（机械设计及理论专业论文）三维复杂槽型铣刀片力热耦合物理场研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： 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 s t u d yo nm e c h a n i c a l t h e r m a l c o u p l e dp h y s i c a lf i e l df o r m i l l i n gi n s e r tw i t h3dco m p l e x c a n d i d a t e ： g r o o v 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 ： s u nb a o j u n 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 na n dt 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 lll 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文三维复杂槽型铣刀片力 热耦合物理场研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：翮葛导 日期：厶钌年旁月日 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力热耦合物理场研究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 保密回，在3 年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：制、岔导 日期：沙么年多月1 日 导师签名： j 彳办， 产。 三维复杂槽型铣刀片力热耦合物理场研究 。 摘要 现代机械制造正向柔性制造系统、集成制造系统、敏捷制造、虚拟制 造、并行工程方向上发展。要实现理想的先进机械制造过程，使数控加工设 备能够正常运行，刀具质量的好坏是决定性因素之一。传统的平前刀面铣刀 片已越来越不能满足生产的需要，设计、开发一种铣削力最小，铣削温度最 低的新型刀具势在必行。本文对铣刀片铣削过程中的力热耦合物理场进行 了有限元模拟，并以耦合物理场的有限元分析结果为前提，对铣刀片进行了 模糊综合评判。主要内容如下： 1 进行了铣削温度和铣削力试验，利用动态数据采集系统同时测得铣 削过程中的铣削温度和铣削力，利用m a t l a b 软件，对采集的数据进行了 拟合，得出铣削温度和铣削力随时间变化的试验公式。 2 模拟铣削时刀片的实际状况，建立了温度场有限元分析的边界条 件，对波形刃铣刀片和平刀面铣刀片的温度场进行了有限元分析，得到了温 度分布规律，为耦合场的分析打下了基础。 3 建立了应力场有限元分析的边界条件，对与温度场分析时相同时刻 的应力场进得了有限元分析，得出了平刀面铣刀片和波形刃铣刀片的应力分 布规律。 4 利用有限元分析软件a n s y s 的多场耦合功能对铣削过程中交变温 度引起的热应力以及力热耦合后的等效应力和位移进行了数值模拟，得到 等效应力的分布规律。 5 以耦合物理场的有限元分析结果为前提，利用模糊数学理论，建立 了模糊综合评判模型，考虑了所有影响评判对象的因素，对波形刃铣刀片和 平前刀面铣刀片进行了模糊综合评判。 力热耦合物理场的研究结果和基于耦合场的模糊综合评判结果，为铣 刀片的三维槽型的开发和优化设计提供了依据。一 关键词三维复杂槽型；耦合场；温度场；应力场；模糊综合评判 哈尔滨理二r 大学t 学硕十学位论文 s t u d yo n m e c h a n i c a l - - t h e r m a lc o u p l e d p h y s i c s f i e l df o rm 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 b s t r a c t m o d e r nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ei sc h a r a c t e r i z e do ff m s ，c i m s ，a m ，v m a n dc e q u a l i t yo ft o o li sd e c i s i v ef a c t o ri fa d v a n c e dm a n u f a c t u r ep r o c e s si s r e a l i z e da n dm a n u f a c t u r ee q u i p m e n to f n u m e r i c a lc o n t r o lw o r k sw e l l t r a d i t i o n a l f l a tr a k em i l l i n gi n s e r th a sn o tb e e nm e e t i n gw i t hr e q u i r e m e n tg r a d u a l l y i ti s n e c e s s a r yt h a t an e wt y p eo ft o o lw i t hl o wm i l l i n gf o r c ea n dl o wm i l l i n g t e m p e r a t u r ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fm e c h a n i c a l t h e r m a lw a sp r o c e s s e dd u r i n gm i l l i n g ，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 no f m i l l i n gi n s e r tw a sc a r r i e di nt e r mo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l to fc o u p l e d p h y s i t sf i e l d - t h et h e s i s s u m m a r i e sa sf o l l o w ： 一 1 t e s to fm i l l i n gt e m p e r a t u r ea n dm i l l i n gf o r c ew a sp r o c e s s e d m i l l i n g t e m p e r a t u r ea n dm i l l i n gf o r c eo fw a v ee d g ea n df i a tr a k ef a c em i l l i n gi n s e r tw e r e m e a s u r e db yd y n a m i cd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m t e s tf o r m u l ao ft e m p e r a t u r e t i m e a n df o r c e t i m ew a so b t a i n e da c c o r d i n gt ot e s td a t ab yu s eo fm a t l a b 2 b o u n d a r yc o n d i t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a s b u i l ta c c o r d i n gt ot h er e a lc o n d i t i o ni nm i l l i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t e m p e r a t u r ef i e l dw a sc a r r i e do u t ，a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gr e g u l a r i t y o f m i l l i n gi n s e r tw a sg o t ，w h i c hb u i l tt h eb a s i sf o rt h ea n a l y s i so fc o u p l e d f i e l d 3 b o u n d a r yc o n d i t i o no ff m a o fs t r e s sf i e l dw a sb u i l t f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fs t r e s sf i e l dw a sp r o c e s s e d s t r e s sd i s t r i b u t i n gr e g u l a r i t yo fw a v ee d g e a n df i a tr a k ef a c em i l l i n gi n s e r tw a sg o t 。 4 t h e r m a ls t r e s so r i g i n a t e df r o mt h ec h a n g e dt e m p e r a t u r ea n de q u i v a l e n t s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw e r es i m u l a t e db yu s eo fm u l t i - f i e l dc o u p l ef u n c t i o no f a n s y s ，d i s t r i b u t i n gr e g u l a r i t yo ft h ee q u i v a l e n ts t r e s sw a so b t a i n e d 5 f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lo fc o u p l e df i e l dw a sb u i l to nb a s e i i c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nr e s u l tb a s e do nc o u p l e dp h y s i c sf i e l dp r o v i d et h eg i s t o ft h et h e o r yi nd e v e l o p i n ga n do p t i m i z i n gt h r e ed i m e n s i o ng r o o v eo fm i l l i n g i n s e r t k e yw o r d3 dc o m p l e xg r o o v e ；c o u p l i n gf i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d ； f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i i i j 0 l，；0 一 0 ， f b 0 哈尔滨 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 本论文选题的目的和意义1 1 2 国内外刀具技术的现状和发展趋势2 1 2 1 刀具材料2 1 2 2 刀具结构和几何参数3 1 2 3 高速切削技术一4 1 2 4 精密和超精密切削一5 1 3 国内外铣刀片技术的发展概况一5 1 3 1 铣刀片的发展现状5 1 3 2 最新的铣刀片简介一6 1 4 铣刀片铣削机理的研究现状8 1 5 课题的来源及本论文主要研究内容l0 第2 章铣削温度与铣削力的试验研究2 1 2 2 1 试验装置的制备及原理1 2 2 2 测温试验原理1 3 2 3 测力试验原理1 4 2 4 动态数据采集系统15 2 5 铣削试验l5 2 5 1 试验条件1 5 2 5 2 试验结果1 7 2 6 试验结果分析及数据处理1 8 2 6 1 铣削温度试验结果分析及数据处理1 8 2 6 2 铣削力试验结果分析及数据处理2 4 2 7 本章小结2 6 第3 章三维复杂槽型铣刀片温度场有限元分析2 7 3 1 有限元法简介2 7 3 2a n s y s 简介2 8 。| r 0 哈尔滨理工大学工学 3 3 建立铣刀片的有限元模型 3 4 边界条件一 3 4 1 铣刀片边界条件的确定 3 4 2 传热学模型建立 3 5 模型解算及后处理 3 6 本章小结 第4 章三维复杂槽型铣刀片应力场有限 4 1 单元转换 4 2 建立应力场分析的边界条件 4 2 1 位移边界条件 4 2 2 载荷边界条件 4 3 模型解算及后处理。 4 4 本章小结4 5 第5 章三维复杂槽型铣刀片耦合场的数值模拟4 6 5 1 计算热应力4 6 5 1 1 建立有限元模型4 6 5 1 2 边界条件4 7 5 1 3 模型解算及后处理。4 7 5 2 热应力与机械应力的耦合4 8 5 3 耦合场计算结果5 0 5 4 本章小节_ 5 0 第6 章铣刀片耦合场的模糊综合评判5 1 6 1 模糊综合评判概述5 1 6 2 模糊综合评判的基本方法和步骤5 1 6 2 1 基本步骤：5 2 6 2 2 模糊综合评判的方法5 2 6 2 3 评判指标的处理5 4 6 3 铣刀片耦合场的模糊综合评判5 4 6 3 1 平刀面铣刀片耦合场的模糊综合评判5 4 6 3 2 波形刃铣刀片耦合场的模糊综合评判5 6 6 4 评判结果分析5 7 6 5 本章小结5 8 结论5 9 ? 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 参考文献一6 0 攻读学位期间发表的学术论文6 4 致谢6 5 是一个及其重要的因素，刀具的设计水平直接反映出机械加工的水平【3 】。 作为切削刀具之一的铣刀在切削加工中应用极为广泛，合理地选择和设 计铣刀的几何参数及结构是提高铣削性能的主要因素之一。几十年来一贯应用 的平前刀面铣刀片已经不能满足生产需要。近年来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，在生产中表现了良好的切削性能，但多 数是以经验加试验的方法确定槽型，缺乏理论依据。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，借鉴前人的研究成果，开发出两种新的三维槽型 铣刀片，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，在生产中取得了良好效果。 在铣削过程中，共有三个发热区，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀 面与过渡表面的接触区，因此产生铣削热，其中一部分热量传递给铣刀，在铣 刀片上形成了温度场；同时，刀具要克服被加工材料的弹塑性变形，克服与切 屑、工件过渡表面与己加工表面的摩擦力，而形成切削力，而且力的大小和方 向是时刻变化的，这样就在铣刀片上形成了应力场，所以铣削过程中温度场和 应力场是同时存在铣刀片上的。多年来，国内外许多学者对铣削时的温度场和 应力场进行过研究，日本学者臼井英治、白坚高洋等对刀具的三维应力场和温 度场进行过研究，但大都只是针对平前刀面铣刀，哈尔滨理工大学对自主研制 和开发的两种槽型刀具的温度场和应力场进行了较为详尽地研究，建立了三维 槽型铣刀片的温度场数学模型和表面受热密度函数，并且进行了温度场有限元 分析，得到了铣刀片前刀面的温度分布规律1 2 0 l 【2 引，同时，也建立了应力场的数 哈尔滨理t 人学工学硕二e 学位论文 学模型和表面受力密度函数，并且进行了应力场的有限元分析，得到了 削力的分布规律1 3 0 1 1 3 1 1 ，但都是对单一的温度场或单一的应力场进行的研 温度场和应力场的耦合分析未见报道。 本课题将在三维复杂槽型铣刀片的铣削机理研究上迈出新的一步， 助于计算机技术和先进的算法对三维复杂槽型铣刀片铣削过程中的温度 力场进行耦合分析与评判，寻找耦合情况下的等效应力的分布规律和受 情况，为建立综合的物理场量化的数学模型，为槽型优化c a d 系统的 定理论基础。 1 2 国内外刀具技术的现状和发展趋势 靠 1 2 1 刀具材料 1 涂层硬质合金刀具材料。涂层硬质合金刀具材料是在韧性较好的硬质 合金基体上，利用化学气相沉积法或物理气相沉积法在硬质合金基体上涂覆一 薄层耐磨性高的难熔金属化合物。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，在 强度、硬度和耐磨性等方面均有了很大的提高。早期采用的是单涂层技术，常 用的涂层材料有t i c 、t i n 、a 1 2 0 3 。为了获得更为优良的综合性能，涂层技术 正朝着多涂层和复合涂层工艺方面发展【4 儿引。 日本和美国的涂层技术已由2 0 世纪6 0 年代的单涂层技术发展为多涂层技 术、超多涂层技术、复合涂层技术和厚涂层技术，正朝着多元化方面发展。德 国的c u h r i n g 公司于1 9 8 0 年开发了t i c 涂层，1 9 8 9 年开发了t i c n 、t i a l n 涂 层，1 9 9 0 年开发了金刚石涂层，1 9 9 5 年开发了以m n s 2 为涂层材料的软涂层新 工艺。此外，改进涂层材料与比例也可以使得涂层刀具的性能得到极大提高。 2 陶瓷刀具材料。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其化学性能稳 定，摩擦系数低且价格低廉。使用正常时，耐用度很高，切速可比硬质合金提 高2 5 倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速切削加工。 日本研制的陶瓷刀具材料不但广泛应用于机夹可转位车刀，还应用于铣 刀、钻头甚至滚刀。三菱金属公司开发的新型金属陶瓷n x 2 5 2 5 以及山德维克 公司开发的金属陶瓷刀片新品种c t 系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组 织的直径细小到1um 以内，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷材 料，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。此外，美国、德国、英国、瑞士等国家 还生产出了各种适合于高速和干式切削的陶瓷刀片、陶瓷钻头、丝锥、镗刀和 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 铣刀等，可在7 6 0 r m i n 的高速下加工各种有色金属材料，在切速高达3 0 0 r r a i n 时断续切削不锈钢等难加工材料，性能均明显优于涂层硬质合金刀材。 3 聚晶金刚石( p c d ) 和聚晶氮化硼( p c b n ) 刀材。金刚石由于具有极 高的硬度、耐磨性和可磨出极其锋利的刀刃等特点，成为制作高速、精密和超 精密刀具最理想的材料，目前常用的是人工合成的聚晶金刚石和聚晶氮化硼 ( 硬度仅次于金刚石) 。2 0 世纪7 0 年代后期，人们研制出了c b n 复合刀片， 它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上烧结或压制一层厚度约0 5 m m 的 p c b n 而成。进入2 0 世纪8 0 年代后，日、美等工业发达国家竞相研究金刚石 薄膜涂层刀具，成功开发出了采用化学气相沉积法( c v d ) 、物理气相沉积法 ( p v d ) 、等离子化学气相沉积法( p c 、巾) 、离子束沉积等工艺方法在硬质合 金或陶瓷表面生成金刚石薄膜涂层的刀具。经涂层的金刚石薄膜刀具，其寿命 是硬质合金刀具的1 0 1 4 0 倍，不但可用于有色金属及其合金的加工，还可用 于加工玻璃纤维，工程陶瓷和硬质合金等极硬的材料，且c v d 金刚石易于制 造复杂型面刀具，如钻头、立铣刀以及带断屑槽的金刚石刀片。因此，金刚石 薄膜刀具目前成了最热门、最有希望的新一代金刚石刀具。 1 2 2 刀具结构和几何参数 刀具结构和几何参数的改进，是研究开发高效、高精度、高使用寿命刀具 的重要内容。从刀具结构看，可转位结构的刀具己成为刀具结构发展的主流， 并广泛应用于各种转位车刀、镗刀、铣刀及钻头等。转位刀具的结构应在夹紧 定位快速、准确、可靠、刀具精度和刚性高等方面体现优越性。 随着刀具材料的不断改进，刀具几何参数也发生了很大变化。近年来日 本、美国、德国等发达国家开发了各式具有三维断屑槽的硬质合金装配刀片， 刃形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、大容屑槽和高刚性刀体的趋势。钻头由原来的高速钢发展到硬质合金整体 式、装配转位涂层刀片等。钻头在结构和几何参数的改进，集中于刃形、钻尖 角、螺旋角、螺旋槽形状以及特殊冷却方式及采用内冷却孔等方面，主要解决 断屑排屑、加工精度、刃形锋利性、冷却及钻芯高刚性等问题。在复杂成型刀 具方面，日本、瑞典、美国、德国等国都生产出了整体硬质合金滚刀、插齿刀 和螺纹铣刀等。 。 在我国，传统的高速钢和硬质合金刀具在刀具市场上仍然占有很大比重， 对上述刀具的研究虽有一些进展，但沿处在研制阶段。华中科技大学利用计算 手 哈尔滨理t 大 机对钻头三维切削建模研究已取得了 杂槽型铣刀片波形刃铣刀片是适应 生产中表现了优越的切削性能，已部 1 2 3 高速切削技术 2 0 世纪9 0 年代以来，激烈的市场竞争推动以机械制造技术为先导的先进制 造技术以前所未有的速度和广度向前发展。高生产率和高质量是先进制造技术 追求的两大目标。高速切削、精密和超精密切削是当前切削技术的重要发展方 向，已成为切削加工的主流技术【6 儿7 。 高速切削的主要内容包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给 切削等。高速切削是一个相对概念，高速切削技术不只是切削速度的提高，它 的发展主要取决于刀具技术( 包括刀具材料、涂层刀具结构、刀柄和装夹系 统、刃磨和动平衡、检测和监控系统等) 和高速机床技术( 包括电主轴、直线 电机进给系统、数控与伺服系统、轴承及润滑、刀库等) 的进步，而正确选用 刀具与机床经常起着决定性作用。通常认为高速加工时的切削速度比常规切削 速度高5 - - 1 0 倍以上。高速切削时；随着切削速度的提高，切削力减小，切削 温度的增加渐趋缓慢，生产效率和加工质量提高，从而可降低制造成本，缩短 产品开发周期。高速切削大致可使切削力减d 、1 5 - - , 3 0 ，表面质量提高1 2 级，切削速度和进给速度提高1 5 2 0 ，制造成本降低1 0 1 5 。高速切 削现已广泛应用于航空、航天、汽车、摩托车、模具、机床等工业中对钢、铸 铁、有色金属及其合金、高温耐热合金、碳纤维增强塑料等复合材料的加工 中，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。 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，它与传统的磨削加工相比，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，完成型面的精加工，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。 干切削是未来切削加工的发展方向。目前倡导的干切削并不是简单地去掉 原有工艺中的切削液，也不是消极地通过降低切削参数来保证刀具使用寿命， 而需要采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层，设计合理的刀具结构与几何参 。1。1。1。_ 丝堡型丝型丝垡丝堡詈詈一 | ，o | ! ! ! ! ! ! ! ! 一 数，选择最佳切削速度，形成新的工艺条件。干切削是实现清洁高效) j n - - 的新 工艺，是制造技术向高速切削发展总趋势的组成部分，也是随着人类社会进步 和生产力发展而出现的新型切削方式，它的推广应用推动着刀具材料、涂层技 术、机床结构、加工条件和刀具结构技术的不断发展。目前，干切削技术在车 削、镗削和铣削上的应用日益广泛，在钻削、拉削和滚齿方面也有重大突破。 1 2 4 精密和超精密切削 发展尖端技术、国防工业和微电子工业都离不开通过精密和超精密加工制 造的精密零件和产品。通常将加工精度在0 1 1 , u m ，加工表面粗糙度在 r a 0 0 2 - - 0 1 , u m 的j j h q - 称为精密加工；而将) j n - t - 精度高于o 1 , u m ，加工表面粗糙度 小于r a 0 0 1 t m 的加工称为超精密加工。超精密加工可达到纳米( i 蚰) 级水平。该 领域主要包含三个分支：精密和超精密切削加工；精密和超精密磨削加 工；精密电子束和离子束等特种加工。用金刚石刀具实施超精密切削已由过 去只能加工铜、铝及其合金等有色金属，扩展到加工塑料、陶瓷和复合材料。 超精密切削技术是一项系统工程，其实施不仅需要超精密机床设备和刀具，还 要求超稳定的工作环境、超精密测量、用计算机技术进行实时检测和误差补 偿、以及掌握熟练的操作技能等。 1 3 国内外铣刀片技术的发展概况 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 一生产效率、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：( 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 ) 自主开发能力差，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 己丌发设计新槽型，另一部分是消化、仿制、引进刀片新槽型，使之国产化。 哈尔滨理- t 大学t 学硕士学位论文 1 3 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 。，径向前危为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 3 1 2 曲线刃和带三维复杂槽型的铣刀片的应用目前，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，它已问世6 年，这 种刀片用于制造l 【f = 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 ra 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【1 0 l 。 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。 i 3 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铣刀，是c a r b o l o y 公司生产 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h b3 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。 一 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 。这与相当长的时问内成功 。 哈尔滨理工 地用于该公司的2 2 0 1 3 端铣刀系列 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 一- 2 倍； 而刀具寿命是普通铣刀的2 倍。 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 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 r a 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。 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，刀体和刀夹包括大前角和通用的轴向正前角型，用于j j n - v 钢、 铝和其它有色会属。 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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 铣刀片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 减振的研究。在进行铣削机理研究的过程中，许多专家和学者都运用了有限元 方法进行分析，这样有助于对铣削机理的更进一步的认识。有限元法是数值计 算中一个很重要的离散化方法。只对刀片进行有限元分析，经过分析初步得到 切削力和切削热是铣刀磨损和破损的主要原因。 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。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入破损的主要原因。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。 对于铣削力，很多学者自2 0 世纪4 0 年代中期开始就进行了研究，取得了 。很多重要成果。进入9 0 年代，h s k i m 和j h e i k k a l a 等人对铣削力进行了进一 步且较为实用的研究。h s k i m 对面铣过程的静态和动态铣削力进行了模拟。 j h e i k k a l a 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 了面铣刀切削的三向分力数学模型，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。以上的分析和实验均是对平前刀面直刃铣刀片进行的。 在学术上，以色列的r w e r t h e i m ，a s a t r a n 和a b e r 等人研究了螺旋刃和锯 齿形刃铣刀片在铣削加工中的性能，认为曲线刃刀片能够提高加工的稳定性， 降低铣削力并改进切屑的流出方向。美国的b g h a h r a m a n i ，z yw a n g 等人对 铣削过程中的刀具切入方式进行了分析，结果表明：铣削力方向和前刀面的初 始接触位置决定刀具的破损。新加坡的h q z h e n g 等人提出了一个面铣刀铣 哈尔滨理1 = 大学t 学硕1 ：学位论文 削力模型，在该模型中考虑了断续切削时切削温度变化的影响。随着铣刀的发 展，带有三维复杂槽型的铣刀片的广泛应用，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。 随着硬脆刀具材料的广泛应用，铣削中硬质合金等刀片材料的破损严重， 使得人们对铣削热对刀片破损的影响引起了关注。c h a k r v e r t i 、星铁太郎等从 由切削热而产生的热应力及热疲劳的角度，对断续切削时刀具破损的机理进行 了研究，他们发现在断续切削过程中刀具前刀面上出现了龟裂纹，裂纹分别垂 直于主刃和平行于主切削刃。针对难加工材料，南京航空学院的王珉、张幼桢 等人对铣削加工中的刀具温度场进行了计算和实验。他们应用高速钢组织结构 法，对铣削加工时高速钢铣削刀具温度场的分布进行了实验研究，并使用了有 限差分的方法对铣削加工区的三维非稳定温度场进行了计算，在计算中对其边 值条件的确定、差分格式的选用以及解的稳定性等问题进行了讨论。在选用适 当的边界条件后，实验结果与计算结果能够较好的吻合。进入九十年代后他们 利用j c j a e g e r 的平面摩擦热源数学模型的原理，把这一原理运用在断续切削 中，建立了断续切削过程( 断续磨削) 温度场的数学模型。对于温度场的理论 计算，东北大学的高航和宋振武等人在断续磨削温度场方面进行了研究，他们 利用j c j a e g e r 提出的移动热源理论，推导出二维断续磨削温度升高的公式和 间断冷却时的二维温度降低公式以及二维断续磨削温度递推公式，并且和实验 结果吻合的比较好。t k a t o 和h f u j i i 等人在磨削表面的能量分布方面作出大 量的工作，同时他们运用j c j a e g e r 的热源理论和t a k a z a w a 的数值分析结果， 提出了磨削移动热源的理论计算公式。以上他们的这些工作对同样是断续切削 的铣削有着重要的参考价值。断续切削加工技术在整个切削加工领域中占有重 要地位，切削区的温度分布规律与连续切削时的温度分布规律有着显著的区 别，断续切削刀具除了在切削时承受高温，而且在非切削时受到急剧的冷却。 这样就对刀具形成了周期性的热冲击，因而，刀具的失效形式也必然与连续切 削时有所不同。所以，研究断续切削加工中的切削区的瞬间温度分布，成为研 究断续切削时刀具失效机理的一个重要手段。 同时，铣刀片采用三维槽型越来越成为国际发展的主要趋势。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。对于切削温度的理论计 算，早在五十年代，j c j a e g e r 就在这一方面做了大量的工作，他提出了对刀一 屑摩擦热源均匀分布的假设，这一提法对切削温度的理论计算有着重大的意 义，他在这一假设的前提下，运用数理方程和传热学，对切削时剪切面和前刀 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 面的温度进行了理论计算，但也只是针对平前刀面二维切削状态。华南理工大 学的周泽华教授在刀屑接触区的温度计算和分布方面也做了大量的工作，他 提出了不同于j c j a e g e r 的分析，他认为，刀屑摩擦面上的摩擦热源强度分布 在大多数情况下是不均匀的，而这对摩擦温度影响很大，他推导了刀屑摩擦 面温度分布的计算公式和平均温度的分布公式，但是，他的这些工作只是基于 平前刀面和在二维切削状态时的情况，给出的公