（机械制造及其自动化专业论文）高速刀具刃口刃形重构技术的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高速刀具刃口刃形重构技术的研究 摘要 高速刀具是高速切削加工技术的重要组成部分 刀具刃口刃形对高速切 削过程有重要的影响 特别是在金属去除量较小的情况下 刀具刃口刃形在 一定程度上决定着切屑的形成及切削过程的热一力分布状态 同时 近年来 随着社会需要和科学技术的发展 产品批量小 更新换代频繁 能快速准确 的设计制造具有合理刃口刃形的刀具成为人们的关注点 本文以已有的高速 刀具刃口刃形及曲线重构理论为基础 对高速刀具刃口刃形重构技术进行研 究 在高速刀具刃口刃形对切削过程影响的基础上 对高速刀具刃口刃形结 构特征深入分析 并对刀具刃口刃形进行特征提取 提出高速刀具刃口刃形的重构方法 利用p o s 光学三维密集点云测量 系统获取刀具的点数据 并采用离散化的思想 获得刀片刃形曲线上的特征 点 分析了刃形曲线的参数连续性 几何连续性以及刃形曲线的最小二乘拟 合理论 在分析高速刀具刃口刃形结构特征及重构方法的基础上 完成了自由曲 线刃车刀片的重构 对刀片进行离散化处理 并通过对其进行热 力耦合分 析得出刃口刃形对切削过程的影响 综合考虑各点的热 力情况 以及特征 点满足刃形曲线重构的要求 进行刀片刃形特征点曲率的优选 采用c u b i c 函数完成刃形曲线的重构 经特征操作得到自由曲线刃车刀片 对重构刀 片 再进行热 力耦合的有限元法进行分析验证 并对仿真及重构结果进行 讨论分析 最后借助于高性能的数控机床 先进的测试仪器 采用不同曲率的车刀 片进行切削铝合金实验研究 测量切削温度 验证有限元仿真 分析实际切 削过程中高速刀具刃口刃形及切削条件对高速切削过程中切削温度的影响规 律 研究结果表明 参与切削的切削刃曲率直接影响切削层参数和热 力耦 合场分布状态 重构的曲线刃刀片有效改善了车削高强度铝合金加工中的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 热 力耦合场分布 切削变形区最大等效应力以及切削温度分别下降了约 1 6 5 实验验证了高速切削铝合金的有限元仿真结果 关键词高速刀具 刃口刃形 重构技术 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so fh i g h s p e e dc u t t e r se d g e a b s t r a c t h i g h s p e e dc u t t i n gt o o l sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nh i g h s p e e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g y c u t t i n ge d g eh a si m p o r t a n te f f e c t so nt h eh i g h s p e e dc u t t i n g p r o c e s s e s p e c i a l l yw h e nm e t a lr e m o v a lc i r c u m s t a n c e sa r es m a l l c u t t i n ge d g e d e c i d e st h ec h i pf o r m a t i o na n dt h et h e r m a l s t r e s sd i s t r i b u t i o no fc u t t i n gp r o c e s s t os o m ee x t e n t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h es o c i a ln e e d s d e v e l o p m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y a n dp r o d u c t sh a v i n gs m a l lq u a n t i t i e sa n df r e q u e n tr e p l a c e m e n t i tb e c o m e st h ep e o p l e sc o n c e r nt od e s i g na n dm a n u f a c t u r et o o l sw i t hr e a s o n a b l e c u r i n ge d g e f a s ta n da c c u r a t e l y i nt h i sp a p e r r e s e a r c h e so nr e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e so fh i g hs p e e dc u r e r se d g ea r ec o m p l e t e db a s e do nt h ee x i s t i n gt h e o r y o fh i g h s p e e dc u r e r se d g ea n dc u r v er e c o n s t r u c t i o n o nt h eb a s i so ft h ei m p a c to fh i g h s p e e dc u t t e r se d g eo nc u r i n gp r o c e s s t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e dc u r e r se d g ea r e a n a l y z e da n d f e a t u r e so fc u t t i n ge d g ea r ee x t r a c t e d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dar e c o n s t r u c t i o nm e t h o do fh i g h s p e e dc u t t i n ge d g e i ti n c l u d e st h a tu s i n gp o so p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a lp o i n tc l o u dm e a s u r i n g s y s t e mt oa c q u i r ei n s e r t s p o i n t sa n du s i n gt h ed i s c r e t ei d e at oa c q u i r ef e a t u r e p o i n t so ft h ec u r i n ge d g e t h e n p a r a m e t r i ca n dg e o m e t r i cc o n t i n u i t yo fc u t t i n g e d g ea n dl e a s t s q u a r ef i t t i n gt h e o r ya r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r a tl a s t b ym e a n so fh i g h p e r f o r m a n c ec n cm a c h i n et o o l sa n da d v a n c e d t e s ti n s t r u m e n t s t u r n i n gi n s e r t sw i t hd i f f e r e n tc u r v a t u r ea r eu s e dt oc a r r yo u t e x p e r i m e n t a ls t u d y o fc u r i n ga l u m i n u m a l l o y s oa st om e a s u r ec u t t i n g t e m p e r a t u r e v m f ys i m u l a t i o na n da n a l y z et h ee f f e c t sl a wo fh i g h s p e e dc u t t e r s e d g ea n dc u r i n gc o n d i t i o n so nt h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei nt h eh i g h s p e e dc u t t i n g p r o c e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tc u r v a t u r eo fe d g ei n v o l v e di nt h ec u t t i n gp r o c e s sh a s d i r e c ti m p a c to nc u r i n gl a y e rp a r a m e t e r sa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e r m a l s t r e s s r i 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 t h er e s u l t ss h o wt h a tc u r v a t u r eo fe d g ei n v o l v e di nt h ec u t t i n gp r o c e s sh a s d i r e c ti m p a c to nc u t t i n gl a y e rp a r a m e t e r sa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e r m a l s t r e s s t h er e c o n s t r u c t e di n s e r t sw i t hc u r v ee d g ee f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ed i s t r i b u t i o no f t h e r m a l s t r e s si nt h ep r o c e s so fc u t t i n gh i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y t h el a r g e s t e q u i v a l e n ts t r e s sa n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ei nd e f o r m a t i o nz o n ed e c r e a s eb ya b o u t 16 5 a n de x p e r i m e n t sv e r i f yt h el a wo fh i g h s p e e dc u t t i n ga l u m i n u m a l l o ya n dt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n k e y w o r d sh i g h s p e e dc u t t i n gt o o l c u t t i n ge d g e r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s i v 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 高速刀具刃口刃形重构技术的研 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己发表或撰写过 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 作者签名剩秘舢同期 川年弓月f 7 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高速刀具刃口刃形重构技术的研究 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 口在年解密后适用授权书 不保密西 请在以上相应方框内打4 作者签名 雩厶黼f 1 期 知7 年弓月j 罗同 导师签名 j 蹶垆3 月步 哈尔滨理工大学工学硕 学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 刀具是制造工业非常重要的技术工具 刀具的性能和品质的优劣对于切削 加工的精度 效率和产品质量都有直接而严重的影响 在高速切削过程中 刀 具切削刃形状对加工质量有很大影响 特别是在金属去除量较小的情况下 刀 具刃口刃形在一定程度上决定着切屑的形成过程 近年来 随着对高速切削加 工精度要求的不断提高 高速微切削加工受到广泛重视 高速微切削加工中 首先是刀具刃口 或是刃尖 或是刃线 接触工件 刃口和工件构成一对矛盾 副 刀具参与切削部分主要集中在刃口及其临近区域内 刃口及其邻区的物理 性能 机械强度 几何参数和高速刀具刃形对加工质量将起到至关重要的作 用 高速切削加工实践证实 当进给量和背吃刀量与切削刃刃口钝圆半径之比 小到一定程度时 随着进给量和背吃刀量的逐渐减小 刀一工接触面积逐渐增 大 刀具与工件之间的挤压和摩擦在金属各种变形过程中占较重要的地位 此 时 在各切削分力中 背向力所占比重最大 刀具刃口对此比值的影响较大 刃口钝圆半径越大 切削层厚度越薄 这个比值就越大 同一般切削过程的差 异也越大 另外 在微量切削时 表面层的冷硬程度和残余应力的性质及其大 小同刃口钝圆半径的数值有很大关系 后者直接影响切削合力的数值和方向 因此 对高速微切削加工使用刀具刃口刃形的研究 已成为高速切削加工中逐 渐受到关注的关键问题之一 在高速切削中 与未涂层的硬质合金刀具相比 涂层硬质合金刀具可以成 倍地提高刀具使用寿命 涂层硬质合金刀具可提高切削速度2 0 3 0 1 1 目 前 对刀具切削刃形也有一定的研究 尤其是对球头刀的刃形的研究 其中包 括球头刀平面形刃 螺旋形刃口曲线 s 形刃等 平面刃形的成形原理与几何 模型较为成熟 螺旋形刃口曲线设计理论则存在一定的缺陷 同时 铝合金以 其优良的切削性能在金属行业中占着非常重要的地位 目前对切削铝合金的研 究大部分都着重于铝合金加工时的切削条件 切削力 加工质量或刀具使用寿 命上 但刀具的刃口刃形设计对刀具使用寿命 加工质量的影响相当大 这方 面的研究较为缺乏 因此 本文采用硬质合金外圆车刀对铝合金进行车削加 工 在介绍各种刃口刃形特性的基础上 进行切削实验 比较不同曲率半径刀 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 片对高速切削过程的影响 探索在刀具设计及开发时选择最佳的刃口刃形及其 组合 随着社会需要和科学技术的发展 产品批量小 更新换代频繁 能快速准 确的设计制造合理刃口刃形的刀具成为人们的关注点 这要求设计者能根据市 场的要求快速设计出刀具新产品 进行必要的切削性能测试 征求用户意见 进行个性化设计 而传统的高速刀具开发方式逐渐难以满足这种要求 重构技 术则以其独特的优势在高速刀具开发中发挥越来越大的作用 一 重构技术研究领域近年来取得了迅速的发展 其体系结构由离散数据获 取 数据预处理与曲线 曲面重构几部分组成 曲线 曲面重构的目的在于寻 找某种数学描述形式 精确 简洁地描述一个给定物理模型的形状 并以此为 依据对模型本身进行分析 计算 修改和绘制 结合曲线 曲面重构技术 进行高速刀具刃口刃形重构研究 采用刀具刃 口刃形特征识别方法 获得高速刀具刃口刃形对高速切削加工过程影响规律 对开发具有自主知识产权的高速刀具产品具有重要现实意义 1 2 高速刀具刃口刃形的研究现状 迄今为止 国内外在高速切削加工机理研究方面 主要集中在工件材料的 性能和切削速度等高速切削条件对加工质量的研究方面 有关高速微切削加工 过程中刀具刃口刃形对加工过程的影响研究较少 近年来 在刀具刃口刃形研究方面 i s c a r 公司和日本三菱公司推出的多 功能刀片 具有空间切削刃和曲面前刀面 切削力小 刃口强度高 抗磨损能 力强 成为国外高速加工切削刀具刃口刃形结构的代表 目前 国内刀具刃口刃形研究主要集中在精加工和超精密切削加工领域 1 刃口的研究刃口钝圆半径是表征刃口的主要参数 普通切削加工时切 削厚度和进给量较大 切削刃钝圆半径远远小于切削厚度和进给量 可以不考 虑切削刃钝圆的切削作用 这时的切削过程主要受工件材料本身晶体结构 位 错等缺陷的密度及其分布规律的影响 此时刀具切削刃的锋利性对切削过程及 表面质量的影响不是很明显 5 1 而在高速微切削加工时切削厚度和进给量很小 这时切削刃钝圆起切削作用 切削刃刃口钝圆半径将明显影响切削变形 已加 工表面粗糙度和波纹度 尤其是当切削厚度小到与刀具刃口钝圆半径为同一数 量级时 这种影响就更为突出 切削过程伴随着强烈的挤压摩擦 其切削机理 不同于大切削厚度时的常规切削 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 除了刃口半径以外 主截面内刃口形状也是刃口的特征之一 李荀儒 6 l 给 出了锐刃 倒棱刃 消振棱刃 圆刃几种刃口形状 在设计和选用时 可根据 具体情况选用一种或某几种的组合 在对刃口的研究中 哈尔滨工业大学吴永孝论述了在超精机械加工中 刃 白半径在微量切削中的作用和刃口半径对加工过程的影响等问题 7 1 通过讨论 有助于掌握微量切削的实质 加速超精机械加工的发展 作者认为 可以用刃 口钝圆半径较大的刀具切削其背吃刀量较刃口半径小的零件 为微量切削的应 用开辟了新的途 杨军 吴能章采用微分几何的曲率分析方法 建立了斜角切削时刀具刃口 的曲率半径在法剖面 主剖面与流屑平面内的表达式 讨论了实际刃口钝圆半 径与刃倾角的关系 分析了曲率半径随刃倾角的变化趋势 并通过实例验证了刃 口钝圆半径与刃倾角的关系1 引 结果可供刀具设计参考 大连理工大学 北京理工大学等分别在超硬刀具刃口设计 刀具刃口钝化 技术 刀具刃口加工工艺 刀具刃口轮廓检测等方面进行了研究 在难加工材 料的精加工和超精加工领域内取得了较大进展 9 j 2 刃形的研究刃形也是刀具合理几何参数的基本内容之一 刀具刃形的 种类较多 如普通外圆车刀的主切削刃 常见的有直线刃 圆弧刃 折线形 磨有过渡刃 前刀面波形和后刀面波形等 不同的刀刃形状 在切削中各 有其功能 例如 磨出过渡刃可以提高刀具的使用寿命 圆弧刃可以提高刀具 使用寿命和改善加工表面质量 波形刃可以提高刀具抗振性 改变切屑形态等 左占 守 由于刃形的变化 将带来切削刃各点切削角度的变化 而且刃形直接影响 切削层的形状 影响切削图形的合理性 生产实践和实验研究表明 刃形直接 影响切削刃各段的分工与配合 影响切削刃各点的切削条件 影响分屑 断屑 效果 影响加工表面形成过程和加工质量 l o j 哈尔滨理工大学李振加在研究铣削机理和试验研究的基础上 开发了一种 新型三维槽型铣刀片 波形刃铣刀片 并在直线刃铣刀片 含大前角铣刀片 铣削力模型的基础上 建立了波形刃铣刀片铣削力模型 l 湖南大学易德明 廖钢等在分析球头立铣刀刃磨方法的基础土 建立了 s 形刃球头立铣刀前 后刀面以及切削刃的数学模型1 12 1 模型的建立对 s 形刃球头立铣刀几何参数的分析及优化 切削机理的研究 刃磨参数的 选择以及刃磨装置的设计都将具有理论意义 这对加快 s 形刃球头立铣刀 的国产化制造具有实用价值 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 上述研究成果为进行高速微切削加工过程中刀具刃口刃形的研究奠定了基 础 1 3 曲线曲面重构技术的研究与应用 1 3 1 数据获取及预处理 重构是通过大量的测量数据点来重构实物模型 它是实现逆向工程的重要 环节 通过建模可以将离散的测量数据重构出实物模型 它主要包括曲线 曲 面的重构 曲线 曲面重构技术主要包括点云数据的获取 处理及曲面重构方法等 数据的获取与预处理是重构的基础 本文重点讨论重构的方法 1 数据获取在曲线 曲面重构技术中 数据获取与数据预处理是较为关 键的一步 随着科学技术的不断发展 数据获取技术也随着新物理原理 新技 术成就的不断引入而获得了长足发展 有很多测量方法可以用于逆向工程以获 取样件模型的点云数据 如图1 1 所示 数据获取方法很多 基本上可分为接 触式与非接触式两大类 非接触式测量il 接触试测量 磁学测量fl 声学测量li 光学测量ll 机械手i i 坐标测量机 三角形法ii 几何光学法li 干涉测量ii 结构光法li 视觉分析法 图1 1 测量方法 f i g 1 1m e a s u r e m e n tm e t h o d s 接触式测量方法是传统的测量方法 通过传感测量头与样件模型的接触而 获取样件表面的坐标位置 如图1 1 所示 接触式测量方法有机械手和坐标测 量机两种 非接触式测量方法主要是基于光学 声学及磁学等领域中的基本原 理 将一定的物理模拟量通过一定的算法转化为样件表面的坐标点 4 哈尔滨理t 人学t 学硕1 j 学位论文 以上这些方法都有各自的特点和应用范围 具体选用何种测量方法和数据 处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定 2 数据预处理技术曲面模型重建之前应进行数据预处理工作 主要包括 数据分割 除去噪声数据和异常数据 数据对齐 数据精简等 同济大学齐从谦等提出一种基于特征的单元区域分割方法 l3 1 数据点的去 噪算法与测量数据的排列格式有密切关系 对于散乱点云数据 可行的途径是 首先建立拓扑关系 然后通过高斯曲率等标准进行判定 对激光扫描的 点 云 数据 可按扫描线逐行去噪 1 4 1 数据处理的一个重要过程就是多视对齐 即将多视数据变换到同一坐标系中 再经过融合形成一体 从而完整地反映被 测物体的全貌 多视对齐一般包括坐标归一化和消除冗余数据两个步骤 目 前 多视数据间重叠部分如何有效合理的融合仍是逆向工程中的难点之 1 1 5 1 经曲面数字化处理得到的点云数据具有海量性 需要很大的存储空间同时 也降低了计算效率 在利用点云数据进行曲面重构时 一般不需要过密的数据 点 特别是被测曲面的曲率较小处 因此 在曲面中测量数据的精简是重要的 研究内容之一 目前存在许多数据精简的方法 如自适应最小距离精简数据 包围盒法 根据点云法矢量规则进行空间网格的细分 实现空间点云的精简 基于八叉数网格法等 1 6 1 7 1 8 1 9 1 3 2 曲线 曲面重构方法 曲线曲面重构首先要研究在计算机环境下对自由曲线曲面的表示 显示和 分析 其核心的问题是计算机表示 即要找到适合计算机处理且有效地满足形 状表示与几何重构的要求 又便于形状信息传递和产品数据交换的形状描述的 数学方法 与非参数表示相比 曲线曲面采用参数形式能较好的满足形状数学 描述的要求 2 0 j 长期以来 自由曲线曲面己经成为c a d 中用于描述形状信息 的主要工具 1 曲线重构曲线重构在逼近论和几何造型中都是一个主要的研究课题 曲线重构是指给出列依次采样于某条己知曲线上的一系列采样点 如何构造出 一条曲线依次通过或近似通过这些采样点 前者称为插值 它要求每一点都要 通过型值点 构造插值曲线所采用的数学方法称为曲线插值法 常见的插值算 法 线性插值 抛物样条插值 h e r m i t e 插值 2 1 1 后者称为逼近 当所提供的 数据本身存在误差时 重构一条曲线严格通过给定的一组数据点就没有什么意 义 更为合理的方法应是 构造一条曲线使之在某种意义下最为接近给定的数 哈尔滨理丁大学t 学硕卜学位论文 据点 所构造的曲线称为逼近曲线 构造逼近曲线所采用的数学方法称为曲线 逼近法 最常用逼近方法是最d 乘法及回归分析 插值与逼近二者统称为拟 合 基于有序点的曲线拟合 最早可以追溯到曲线的二乘拟合 目前 在计算 机辅助设计与图形学中得到了广泛的应用的方法有 b e z i e r 法 均匀b 样条法 n u r b s 法 这几种方法是把已知点作为控制点 由这些点生成的样条曲线 2 2 2 4 1 然而在重构中 对有序点进行曲线拟合 要求得到的重构曲线能够反 映出原始点集的形状与特征 许多研究者针对有序数据点的保形曲线拟合做出 了许多有益的研究 m c a l l i s t e r 给出了用二次样条曲线进行插值重建的算法 2 5 1 f r i t s c h 和 c l a r s o nb u t l a n d 等人讨论了用如何分段三次曲线进行插值曲线重建 2 6 2 7 更一 般的 p a s s o w 和r o u l i e 讨论了如何用多项式样条函数进行有序点曲线重建的 随着有理曲线的进一步研究 和对有理曲线性质的掌握 如何运用有理曲线进 行有序数据曲线重建也被越来越多的研究者提出来 2 8 2 9 3 0 川 随着多分辨率思想 地提出 如何用多尺度样条拟合数据点这一课题摆在众多研究者面前 一些研 究者讨论了用圆弧样条 双圆弧样条或其它参数样条进行有序点曲线拟合的问 题1 3 2 3 3 2 曲面重构按照方法的提出及实现的方法不同 专家们提出了不同的曲 面重构方法 h o p p e 于1 9 9 2 年提出分片线性法 在曲面上采集大量型值点的位置信息 以后 先构造拟合采样点的分片隐式曲面 最终以三角片曲面逼近所重建的曲 面 1 9 9 4 年 h o p p e 又提出细分曲面方法 通过反求控制顶点的方法 为需要 重建的曲面建立控制网格 然后运用一系列的细分算子 对控制网格进行细 分 生成细分曲面 来逼近需要重建的曲面 3 4 1 m u r a k 在1 9 9 1 年进行的人头曲面重建中 采用隐式曲面方法 他借助于 势函数的概念 用分片隐式曲面作为曲面重建的工具 3 5 1 e c k 等于1 9 9 6 年提 出用b 样条曲面对任意给定的拓扑网格进行重建的参数曲面方法f 3 6 1 h a l s t e a d 等在同年提出了利用b 样条曲面构造高精度的逼近需要重建的曲面法同的方法 3 7 1 虽然这种方法还不能重建有尖点和棱角的曲面 但是它以b 样条为工具 就为包括b e z i e r 曲面在内的各种参数曲面重建的工作丌辟了道路 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 3 重构技术的应用 1 新产品开发和产品改型设计我们在产品的初步设计中 通常是用木 模 泥模等做成实物模型 如油泥车等 这样便于创作和修改 设计师不需 要在模型的制作上花费过多的时间以得到高精度 因为我们可以在后面的反求 工程中提高其精度 一旦定型 就可以采用曲面重构技术将其转换c a d 模 型 进行放大缩小等处理 进而用于制造和加工 当零件制成后 如果需要重 新修改 可在对零件修改定型后 采用反求工程技术重构c a d 模型并更新相 应的数据库 2 产品仿制在缺少零件工程图纸和c a d 模型的情况下 可根据零件实 物 利用曲面重构技术重构c a d 模型 并根据此c a d 模型生产出同样的零 件 在人体的骨头 关节等的复制 假肢制作 艺术品 考古文物的复制 以 及跟踪模仿先进产品等方面用途广泛 3 质量检验很多曲面重构方法是由产品检验技术发展而来的 现在又反 过来促进了快速质量检验技术的发展 产品的实际制造外形是否达到设计标 准 其误差大小 以及有限元分析等都可以用曲面重构的技术加以检验 4 在l i p 技术中的应用通过曲面重构 可以很方便地对快速原型制造的 原型件进行快速 准确的测量 找出产品设计的不足 进行重新设计 经过反 复多次迭代可使产品完善 利用重构技术来进行高速刀具刃口刃形设计目前在国内外还很少有人涉 及 1 4 目前主要存在的问题 1 普通切削加工时切削厚度和进给量较大 切削刃钝圆半径远远小于切削 厚度和进给量 可以不考虑切削刃钝圆的切削作用 而精密超精密切削加工时 切削厚度和进给量很小 在微米量级以下 刀具切削刃钝圆部分在刀具一工件 接触中所占的比重加大 由刀具切削刃钝圆半径所造成的附加变形量在总的切 削变形量中占的比例也加大 切削刃钝圆以外的刀具部分不起切削作用 切削 刃钝圆半径将明显影响切削变形 已加工表面粗糙度和波纹度 尤其是当切削 厚度小到与刀具切削刃钝圆半径为同一数量级时 这种影响就更为突出 因 此 在高速微切削中 研究刀具刃口刃形显得更为重要 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 在研究刀具刃口刃形时 对刃口刃形结构特征的研究必不可少 由于切 削刃是一微小的几何体 对其进行特征提取时不容易得到精确值 3 对铝合金切削加工的研究相当多 然而大部分的研究都着重于铝合金加 工时的切削条件 切削力 刀具使用寿命 加工质量上 但刀具的刃口刃形设 计对刀具寿命及加工质量的影响相当大 这方面的研究较为缺乏 4 目前重构技术虽然得到了比较广泛的应用 但是主要还集中于大型零件 如覆盖件等 之上 在小型甚至微型零件上的应用受到了一定的限制 即测 量精度 测量范围存在局限性 其中微小曲面点云数据的获取就是一大难题 1 5 课题的主要研究内容 本课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金 高速刀具刃口刃形对切 屑形成作用机理研究 2 0 0 7 0 2 1 4 0 0 4 一 针对以上存在的问题 本论文的主要 研究内容如下 1 采用特征识别方法 通过对高速刀具刃口刃形结构的研究 提取刀具刃 口刃形的具体特征量 为后续高速刀具重构奠定良好的基础 2 在数据获取以及预处理的基础上 从刃形曲线几何连续性 有序点的曲 线重构 刃形曲线重构几个方面详细讨论了高速刀具刃口刃形的重构方法 3 通过有限元分析获取高速刀具刃口刃形特征点 采用c u b i c 函数重构出 切削刃形曲线 进而通过特征操作完成自由曲线刃车刀片的重构 4 采用硬质合金车刀片对铝合金进行切削实验 比较不同曲率刀片刃口刃 形对加工过程力一热分布的影响 探索在刀具设计及开发时选择最佳的刃口刃 形以及其组合 同时也通过分析工件的力一热分布状态 并与有限元仿真分析 对比 从而对重构刀具进行评价 对不足之处进行进一步修正 进而得到加工 过程力一热分布状态良好 使用寿命较长的刀具 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章高速刀具刃口刃形结构及特征提取 2 1 刀具刃口对高速切削过程的影响 刀具刃口刃形对高速切削过程的影响是分析刀具刃口刃形结构特征及特征 提取的基础 在对刃1 3 的研究中 刃1 3 钝圆半径 是表征刃1 3 特征的主要参 数 在铝合金高速切削过程中 当进给量较小 即微量切削 时 切削刃钝圆 起切削作用 切削刃钝圆以外的刀具部分不起切削作用 切削过程伴随着强烈 的挤压摩擦 其切削机理不同于大切削厚度时的常规切削 其主要体现在以下 几个方面 1 单位切削力增大 理想切削刀具的前角应当尽量大 但是在微量切削 时 刀具是大负前角切削 而且切削前角是不断变化的 这就导致比切削力增 大 在铝合金高速切削过程中 刀具的前刀面可以分为平面和圆柱面两个部 分 圆柱面部分的前角均为负前角 由于背吃刀量的不同 这两部分在切削过 程中所占的比重也各不相同 圆柱面部分的比切削力要比平面部分大很多 据 分析在相同切削厚度时 刃口半径越大 其单位切削力要大 2 在各切削分力中 背向力所占比重最大 在微量切削中 金属挤压在金 属各种变形过程中占较重要的地位 摩擦力所占的比例也增加 背向力所占比 重因切削层厚度的不同 在一定的范围内变化 刃口钝圆半径越大 切削层厚 度越薄 这个比值就越大 同一般切削过程的差异也越大 3 微量切削时 工件表面层的冷硬程度和残余应力的性质及其大小同刃口 半径的数值有很大关系 后者直接影响切削合力的数值和方向 在普通正前角切削时 工件受刀尖作用的区域承受较大范围的拉应力 且 受拉应力的范围随前角的减小而减小 受压应力的范围增加 而在大负前角的 刃口钝圆进行切削时 工件受压应力作用的区域占切削区域的很大一部分 在 其它条件不变的情况下 增大刃口半径 使工件表面层的冷硬深度和程度增加 表面层内产生较大的压缩残余应力 可以用改变刃口半径的方法来控制表面层的冷硬深度和程度以及表面残余 压应力的大小 当对表面层物理性质没有特殊要求时 表面层所产生的内应力 不足以使工件产生时效变形 则可采用刃口钝圆半径较大的刀具切削极薄的切 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 屑忉 2 2 刀具刃形对高速切削过程的影响 可转位车刀片的刃形有三角形 凸三边形 正方形 六边形 矩形 菱形 及圆形等等 不同的刃形的切削刃 其刀尖强度不相同 一般刀尖角越大 刀尖强度越大 反之亦然 如图2 1 0 所示 圆刀片 r 型 刀尖角最大 3 5 0 菱形 刀片 v 型 刀尖角最小 在加工铝合金时 刀片切削刃形的不同 直接影响刀 尖的强度 散热条件 进而影响铝合金加工的质量 多边形刀片的刀刃数多 如五边形 六边形 八边形等 刀片利用率高 刀尖也更大 刀具使用寿命长 加工工件的光洁度也很好 但由于刀刃短 受 背吃刀量 工件形状及工艺系统刚性限制 应用范围不如三角形和正四边形刀 片 刀贝强刀峡羁 i i l i i i i 一 图2 1 可转位刀片切削刃形状 f i g 2 lc u t t i n ge d g es h a p eo f i n d e x a b l ei n s e r t s 对于圆弧刃刀片 可以看作由无数条边组成的多变形刀片 它就如五边形 等多边形刀片一样 其应用受到一定的限制 同时 当圆刀片曲率半径不同 时 切削刃上工作角度发生变化 直接导致切削层参数发生改变 这直接决定 了车刀片切削刃参与切削的部分所承受的负荷以及切削变形区的热 力分布状 态 分析结果表明 切削刃上每一点的切削性能主要决定于主偏角t 刃倾角 丑 前角烁和后角 这四个基本角度 1 主偏角七 影响切削加工残留面积的高度 影响切削层的形状 它直接 影响同时参与工作的切削刃长度和单位切削刃上的负荷 影响三个切削分力的 大小和比例关系 主偏角还影响刀尖处的强度和散热体积 2 刃倾角丑影响切屑流出的方向 在精车或半精车时 希望取正刃倾 角 以使切屑流向待加工表面 影响切削刃的锋利性 由于刃倾角使实际刃口 钝圆半径减小 使切削刃变得锋利 3 刀具的前角 决定切削刃的锋利程度和强度 前角大则刀具锋利 但 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 其强度则相应降低 刀具前角合理的大小主要取决于工件材料和刀具材料 铝 合金强度和硬度较低 取较大的刀具前角 一般取8 0 1 0 0 4 刀具的后角 的主要作用是减小刀具与工件之间的摩擦 适当增大后 角可以提高刀具的使用寿命 刀具合理后角的大小主要取决于切削厚度 进给 量 大小 当切削量较小 精加工 时 由于磨损主要发生在后刀面上 所以后角 宜取大一些 反之 当切削量较大时 后角宜取小一些 2 3 高速刀具刃口刃形结构分析 高速刀具刃口质量的好坏及切削刃形状是否合理对刀具的使用寿命和加工 效率 质量起着决定性作用 2 3 1 高速刀具刃口结构分析 在高速加工中 被切削表面的质量主要取决于刀具的刃口质量 影响刃口 质量的基本因素是刀具材料 涂层 几何参数和刃口微观状态四个方面 其中 刃口微观状态是指刃口的形状 刃口锋利度 即刃口钝圆半径 刃1 3 表面粗 糙度以及刃口表面应力状态等 主要表征刃口特征的是刃口形状与刃口钝圆半 径 l p r 沙 一 声 图2 2 锐刃 f i g 2 2s h a r pe d g e 1 刃口形状不论刀具制作得多么精细 切削刃都不能制成一条锋利的几 何线 在垂直于切削刃的截面内 切削刃的刃口形状实际上是一条曲线 目前 人们都用一个圆弧来代替切削刃的刃口形状 切削刃的刃口形状也可以用椭圆 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 弧 抛物线或双曲线等来代替 一般在主截面内 刃口形状有4 种基本类型 设计和选用时 可根据具体的生产情况 选用其中的一种 或某几种的组合 6 1 1 2 9 1 3 0 1 锐刃 如图2 2 所示 锐刃有两种形式 一种是刃口的前 后角等于前 后刀面的前后角 图 a 另一种是所谓 双重前后角一 即刃口的前角 后角 不等于刀 面的前角 和后角 它们是在刃口附近很窄范围内研磨出的锐刃亮边 以l 6 口l o 0 5 o 2 毫米 i 2 4 o 图b 锐刃的特点是 刃口锋利 刃磨方便 研磨刃口稍难 改为窄亮边形式 图b 型 利于研磨 可提高刃口质量 缺点是强度差 易于磨损 锐刃主要用于切削塑性材料及有色金属的精加工以及广泛用于各类切刀 成型刀具及展成刀具 有时也用来加工非金属材料等 压 f 矽 孓 图2 3 倒棱刃 f i g 2 3c h a m f e r i n ge d g e 2 倒棱刃 厂 熄矽 p a o 图2 4 消振棱刃 f i g 2 4v i b r a t i o ne l i m i n a t i o ne d g e 通常是负倒棱刃 如图2 3 所示 前刀面上靠近刃1 3 处磨有前角 为负值 或零度 或很小的正前角的棱 面 一般加工低炭钢 不锈钢 灰铸铁时 以 0 5 厂 一5 0 一1 0 0 加工 中炭钢 合金结构钢时 巩 0 3 0 8 f y o 一1 0 0 一一1 5 0 在刃口承受很 大冲击载荷的情况下 例如粗加工锻钢件 铸钢件或断续切削时 机床功率及 工艺系统刚度允许 负倒棱宽可增大为 玩 1 3 2 0 厂 一1 0 0 一1 5 0 此时实质上成为负前角的前刀面 也可采用不等宽度负倒 棱 一般都取 i y o i i y o i 负倒棱的特点是 增强刀刃 这种刃口 虽比锐刃 的锋利程度稍差 但强度好得多 可提高刀具使用寿命 当负倒棱宽度小于进 给量厂时 切削力的增加也不显著 一般不超过8 这种刃口形式广泛用于碳钢及较硬金属的粗 半精加工及铣 刨等刀具 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 上 尤其对于硬质合金刀具 对于锻件毛坯及带冲击性的切削加工 更宜采用 负倒棱刃 冲击性越大 工件越硬 负倒棱应越宽 3 消振棱刃 如图2 4 所示 在主后刀面刃口附近研磨出吃 0 1 o 3 毫米 a o 一5 0 2 0 0 的棱 面 消振棱 它可增强刀刃 并在切削过程中有支承 稳定和消除由于机床 或工艺系统刚度不足而产生的自激振动的作用 它也同时起挤压工件表面的作 用 所以可以提高刀具使用寿命及加工表面质量 它适用于粗 精车 刨刀以 及工艺系统刚性较差而产生自激振动的加工中 厂 弋 缈 a r 图2 5 圆刃 f i g 2 5a r ce d g e 4 圆刃 如图2 5 所示 研磨切削刃 使它平整 光洁并有意磨出一定的 比锐刃大得多的钝圆 半径 这种刃口强度好 使用寿命高 可承受冲击性切削 也有一定的消振 和压光作用 但使切削力 特别是径向力增加 切削热也增加 圆刃适用于硬 质合金刀具对铸 锻件进行粗加工和半精加工以及易产生崩碎切削的脆性材 料 在可转位刀片上也广泛运用 一般情况下取 0 为右刃形 o o 0 为左刃形 法截面刃形 法截面是与圆柱上螺旋线相垂直的截面 设定圆柱半径为 风 其看螺纹上升角为 t a n 兄 卫 2 7 风 由图2 7 可以看出 当 要 勺时 g 面就变成过m 点的垂直于该螺旋线 的截面 法截面 由式 2 1 得 y 2 y s t a n 2 y 0 2 8 于是法截面刃形按下列方程组计算 咒2p oc o s y 2 p o s i n 伊 儿 昂 伊一6 0 y 2 妁切n 以 0 把方程组的二 三式带入第四式得 p os i n f o p o q 一瓯 t a l l 以 0 2 9 2 1 0 哈尔滨理工大学 t 学硕士学位论文 给出一定的p o 则磊已定 根据昂和公式 2 7 求出的以角 就能由公 式 2 1 0 解出相应的妒角 然后由 2 9 求出对应的乃 儿 带入 2 3 即 可求出法截面刃形坐标 i 7 f 乃 y毪2s i n 5 二 i 一i 2 1 1 2 1 2 2 原始刀具面与螺旋面的交线 在生产实践中 经常用一螺旋面与原始刀具相交以形成容屑槽和切削刃 如图2 8 所示 把前刀面看成是由它端面的一条直线m m o 绕乃轴作螺旋运动形 成的螺旋面 艮 j ly i 弋 一弘 0 使p 五尸 蔚 也即一阶导数在两个相邻曲线段的交点处成比例 相邻曲线段在交点处的切向量大小不一定相等 则称曲线在t t o 处一阶几 何连续 记为g 1 3 如果曲线p t 在点t t o 处满足g 1 连续 且副法矢量连续 曲率连续 即两个曲线段在相交处的一阶和二阶导数均成比例 交点处曲率相等 则称 曲线在t t o 处二阶几何连续 记为g 2 4 3 1 3 3 3 参数连续与几何连续对比分析 参数曲线的参数连续性实际上是沿用函数曲线的可微性 与参数选取有 关 仅当曲线为正则时 这种一致性保持成立 当曲线上出现零切矢的点处 这种一致性不一定成立 因为在参数曲线上出现零切矢处虽然仍是可微的 但 却可能是不光滑的 曲线在这样的非正则点处 切线方向与相对曲率有可能出 现不连续 反之 光滑的曲线有可能是不可微的 参数连续与参数选取及具体 的参数化有关 是对参数曲线连接光滑度的过分限制 是人为强加的限制 不 能客观准确度量参数曲线连接的光滑度 而形状的客观内在几何特征例如光滑 度是不依赖于参数选取及具体参数化的 几何连续性被称为视觉连续性 与参数选取及具体的参数化无关 这就排 除了由参数选取引起的非正则情况 几何连续性是对参数连续度量正则参数曲 线连接光滑度的苛刻而不必要的限制的松弛 亦即对参数化的松弛 它只要求 较弱的限制条件 随之而来 为形状定义与形状控制提供了额外的自由度 由 于几何连续性摆脱了对参数选择的依赖 着眼于形状内在几何特征的描述 获 得了对对形状控制的更大的灵活性 这一发展无疑为人机交互进行形状设计 中 施展与发挥人的创造能力 提供了扩大的空间与有效的工具1 2 0 i 引8 7 因 此 重构刃形曲线满足几何连续即可保证切削刃的光滑性 3 4 切削刃形曲线的重构 刃形曲线的重构是对已有点数据通过曲线拟合来完成 曲线拟合一般有一 下几种情况 只限于研究平面曲线 线性拟合 圆弧拟合 均匀近似原理拟 合 对于刃形曲线重构 可以由圆弧去逼近刃形曲线 因此可以采用圆弧拟合 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的思想来拟合重构刃形曲线 在圆弧拟合中 求最佳逼近理论刃形的拟合圆弧 最好用最小二乘法 其原理如下 6 5 7 埘 设拟合圆弧的方程为 m 口 2 咒 6 2 碍 3 4 其圆心在 一a b 半径为r 将此式展开整理得 y t 2 y 2 2 2 a y l 2 b y 口2 6 2 一碍 o 3 5 令 互 2 口 l f 2 2 b 3 6 f 3 口2 6 2 一碍j 代入 3 5 得拟合圆弧方程的另一种形式 乃2