r tu n d e rt h ea c t i o n so fm u l t i f a c t o ra saw h o l e ，w h i c h i i 哈尔滨理工大学工学硕i ：学位论文 p r o v i d e st e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h eg r o o v ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fm i l l i n gi n s e r t w i m3 dc o m p l e xg r o o v e 4 m a t h e m a t i c sm o d e lo fm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fg r o o v ep a r a m e t e r sh a s b e e nb u i l t ，o p t i m i z i n gg r o o v ep a r a m e t e r so nf i x e dc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dg i v e n r e s t r i c t i o nb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mh a v eb e e nr e s o l v e d ，t h ec o u p l i n gf i e l do f m i l l i n gi n s e r ta f t e rg r o o v eo p t i m i z a t i o ni sb e t t e rt h a nt h ec o u p l i n gf i e l do fm i l l i n g i n s e r tw i t ho t h e rg r o o v ep a r a m e t e r s 5 t h em o d e lo fw a v e d e d g em i l l i n gi n s e r th a sb e e ne s t a b l i s h e di nt h ep r o e e n v i r o n m e n t ap a r a m e t r i cg r o o v er e c o n s t r u c t i o ns y s t e mf o rm i l l i n gi n s e r t 谢t l l3 d c o m p l e xg r o o v eh a sb e e na c c o m p l i s h e db ya s y n c h r o n o u sm o d ei nt h ev i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n t ，w i t ht h ea s s i s t a n c eo fp r o t o o l k i tt h a ti st h ef u r t h e r d e v e l o p m e n tt o o lp r o v i d e db yp r o e n g i n e e r ak e yt e c h n o l o g yt h a tc o n t r o l l i n g t h eb u i l d i n go fc o m p l e xg r o o v eo fm i l l i n gi n s e r tb yi n p u t t i n gt h eg r o o v ed e s i g n p a r a m e t e r sb a s e do nf r i e n d l yg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eh a s b e e na c c o m p l i s h e d k e y w o r d s 3 dc o m p l e x g r o o v e ；m i l l i n gi n s e r t ；g r o o v ee v a l u a t i o n ； p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ；g r o o v er e c o n s t r u c t i o n i i i 哈尔滨理1 = 大学工学硕上学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 国内外金属切削刀具的发展现状l 1 2 国内外铣刀片技术发展概况2 1 2 1 铣刀片的发展现状2 1 2 2 最新的铣刀片简介3 1 3 铣削刀具开发设计技术发展现状和趋势5 1 4 槽型的计算机辅助设计与制造6 1 4 1 国内外槽型c a d c a m 的发展状况6 1 4 2 槽型c a d c a m 的实现过程6 1 5 论文的选题目的和意义7 1 6 课题来源及主要研究内容8 第2 章三维复杂槽型铣刀片受热密度函数研究9 2 1 铣刀片热源发热量的计算9 2 1 1 热源法9 2 1 2 瞬时点热源的温度场1 0 2 1 3 瞬时有限大不规则面热源的温度场1 0 2 1 4 热源发热量的计算1 2 2 2 温度场数学模型的建立1 3 2 2 1 温度场数学模型的计算1 3 2 2 2 表面受热密度函数13 2 3 本章小结1 5 第3 章三维复杂槽型铣刀片温度场和应力场预测1 6 3 1 人工神经网络介绍。1 6 3 1 1b p 神经网络原理1 6 3 1 2l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法。17 3 2 铣削温度试验和温度场有限元分析1 8 3 2 1 铣削温度试验简介1 8 r-ii， 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 3 2 2 温度场有限元分析1 9 3 3 铣削力试验和应力场有限元分析2 0 3 3 1 铣削力试验简介2 0 3 3 2 应力场有限元分析2 l 3 4 温度场和应力场神经网络模型的建立2 l 3 4 1 温度场神经网络模型的建立2 1 3 4 2 应力场神经网络模型的建立2 3 3 5 本章小结2 5 第4 章波形刃铣刀片模糊综合评判系统的开发2 6 4 1 铣刀片模糊综合评判模型的建立2 6 4 1 1 建立因素集、评价集和备选集2 6 4 1 2 模糊综合评判模型的建立2 7 4 1 3 模糊综合评判失效及其解决模型2 9 4 2v i s u a lc + + 6 0 开发环境2 9 4 3 模糊综合评判系统的构建3 0 4 3 1 系统结构3 0 4 3 2 系统构建3 0 4 4 实例分析3 4 4 5 本章小结3 6 第5 章三维复杂槽型铣刀片槽型参数优化3 7 5 1 刀片槽型的分类3 7 5 2 刀片槽型几何形状分解3 9 5 3 槽型优化特征指标的选择4 0 5 4 铣刀片槽型参数优化模型的建立4 1 5 4 1 铣刀片槽型参数的确定4 1 5 4 2 优化模型的建立4 2 5 5 基于遗传算法的槽型优化4 3 5 5 1 遗传算法概述4 3 5 5 2 槽型优化的实现5 1 5 5 3 优化结果验证5 1 5 6 本章小结5 3 第6 章三维复杂槽型铣刀片槽型参数化重构5 4 6 1p r o e n g i n e e r 野火版简介5 4 6 2p r o 厂r 0 0 l k i t 简介5 5 6 3 槽型参数化重构系统的开发5 5 6 3 1 系统开发环境5 5 6 3 2 系统开发策略5 5 6 3 3 三维模型样板的建立5 6 6 3 4 异步模式程序的编写5 7 6 4 本章小结6 7 结论6 8 参考文献。6 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 3 致 射7 4 1 1 国内外金属切削刀具的发展现状 制造工业中，决定产品的性能和技术水平的大多数关键零、部件是由刀具 切削加工最终完成的。切削刀具的性能已成为零、部件生产自动线提高加工工 艺技术水平、生产效率、制造精度和降低成本的重要保证。传统的制造业，也 由于信息技术的普及推广而跃上一个新的发展平台。 当前机械加工总的发展趋势是提高效率、提高精度、提高自动化程度、降 低非切削所占用的辅助时间，降低材料的消耗量，其目的就是提高生产率、缩 短生产周期，提高质量、降低成本。这个总的发展趋势反映在刀具方面，就是 开发新型刀具材料，改进、开发新结构刀具，针对各种被加工材质，优选最佳 刀具材料，设计最佳刀具结构，优选最佳几何参数，以此来提高切削用量，提 高刀具寿命、加工精度，并进行刀具的模块化、系统化和成套化工作，以适应 机械加工无人化、自动化的发展趋势n 。目前，在刀具材料、涂层技术、刀具结 构等方面所取得的进展均属于当代材料、信息科学、计算机技术、微电子技术 在此方面应用的最新成果。 首先，刀具材料和涂层技术方面的研究进展迅速陀3 | 。 各种刀具材料的性能都有显著提高，形成了每种刀具材料既有独特的优势 和使用范围又可互相取代补充的格局，使切削加工的各领域、各工序的效率和 总体水平有显著的提高。硬质合金成为刀具的主要材料，出现了适用于做涂层 基体的倾斜机能材料和适合做量大面广的钻头、立铣刀、丝锥等通用刀具及i t 产业微型刀具的细颗粒、超细颗粒硬质合金材料。这类硬质合金的强度超过了 3 0 0 0 m p a ，甚至达到4 0 0 0 m p a 以上，为普通硬质合金材料的一倍，从而扩大了 硬质合金刀具的应用范围。 近年来，涂层技术取得了重大的进步，能针对刀具不同的加工对象及使用 要求开发出多种牌号或复合多层、梯度结构、纳米结构的涂层h 1 。最新的a i c r n 涂层和t i n s i 3 n 4 纳米结构涂层的硬度分别达到了3 2 0 0 h v 和4 0 0 0 h v ，抗氧化温 度达到1 1 0 0 ，显著地提高了刀具的切削性能，是材料科技领域里的最新研究 成果。又如已实用化的金刚石涂层和正在开发的c b n 涂层都属于高新技术的范 畴。 其次，以可转位刀具为代表的通用车、铣和孔加工刀具及专用、复合、智 哈尔滨理t 大学 二学硕士学位论文 能型刀具，其创新的结构、优良的性能、复合的功能、高的加工效率和精度也 充分说明了刀具是现代科技产品。 随着各种涂层硬质合金刀片、陶瓷刀片、金刚石薄膜涂层刀片及超硬刀片 应用的日益扩大，可转位结构的刀具已成为了刀具结构发展的主流，已广泛应 用于可转位车刀、可转位镗刀、可转位铣刀和可转位钻头等强1 。近年来日本、美 国、德国等开发的各式装配硬质合金刀片的涂层铣刀，不同于以往的装配式硬 质合金铣刀，而是在刀片上采用了各种特殊形状的三维槽型，刀刃也由原来的 直线形变为多样化的各种螺旋形、波形刃等，且有采用大前角、大容屑空间和 高刚性刀体的趋势哺1 。如日本住友电气公司开发的装配波形刃刀片新型铣刀和螺 旋形立铣刀，日本京陶公司开发的m s 0 9 0 型端铣刀，瑞典s a n d v i k 公司开发的 装配式螺旋形刀片立铣刀以及日本神钢工具公司的带油孔喷雾冷却球头立铣刀 等，都是采用了大前角、三维槽型和非直线刃形技术的刀具。这样改进的刀具大 都刀刃锋利，切削力大幅度减小，断屑排屑性能优良，加工效率很高，切削范 围广，从普通钢材到不锈钢均可顺利加工。 目前，我国已成为世界的第三大刀具市场n 1 。从8 0 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。我国硬质合金产量在国际上虽然名列前茅，但硬质合金刀具技术仍然相当 落后。硬质合金刀具材料的利用率仍然较低，一些先进刀具如陶瓷刀具、涂层 刀具、聚晶金刚石( p c d ) 和聚晶立方氮化硼刀具( p c b n ) 也应用很少。近年来我 国也加强了这方面研究，并被列入国家“8 6 3 计划”项目和国家自然科学基金项 目，目前该项技术尚处于引进、消化、吸收阶段并取得了较大进展，但尚未进 入大量自主开发商品化生产阶段。 1 2 国内外铣刀片技术发展概况 1 2 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 一2 一 一 1 哈尔滨理丁大学t 学硕七学位论文 ；i i 暑i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i ；i ；i i i i i i i i i ；i i i i i i 宣宣i i ；i i 置置 表现在：( 1 ) 应用比例低，约占刀具总量的1 0 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 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 l发设计新槽型，另一部分是消化、仿制、引进刀片新槽型，使之国产化哺1 。 p + 1 2 1 1 铣刀片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 r = 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金。瑞典s e c o 公司开发的通用面铣刀，轴向前角为 2 0 。，径向前角为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 方形铣削刀片。 1 2 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，刀片牌号及涂层等因素是十分重要的。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，硬质合金制粉 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，它己问世6 年，这种刀片 用于制造k r = 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。 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 2 2 最新的铣刀片简介 上世纪9 0 年代末推出的最引人注目的大前角端铣刀片是c a r b o l o y 公司带 + 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h b s3 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。 - l 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 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 m 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 1 。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 公司分别推出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 倍旧1 。 i 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，由于采用了先进的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，这种铣刀可实现正前角切削。 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n 引。 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 是平面的变形，刀体和刀央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。 一4 一 哈尔滨理t 大学t 学颀十学位论文 d a p m 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 3 铣削刀具开发设计技术发展现状和趋势 长期以来，在c a d c a m 的整个发展中占有特别重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 需求最广泛的部门1 。 发达国家应用于刀具设计开发的c a d c a m 技术己进入普及阶段，各种商 品化软件都很成熟。早在七十年代中期，国外一些刀具厂即开始开发和应用 c a d c a m 技术，到目前为止，该项技术已普遍应用于西方各大刀具厂家。对 于模块化刀具，一般均在大型通用的c a d c a m 软件包上实现。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n 别。 生产硬质合金可转位铣刀的美国i n 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。七十年代中期，该公司根据生产 需要，在计算机网络上应用a p t 语言自行开发了m a x 1 系列可转位铣刀的 c a d c a m 应用软件系统，支持了该公司若干台机床和数十种可转位铣刀的生 产。八十年代中期，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，该公司c n c 机床和加工中心的拥有量达七十台左 右，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。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 t 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n 3 1 。 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。据不完全统计，我国可转位刀具的品种、规格总数约为 国外名牌厂家的四分之一，而且未生产的品种多数具有很高的难度，与发达国 家相比具有较大的差距。其原因主要在于国内可转位刀具的设计、制造技术明 显落后“。 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，在 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 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副。 c a d c a m 的发展趋势之一就是建立分析模拟系统，即c a d c 觥a e 系 统的集成。分析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 、a n s y s 、德国的a s k a ，其中a n s y 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 4 槽型的计算机辅助设计与制造 1 4 1 国内外槽型c a d c a m 的发展状况 计算机技术的进步以及使用的普及给刀片槽型的设计带来了突破性变革。 目前国内外已普遍采用槽型的计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术，甚 至已经出现了槽型设计的计算机专家系统。c a d c a m 技术给槽型设计，尤其 是三维复杂槽型设计注入了活力。根据文献报导，c a d c a m 软件的使用将槽 型开发时间较少了三分之二，目前国外大部分制造厂家采用了这一技术引。 美国i n g e r s o l l 刀具公司，7 0 年代中期即利用c a d 技术成功开发了 m a x 1 可转位硬质合金铣刀的c a d 程序。1 9 8 5 年，美国c a d a m 公司用 c a d a m 三维绘图软件实现带有复杂槽型的可转位铣刀的设计。美国另一个著 名公司罗杰斯工具公司，也利用a n v i l 5 0 0 工作站，开发出三维c a d 系统， 随后又将其移植于微机上运用，开发出e f 、g p 、g r 、h r 四种槽型的硬质合 金刀片，分别用于精加工、半精加工、粗加工和重型切削加工。1 9 9 0 年，芝加哥 国际加工技术博览会上来自美，德及瑞典等国的约1 3 0 个世界著名的工具制造 厂家都展出了他们利用c a d c a m 技术设计和制造了具有复杂槽型的新型硬质 合金刀具引。 经过八五计划的研究开发，我国槽型的设计和制造技术方面已有了较大的 发展和提高，但在槽型设计上仍存在着问题。目前，槽型的设计还不能以纯理 论计算的方法加以解决，而是用理论分析和实验相结合的方法来设计槽型。 1 4 2 槽型c a d c a m 的实现过程 槽型c a d c a m 设计的第一步是对话式的计算机辅助设计( c a d ) 过程，采 用c a d 可以制作刀片的三维尺寸图，表示出槽型的主要设计单元；然后采用有 一6 一 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 限元分析方法( f e m ) 和其它模拟技术作进一步的分析，从而预定和优化设计 特性；当该设计通过后，计算机辅助n t _ ( c a m ) 技术最终保证产品能精确和精 密地达到设计标准。我们以美国亚里桑那州罗杰斯工具厂所采用的c a d c a m 为例。1 9 8 7 年他们购买了a n v i l 5 0 0 型c a d 工作站，实现三维槽型c a d c a m 过程，其c a d c a m 整个过程如图1 1 所示。 图1 1 槽型c a d c a m 过程 f i g 1 lc a d c a mp r o c e s so f g r o o v e 1 5 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一种刀具，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“引。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。目前国外一些名牌刀具生产厂家已生产 出一些三维槽型的铣刀片，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，破损严重且排屑方向 不一致的问题h 训，开发研制了两种新型铣刀片大前角铣刀片和波形刃铣刀 片犯叭。大前角铣刀片和波形刃铣刀片都可使切削刃逐渐切入，切出工件，切削 过程平稳，振动小，并改善了切屑流向，同时使金属的切削变形减小，降低了 铣削力和铣削热，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，缺乏理论研究基础，槽型的优劣没有统一的判断依据。由于一个刀片槽 型的实现，经过研究试验初定型做模具压制刀片试验一 一生产考验终定型。需要半年以上的时间( 还不包括反复修改的时间) ；而 且，对于三维复杂槽型铣刀片的槽型设计与重构技术在国内外尚属空白，必须 进行深入而系统的研究，以便保证f m s 、c i m s 等先进制造系统的