（机械设计及理论专业论文）基于ca的铣刀片应力场及综合物理场研究.pdf

哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 基于c a 的铣刀片应力场及综合物理场研究 摘要 现代制造业正向柔性制造系统、集成制造系统、敏捷制造、虚拟制造和并 行工程方向上发展，要实现理想的先进制造过程，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铣刀片势 在必行。本论文以铣削试验为基础，运用元胞自动机自组织理论，对自主研发 的三维槽型铣刀波形刃铣刀片的应力场、温度场以及热力耦合物理场进行了 较为系统的理论分析，模拟了切削过程中刀片各点的应力、温度及热力耦合后 应力分布，并进行可视化显示，为后续刀片自组织动态设计奠定了基础。 论文研究的内容如下： 1 对铣刀片进行了铣削力和铣削温度试验，利用动态数据采集系统同时 测得铣削过程中的铣削力和铣削温度，并对实验数据进行分析，为元胞自动机 模型的建立提供试验数据。 2 结合铣削力数学模型，基于局部作用原理，借用有限元离散和插值技 术，引入元胞自动机的演化思路，建立了铣刀片应力场c a 模型。 3 利用传热学理论、切削理论建立了铣刀片温度传递模型；依据傅立叶 导热定律、差分原理，推导了基于元胞自动机理论的铣刀片温度场计算模型。 4 结合温度场的分析结果，对铣削过程中交变温度引起的热应力进行了 数值模拟，并把热应力与机械应力耦合，得到了铣刀片的热力耦合物理场模 型。 5 用m a t l a b 进行编程，完成了基于元胞自动机理论的铣刀片应力场、温 度场及综合物理场模型的程序实现及可视化图形显示，并把c a 法得到的应力 场与有限元法计算结果进行比较，把c a 法得到的温度场结果对照试验采集到 的温度值，结果能够达到期望的精度；运用元胞自动机理论对铣刀片应力场、 温度场及热力耦合物理场进行了分析研究。 关键词元胞自动机；铣刀片；应力场；温度场：热力耦合物理场 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns t r e s sf i e l da n dc o u p l e dp h y s i c a lf i e l d o f m i l l i n g i n s e r tb a s e do nc e l l u l a ra u t o m a t a 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 ma n d c e q u a l i t yo f t o o li so n eo ft h ed e c i s i v ef a c t o r si 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 fn u m e r i c a lc o n t r o lw o r k sw a l l t r a d i t i o n a lf l a t r 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 l lr e q u i r e m e n tg r a d u a l l y i ti sn e c e s s a r y t h a tan 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 gt e m p e r a t u r ei s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h i st h e s i ss i m u l a t e dt h e3 dm i l l i n gi n s e r ts t r e s sf i e l d , t e m p e r a t u r ef i e l da n dm e c h a n i c a l t h e r m a lf i e l d , b a s e do nt h em i l l i n gt e s t , a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo fs e l f - o r g a n i z a t i o nc e l l u l a ra u t o m a t a , a n dv i s u a l i z e dt h er e s u l t so f s t r e s s ，t e m p e r a t u r ea n dp h y s i c sf i e l dd a t a i tw a st h ef o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n g d y n a m i cs e l f - o r g a n i z a t i o nd e s i g nf o rm i n i n gi n s e r t t h ec o n t e n to ft h et h e s i si ss h o wa sb e l o w ： 1 e x p e r i m e n 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 e w 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 l a tr a k ef a c em i l l i n gi n s e r tw e 犯 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 ，a n dt h e na n a l y z eh o wt h e s e p a r a m e t e r sa f f e c to nm i l l i n gf o r c ea n dt e m p e r a t u r e , w h i c hp r o v i d e dt e m p e r a t u r e d a t a f o rc am o d e l 2 c o m b i n i n gm o d e lo fm i l l i n gf o r c e ，b a s e d o np r i n c i p l eo fl o c a la c t i o n , i n d u c t i n gt h ed i s c r e t et e c h n i q u e so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ei d e ao fc e l l u l a r a u t o m a t a , e s t a b l i s h e dt h ec a m o d e lo fs t r e s sf i e l do fm i l l i n gi n s e r t 3 e s t a b l i s h e dt e m p e r a t u r et r a n s f e rm o d e lo fm i l l i n gi n s e r tu t i l i z i n gh e a tt r a n s f e r t h e o r ya n dc u t t i n gt h e o r y ；a c c o r d i n gt ot h ef o u r i e r sh e a tt r a n s f e rc o n d u c t i o na n dt h e d i f f e r e n c et h e o r y , t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fm i l l i n gi n s e r tb a s e dc aa l g o r i t h mw a s d e d u c e d 4 c o m b i n i n gm e r e s u l to ft e m p e r a t u r ef i e l d ，g o tt h e r m a ls t r e s so r i g i n a t e df r o m t h ec h a n g e dt e m p e r a t u r e e q u i v a l e n ts 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 y 嗽 o fm u l t i - f i e l dc o u p l ef u n c t i o n , o b t a i n e dd i s t r i b u t i n gr e g n l 耐t yo fm e c h a n i c a l - t h e r m a l - 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 c o u p l e dp h y s i c a lf i e l d 5 t h ep r o g r a mo fs t r e s sf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dc o u p l e dp h y s i c a lf i e l do f t h em i l l i n gi n s e r tb a s e do l lc e l l u l a ra u t o m a t aw a sc o m p l e t e du s i n gm a t l a b ，a n dt h e n t h et e x td a t ao fr e s u l t sw e r ed i s p l a y e dv i s u a l l yw i t ho r i g i ns o f t w a r e a tl a s t c o m p a r e dt h er e s u l to fs t r e s sf i e l db a s e do nc a w i t hf e m ，a n dc o m p a r e dt h er e s u l t o ft e m p e r a t u r ef i e l db a s e d0 1 1c aw i t he x p e r i m e n td a t a , t h er e s u l t sc a nn m 斌t h e e x p e c t e dp r e c i s i o n , w h i c hp r o v e dt h a tr e s e a r c hs t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do f m i l l i n g i n s e r t u s i n g c aa l g o r i t h mi s p r a c t i c a b l e ；a n a l y s e d t h es t r e s sf i e l d , t e m p e r a t u r ef i e l da n dc o u p l e dp h y s i c a lf i e l do ft h em i l l i n gi n s e r tb a s e do nt h et h e o r y o fc e l l u l a ra u t o m a t a k e y w o r d sc e l l u l a ra u t o m a t a , m i l l i n gi n s e r t , s t r e s sf i e l d , t e m p e r a t u r ef i e l d , t h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l e dp h y s i l c a lf i e l d i l i 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基于c a 的铣刀片应力场及 综合物理场研究，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：奎贤捆同期：芦一7 年中月矿同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c a 的铣刀片应力场及综合物理场研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期i b j 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 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：叁嗳相同期：p 。宁年牛月亨同 导师签名： 日p 9 7 年 同 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第1 章绪论 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。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，开创了高速切削等新工艺，全面提高了加工效率口1 。 高速切削作为一种新的切削工艺显示出独特的优越性。切削效率有显著的 提高，加工铝合金缸盖的p c d 面铣刀，铣削速度已达4 0 2 1 n g m i n , 进给速度 5 6 7 0 r a m m i r a 精加工灰铸铁缸体的c b n 面铣刀，铣削速度已达2 0 0 0 m r a i n ，比 传统的硬质合金面铣刀提高了1 倍。高速切削还有利于提高产品质量、降低制 造成本、缩短交货周期。此外，在高速切削技术的基础上，开发了干切i i ( 准 干切削、微量润滑切i i ) 、硬切削( 以车代磨、以铣代磨) 等新工艺，不仅提高了 加工效率，改变了传统不同切削加工的界限，而且开创了切削加工“绿色制 造的新时代。硬切削技术已成为汽车齿轮内孔精加工、淬硬模具加工实用的 高效新工艺。 其次，刀具材料和涂层技术方面的研究进展迅速扭劓。 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 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 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n 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 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、纳米结构的涂层幅1 。最新的 a 1 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 ( 2 ，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。 最后，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 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阻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口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哺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 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 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 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，使之国产化饽1 。 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，用项刃前角为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 ，主偏角丘= 4 5 。，轴向前角为3 0 。径向前角为一2 。，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 t 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 种刀片用于制造岛= 4 5 。和9 0 。的面铣刀，机床功率消耗可减少2 0 ，工作温 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 度降低2 0 4 。i s c a r 公司的h d 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。 我国也有三维复杂槽型铣刀片，本课题实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发的，并应用于生产实践，取得了较 好的效果。 1 2 2 铣刀片的发展现状最新铣刀片简介 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f i 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。 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+ l 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n 。 i s c a r 公司的b r a d l o 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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 d 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 2 1 3 1 。 k y o c c 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 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n 劓。 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 引 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 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 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，提高刀具质量引。 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n 力。 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 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n 引。 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 m 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。本文提出的采用元胞自动机自 组织理论来研究刀具，利用力学、传热学、元胞自动机理论，推导基于元胞自 动机的铣刀片应力场及综合物理场算法，这是一种新的研究方法，此方法尚处 于初级阶段，发展潜力巨大，在这方面的研究还有待于进一步深入。 1 4 元胞自动机方法简介及其应用 在铣刀片的三维复杂槽型设计中存在的瓶颈是各种分析结果不能直接有效 地驱动槽型重构。自组织是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复 杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程训；元 胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ，简称c a ) 是研究自组织过程的有效工具，在揭示 哈尔滨理工大学- t 学硕士学位论文 复杂系统的演化规律等方面有独到之处。 元胞自动机起源于2 0 世纪4 0 年代，“现代计算机之父 冯诺依曼设计可 自我复制的自动机时，参照了生物学的自繁殖原理，提出了元胞自动机的概念 和模型，近年来普遍认为c a 是分析复杂系统的有效方法。c a 是一种时空离 散化的数学模型，可用于描述有局部相互作用的系统所能表现出的复杂的整体 行为及其演变。目前，常用的c a 是将元胞( c e l l ) 的状态用标量表示，并按一定 规则演化，最后达到一种稳定的自组织状态陋捌。可将元胞自动机的基本特性 归纳如下： ( 1 ) 由称为元胞的很多离散的格点组成( 1 ，2 ，3 维) 系统； ( 2 ) 各元胞用离散或连续值的参数来描述其状态； ( 3 ) 各元胞仅与空间中的局部邻域相联系，所考虑元胞的现状态取决于它的 邻居，与邻域外的任何信息无关； ( 4 ) 元胞的状态按某种确定的规律( 即元胞的特性) 变化。 元胞自动机算法不断发展，目前已成为世界上被广泛关注的算法之一，它 在近几十年来，经过不断的发展和完善，已成为一种有作广阔应用前景的算法 思想。它的出现使得很多应用传统的算法解决起来相当困难或根本无法解决的 问题，得以妥善的解决。c a 算法是一种全新的计算机算法，它以系统单元化 思想作为应用基础，同时将系统进化的客观规律融入了算法中，具有传统算法 所无法比拟的特点和优势，具有极好的泛用性和稳定性。国外的研究目前正处 于不断的探索阶段，算法本身也还不够完善。元胞自动机法继承了有限元法的 很多优点乜劓，如也是将连续体离散为有限个单元，所不同的是，它将结构的整 体分析变成局部分析，运用一些基本的物理原理，通过自组织建立局部的相邻 元胞间的相互作用规则( 迁移规则) ，对于一些复杂的非稳定或非均衡系统能够 给出其适当的模型表达。而且作为典型的自组织方法和工具，被广泛地应用于 复杂现象的解析和形态、模式形成等领域。 元胞自动机主要应用在计算机图形学、生物学、复杂的社会经济现象如城 市发展模拟与预测、热扩散、并行计算等领域。例如，在生物学中，可以用元 胞自动机模拟艾滋病病毒的h i v 感染过程、自组织、自复制等生命现象的研 究和最新的克隆技术的研究；在物理学中，可用元胞自动机来处理热力学系 统、流体力学中的n a v i e r - s t o k e s 方程以及随机扩散、结晶过程等等。在计算机 科学中，由于元胞自动机的并行处理能力，被用做高度并行的乘法器、分类器 等。在医学上，可用元胞自动机模拟癌细胞的生长和扩散现象，药物在人体组 织细胞中的渗透、扩散过程，从中可以得到有用的信息来确定药物的用量和用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 法，以及更好地控制病情的发展。元胞自动机也可以用来模拟社会人群，由此 来预测人们的心理状态，从中掌握情况，以便更好地把握社会群体的心态昭引。 目前已有元胞自动机在三维实体和曲面重构中的初步应用，显示了元胞自 动机的独特优势乜眈7 1 。王安麟教授等人根据元胞自动机的模型和过程，设计了 c a 在结构拓扑形态设计中的应用步骤，用力学规则和神经网络方法进行归 纳、整理、分类和学习，得到了进化规则，进行自下而上自动创成结构形态， 实现了多种方法融合的元胞自动机的设计方法汹1 ，在平面微小结构设计方面提 出了基于元胞自动机的热力耦合解析模型啪1 。李才伟创建了多元随机元胞自动 机，用于模拟自然界广泛存在的各种自组织现象。建立了若干自组织行为的元 胞自动机模型，并用自主编制的p cw i n d o w s 环境下的通用元胞自动机程序， 模拟了b z 振荡反应、定向压力下结晶条带形成、三分子化学反应等自组织过 程啪1 。t a t t i n gb r i a n 等人应用元胞自动机原理在结构应变、应力问题中已有一 定的研究抽卜矧，并取得了良好成果，s h i n n o s u k c 等人也将c a 理论应用到温度 场的空间波动分析帆矧。哈尔滨理工大学谭光宇教授等人利用基于自组织特征 映射人工神经网络( s o m ) 进行点云数据分割，并对该自组织学习算法进行了改 进，引入。准聚类中心一和“加权输入向量，重构含有自由曲面的复杂型面 a 6 1 ，并对槽型铣刀片二维温度场进行了初步的研究口7 蚓。 元胞自动机已经成为研究非均匀动态系统和非线性复杂系统的一种有效工 具，在很多领域都得到了应用。迄今为止尚未有元胞自动机应用于刀具应力场 及综合物理场分析的公开报道，因而本课题的研究是一个新的尝试。模拟元胞 自动机自组织的动力学行为，以期解决三维复杂槽型铣刀片新槽型的动态设计 和优化设计难题，设计开发抗粘结破损、抗冲击破损的铣刀片，为基于元胞自 动机的三维复杂槽型可转位铣刀片设计提供理论和方法。 1 5 论文的选题目的和意义 现代制造业已走向了高效率、高精度、高可靠性及专业化的发展道路m 1 。 各个企业已纷纷向数控机床，柔性制造系统，以及c i m s 方向上发展，以提高 生产效率，缩短生产周期，提高质量，降低成本1 。机械加工的质量与效率如 何，加工的复杂性与精密程度，刀具的质量是一个极其重要的因素，刀具的设 计水平直接反映出机械的加工水平。 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 哈尔滨理t 大学- t 学硕士学位论文 所能完成的工作比任何一种刀具都要多得多n 。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。而我国目前生产的三维复杂槽型铣刀片是靠经验加 实验定型，缺乏理论依据，在品种、质量和材料等方面和国外相差较大。国内 生产的硬质合金刀片远远不能满足生产需求，每年要大量进口带有槽型的铣刀 片。我国已成为第三大刀具市场，日本、德国和美国等国的刀具制造商正在大 举抢占中国市场，我国刀具行业面临巨大挑战1 。为适应发展需要，加快刀具 科研水平，缩短与国外先进刀具行业的差距，设计开发我们自己的三维复杂槽 型铣刀片刻不容缓。 本项目针对我国三维槽型可转位刀片主要依赖进口，自主设计开发靠经验 定型的状况，结合当前比较前沿的元胞自动机自组织理论，把元胞自动机的自 组织方法与传统的槽型设计方法有机地结合在一起，进行基于切屑折断判据驱 动的车刀片、基于粘结破损判据和冲击破损判据驱动的铣刀片的三维复杂槽型 动态设计，建立基于元胞自动机自组织理论的三维复杂槽型动态设计理论和方 法，优化槽型，以加快刀片产品的设计速度，提高设计精度及可靠性。对于提 高刀具的使用寿命，促进机械制造自动化，提高先进制造设备的使用效率都将 起到重要作用，具有十分重要的理论意义和实际价值。项目成果的市场前景广 阔，必将带来可观的经济效益和社会效益。 1 6 论文来源及主要研究内容 本文来源于国家自然科学基金项目“三维复杂槽型车铣刀片自组织动态设 计的研究一( 5 0 5 7 5 0 6 2 ) 和教育部高等学校博士学科点专项科研基金“基于自组 织迁移机制直接驱动的刀片三维复杂槽型重构技术研究一( 2 0 0 6 0 2 1 4 0 0 2 ) 。 本文主要从提高三维槽型铣刀片的切削性能和可靠性出发，以铣削实验为 基础，以元胞自动机自组织理论为依据，按力学、传热学以及金属切削理论， 建立基于元胞自动机算法下的槽型铣刀片应力场及综合物理场的仿真分析，模 拟整个切削过程中铣刀片各点的应力分布，以得到的刀具破损判据，判断槽型 的优劣，为后续刀片自组织动态设计奠定基础。主要研究内容如下： 1 进行铣刀片铣削力和铣削温度实验，利用改进后的试验方法对铣刀片 进行力和热的同时采集，达到在相同条件下同时采集力、温度数据，使得结果 更加准确合乎实际。为基于元胞自动机理论的铣刀片应力场及综合物理场算法 研究提供了初始条件。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 在试验数据前提下，结合铣削力数学模型，利用力学原理建立铣刀片 应力场c a 模型，推导了基于元胞自动机理论的铣刀片应力场算法的局部规 则，进而建立起了整个铣刀片应力场计算模型。 3 利用传热学理论、切削理论建立了铣刀片温度传递模型：依据傅立叶 导热定律、差分原理，推导了基于元胞自动机理论的铣刀片温度场计算模型。 4 结合温度场的分析结果，建立了铣刀片热力耦合模型及算法，把热应 力与机械应力耦合，得到了铣刀片综合物理场。 5 对c a 算法用m a t l a b 编程，分析铣刀片应力场及综合物理场模型，实 现了算法的程序设计，并把应力场计算结果与有限元分析软件a n s y s 仿真结 果进行比较，把温度场计算结果对照试验采集到的温度值，检验c a 对铣刀片 应力场及综合物理问题分析的可行性和精度。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章铣削力与铣削温度试验研究 铣刀在切削加工过程中，由于剪切面、刀具前刀面与工件的剧烈摩擦、后 刀面与过渡表面及已加工表面的摩擦，产生了大量的切削热，其中一部分热量 又传给了刀具。这样，在切入过程中，铣刀温度会逐渐升高，而切出过程中不 断下降，因此在刀片上形成了非稳态温度场；与时同时，刀具要克服被加工材 料的弹塑性变形，克服切屑与前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加 工表面之间的摩擦力，而形成切削力，大小和方向不断变化的铣削力在刀片上 形成了一个交变应力场。铣刀片就是在上述温度场和应力场的综合作用下失效 的。因此对铣刀片的物理场的研究，就是要综合考虑温度场和应力场对铣刀片 切削性能的影响。 在这一章里，将从试验的角度研究三维复杂槽型铣刀片铣削温度和铣削力 随时间的变化规律。为了研究温度场和应力场的耦合情况，设计试验，利用动 态数据采集系统同时测出铣削温度和铣削力，从而能够使用同一时刻测得的温 度值和应力值进行耦合场的分析与计算。 2 1 铣削力与铣削温度测量系统 2 1 1 铣削测量系统 试验在x 5 0 3 0 a 立式升降台铣床上进行，铣削力与铣削温度数据采集系统 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) 、m 阻 2 1 4 型应变仪、数模转换板( a m 卡_ ) 、带电缆和插头的连接器等组成。 测力仪测量铣削力的同时，采用人工热电偶测量铣削温度m 1 。铣削温度信 号、三向铣削力信号分别占据a d 卡的四个通道，通过a d 转换和动态数据 采集与处理系统对铣削力与铣削温度同时进行数据采集。这样，就实现了对铣 削力与铣削温度的同时采集。 2 1 2 铣削力试验原理 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 哈尔滨理_ 大学工学硕士学位论文 图2 1 试验装置原理图 f i g 2 1p r i n c i p l ef i g u r eo f e x p e r i m e n te q u i p m e n t 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 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( o - 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眦蚓。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。 试验使用了s g l 6 4 1 a 型函数信号发生器、连接器、和p c 1 2 1 6 k 系列1 2 位a d 板，d 的增益是1 0 。考虑到a d 板的输入电压范围和为了保证采集 的图形不出现失真现象( 削顶、削底及图形不能完整显示出来等) ，要调试选择 信号发生器衰减，以避免电阻式应变片发生形变很大，以及待测量电压超出数 据采集卡输入电压量程，可能会烧毁数据采集卡。 本铣削力测试系统可测得铣削力的瞬时值，灵敏度高，抗干扰性好，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。 2 1 3 铣削温度试验原理 切削温度的测量是切削实验中的重要技术，常用的切削温度的测量方法主 要有热电偶法、光