（机械制造及其自动化专业论文）三维复杂槽型铣刀片槽型优选技术的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 三维复杂槽型铣刀片槽型优选技术的研究 摘要 本文从提高三维复杂槽型铣刀片的切削性能和可靠性出发，考虑到铣削 过程中铣刀片切削性能的好坏与铣削力和铣削温度变化规律有关，以铣刀片 铣削力和铣削热实验为基础，建立三维复杂槽型铣刀片铣削力与铣削热数学 模型、表面受力与受热密度函数；分别以此为边界条件，进行三维应力场和 温度场的分析，通过模糊综合评判，建立应力场和温度场的量化数学模型； 进行铣刀片冲击破损和粘结破损实验，以从不同的角度比较铣刀片槽型的优 劣，进行槽型的优选。其主要内容： 1 对已建立的铣刀片受力密度函数进行研究并作进一步简化；使用 u g 三维软件对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片进行实体建模；将实体模型 导入a n s y s 有限元分析软件，再利用受力密度函数作为边界条件，对铣刀 片进行应力场分析；比较a n s y s 分析结果，对波形刃铣刀片和平前刀面铣 刀片进行槽型优选。 2 对四种硬质合金铣刀片铣削4 5 号钢进行冲击破损实验研究，得到了 铣刀片冲击破损形貌图；应用s u p e r s m i t hw e i b u l l 分析软件，依据冲击破 损实验数据，建立起四种铣刀片的破损寿命数学模型；并利用柯尔莫哥洛 夫检验证明刀片破损寿命概率分布确实符合w e i b u l l 分布；对铣刀片冲击破 损寿命进行对比，优选出冲击破损小的最佳槽型。 3 在铣削温度试验的基础上，采用量纲分析理论，结合实验分析结 果，建立了铣刀片表面平均温度、受热密度函数和理论温度场的数学模型， 并利用m a t l a b 软件，依据试验数据得出铣削温度随时间变化的实验公 式，对相同切削参数下不同槽型铣刀片的铣削温度进行了对比分析；利用 a n s y s 有限元分析软件，对不同槽型铣刀片进行三维温度场分析，得到了铣 刀片在切削周期内不同时刻的温度分布规律；以温度场有限元分析为基础， 对铣刀片进行了温度场模糊数学综合评判，对不同槽型铣刀片进行了优选。 以上研究为建立三维槽型铣刀片综合物理场量化数学模型和槽型优化 c a d 系统奠定了基础，为铣刀片槽型的开发研究提供一定的理论依据。 关键词三维复杂槽型；受热密度函数；受力密度函数；应力场；温度场 哈尔滨理- t 人学t 学硕f j 学位论文 r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fo p t i m i z i n gg r o o v e f o rm i l l i n gi n s e r tw i t ha m dc o m p l e xg r o o v e a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo fm i l l i n gi n s e r tw a sr e l e v a n tw i t ht h e c h a n g er u l eo fm i l l i n gf o r c ea n dm i l l i n gh e a ti nm i l l i n gc o u r s c ，w i t hi m p r o v i n g t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h er e l i a b i l i t yo ft h em i l l i n gi n s e r tw i t ht h r e e - d i m e n s i o nc o m p l e xg r o o v e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i l l i n gf o r c ea n dm i l l i n g h e a t ，t h ed e n s i t yf u n c t i o no fs u r f a c ef o r c ea n dt h es u r f a c eh e a t i n go fm i l l i n g i n s e r tw g l ef o u n d e db a s e do nt h et e m p e r a t u r eo fm i l l i n gf o r c ea n dm i l l i n g h e a t i n gi nt h i sp a p e r t a k i n gt h o s ea b o v em e n t i o n e da st h eb o u n d a r yc o n d i t i o nt o a n a l y z et h es t r e s s f i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dt h e q u a n t i f i c a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es t r e s sf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dw e r ef o u n d e d c o n s e q u e n t l y 1 1 h ei m p a c td i s r e p a i ra n dt h ea d h e r i n gd i s r e p a i re x p e r i m e n th a d b e e nd o n et oc o m p a r ea n dc h o o s et h eb e s tg r o o v ef o rm i l l i n gi n s e r t s t h em a i n c o n t e n ta sf o l l o w 1 r e s e a r c h e da n ds i m p l i f i e dt h ef o r c ed e n s i t yf u n c t i o no ft h em i l l i n gi n s e r t w h i c hh a db e e nf o u n d e d ；t h et h r e e - d i m e n s i o ns o l i dm o d e l so ft h ef l a tf a c e m i l l i n gi n s e r ta n dw a v e d - e d g em i l l i n gi n s e r tw e r eb u i l tb yu s i n go ft h et h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r eu ga n dt h e nt r a n s m i tt h e s em o d e l si n t oa n s y ss o f t w a r e t oa n a l y z et h es t r e s sf i e l do fi n s e r t su s e dt h ef o r c 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 a n dc o m p a r e dt h ea n a l y s i sr e s u l t so fa n s y sa n dc h o s et h e b e s tg r o o v eb e t w e e nw a v e - e d g ei n s e r ta n dt h ef l a ti n s e r t 2 t h ep h o t o so fi m p a c td i s r e p a i rw e r eo b t a i n e dt h r o u g hr e s e a r c ho nt h e i m p a c td i s r e p a i re x p e r i m e n to fc u t t i n gt h e4 5 # s t e e lw i t hf o u rk i n d so fh a r da l l o y m i l l i n gi n s e r t a c c o r d i n g t ot h e i m p a c td i s r e p a i re x p e r i m e n td a t a , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fi m p a c tl i f eo ff o u rk i n d si n s e r tw e r ef o u n d e db yu s i n gt h e s u p e rs m i t hw e i b u l la n a l y s i ss o f t w a r e t h ed i s t r i b u t i o np r o b a b i l i t yo ft h e i m p a c td i s r e p a i rl i f eo ff o u rk i n d so fm i l l i n gi n s e r tw a sa c c o r d e dw i t ht h e w e i b u ud i s t r i b u t i o nc o u l db ep r o v e db yu s i n gt h ek o f l m o f o p o bs t a t i s t i c a l i i 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 m e t h o d t h eb e s tm i l l i n gi n s e r tg r o o v ew e r es e l e c t e dt h r o u g hc o n t r a s t e da n d a n a l y z e do nt h ei m p a c tl i f eo ff o u rk i n d so fm i l l i n gi n s e r t 3 b a s e do nt h em i l l i n gt e m p e r a t u r e e x p e r i m e n t a n dc o m b i n e dt h e e x p e r i m e n ta n a l y s i sr e s u l t ，t h es u r f a c ea v e r a g et e m p e r a t u r e ，t h es u r f a c eh e a t i n g d e n s i t yf u n c t i o na n dt h e o r e t i c a lt e m p e r a t u r ef i e l dm a t h e m a t i cm o d e lo fm i l l i n g i n s e r tw e r ef o u n d e db yu s i n gt h ed i m e n s i o n a la n a l y s i sm e t h o d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n td a t a , t h ee x p e r i m e n t a lf o r m u l ao fm i l l i n gt e m p e r a t u r ec h a n g e sw i t h t i m ew a so b t a i n e db yu s i n gt h em t l a bs o f t w a r e a n dt h em i l l i n gt e m p e r a t u r eo f i n s e r t su n d e rt h es a m ec u t t i n gp a r a m e t e r sw a sa l s oc o n t r a s t e da n da n a l y z e d t h e t h r e e - d i m e n s i o nu n s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l do fi n s e r t sw a sa n a l y z e db yu s i n gt h e a n s y ss o 腑a r e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fm i l l i n gi n s e r t st e m p e r a t u r ea t d i f f e r e n tt i m ei nt h ec u r i n gp e r i o d sw a sf o u n d e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ef 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 nf o r t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i sw a sm a d e ，w h i c hu s e dt oc h o o s et h e b e s tg r o o v ef o ri n s e r t s a l lt h e s es t u d i e sa b o v eb a s e dt h ef o u n d a t i o nf o rb u i l d i n gs y n t h e t i cp h y s i c s f i e l dq u a n t i f i c a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e la n do p t i m i z i n gt h eg r o o v ec a ds y s t e m o ft h et h r e e - d i m e n s i o n a l g r o o v ei n s e r t t h e r e s e a r c ha l s o p r o v i d e dt h e o r y f o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gm i l l i n gi n s e r tg r o o v e k e y w o r d st h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p l e xg r o o v e ，h e a t i n gd e n s i t yf u n c t i o n ，f o r c i n g d e n s i t yr u n i o n ，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 - 1 1 1 - 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槽型优 选技术的研究，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 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。 作者躲是如j 对i 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优选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。 ， 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：皇基如，氆1 日期：椰年? 月了p 日 导师签名：橼勿以 日期：椰年了月了。日 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 金属切削刀具国内外发展现状 切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。据统计，国外切削加 工在整个制造加工中所占比例约为8 0 8 5 ，在国内这一比例则高达9 0 。 刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数 控机床( n c ) 、加工中心( m c ) 和柔性制造系统( f m c ) ，都必须依靠刀具才能完 成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。材料、结构 和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作 用。国际生产工程学会( c 时) 在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改 进，允许的切削速度每隔l o 年几乎提高一倍 。从2 0 世纪7 0 年代以来，随着数 控机床发展起来的数控刀具，引领着切削刀具朝着三高一专( 高效率、高精 度、高可靠性和专用化) 方向不断发展，把传统的刀具产品发展成为具有高附 加值、高科技含量的产品。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。 首先在刀具材料方面的研究进展迅速引刀具材料已从2 0 世纪初的高速钢 发展到现在的硬质合金、高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由5 0 0 6 0 0 t 2 提高到1 2 0 0 以上，允许切削速度已超过1 0 0 0 m m i n ，使切削加工生产率在 不到1 0 0 年时间内提高了1 0 0 多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反 映了切削加工技术的发展史。目前，硬质合金依然为刀具的主要材料，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r r 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- j 3 0 0 0 n r a m 2 ，甚至达到4 0 0 0 n m m ? 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。为进一步改善硬质合金刀具材料 的综合切削性能，目前的研究热点主要包括以下几个方面： 细化晶粒通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面积、增强晶粒间 结合力，可使硬质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。 涂层硬质合金在韧性较好的硬质合金基体上，通过c v d ( 化学气相沉 积) 、p v d ( 物理气相沉积) 、h v o f ( h i g hv e l o c i t yo x y - f u e lt h e r m a ls p r a y i n g ) 等 哈尔滨理下人学t 学顾i ：学位论文 c 方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结 合而提高硬质合金刀具的综合性能。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及复合多层、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懵1 。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。 表面、整体热处理和循环热处理对强韧性较好的硬质合金表面进行渗 氮、渗硼等处理，可有效提高其表面耐磨性。对耐磨性较好但强韧性较差的硬 质合金进行整体热处理，可改变材料中的粘结成分与结构，降低w c 硬质相的邻 接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。 添加稀有金属在硬质合金材料中添加t a c 、i m c 等稀有金属碳化物，可使 添加物与原有硬质相w c 、t i c 结合形成复杂固溶体结构，从而迸一步强化硬质 相结构，同时可起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等作用，对提高硬 质合金的综合性能大有益处。 添加稀土元素在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材 料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。这是因为稀土元素可强化硬质相和 粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。添加稀土元素的 硬质合金最适合粗加工牌号，亦可用于半精加工牌号。 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 能型刀具，其创新的结构、优良的性能、复合的功能、高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怖1 近年来日本、 美国、德国等开发的各式装配硬质合金涂层铣刀，不同于已往的装配式硬质合 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、锯齿刃等，且有采用大前角、大容屑空间和高刚 性刀体的趋势盯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，排屑性能优良，加工效率很高，切削范围 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 广，从普通钢材到不锈钢均可顺利加工。 近年来，我国的刀具技术取得了较大的进展，但同国外先进的刀具技术相 比较，仍然存在明显的差距，我国硬质合金产量在国际上虽然名列前茅，但硬 质合金刀具技术及质量仍然相当落后。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 a 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 阶段并取得了较大迸展，但尚未进入大量自主开发商品化生产阶段。 1 2 硬质合金铣刀片破损机理的研究概况 刀具材料的种类很多，但开始采用的大都是工具钢材料，如碳素工具钢、 合金工具钢、高速钢等。用这些材料制造的刀具，使用时失效的形式主要是磨 损失效，因此以往的科技工作者集中了大量的精力以各种磨损为主要失效形式 对刀具磨损失效的规律和机理进行了深入、系统的研究，并对刀具的磨损机 理、磨损规律有了比较深刻的认识。例如，著名的t a y l o r 公式就建立了刀具磨 损量与切削用量之间的关系，成为当时金属切削加工的重要依据。然而，随着 科学技术的飞跃发展，大量的脆性刀具材料涌入工具市场，如硬质合金、陶 瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等材料部分地代替了工具钢刀具材料而收到 了明显的效果。由于这些材料具有许多工具钢材料无法比拟的优点，因此采用 由这些材料制成的刀具，使切削加工的生产率迅速上升，加工的范围更加广 泛，如从前很难加工甚至无法加工的高硬度材料、高温合金等工件也都被征服 了。 脆性材料刀具在切削加工中的失效机理与工具钢材料刀具的相比有很大的 不同。虽然它们在使用时都会发生磨损，但是前者发生破损现象却更为严重， 尤其是在断续切削加工中，破损几乎成为刀具失效的主要原因，因而成为生产 中迫切需要解决的重大课题。特别是在自动化生产中，如果人们没有掌握刀具 破损的规律，根本就无法确定换刀的时间，也难以保证加工的质量，更无法做 到优选切削条件，使切削加工达到最优化。因此，关于刀具破损问题的理论研 究就成为一个亟待填补的空白，成为在新形势下发展完善金属切削理论的一个 重要方面哺1 在断续切削中，采用硬质合金刀具所遇到的难题是刀具的破损，即刀具刀 齿的刃区部分产生的裂纹，引起崩刃，从而急剧地降低刀具的锋利性，使刀具 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 破损失效而不能使用。因此，硬质合金刀具在铣削等断续切削中的应用技术， 是通过不断地研究刀具破损的问题而得到提高的。 为了更好地将硬质合金刀具用于铣削等断续切削加工中，并使其稳定地工 作，各国学者对硬质合金刀具在断续切削中破损机理进行了大量的研究。上世 纪4 0 年代，德国学者m k r o n e n b e r g 首先研究端铣加工中九种切入类型与破损 之间的关系阻m 1 ，他根据前刀面和工件切入侧面的初始接触点，把切入类型分 为s 型、t 型、u 型、v 型等九种( s t u v 型、s t 型、t u 型、u v 型、s v 型) ，指出切入类型不同，刀片破损规律也不同，冲击系数是判断破损的重要 参数。他认为：u 型、u v 型切入刀具破损较轻，s 型、s t u v 型切入刀具破 损较严重。到了5 0 年代，西德的o p i t z 教授进行了大量有关铣削加工的研究工 作，并指出：在硬质合金刀具的前刀面和后刀面上，除了存在通常的磨损现象 以外，还存在“划痕 的现象1 。这种划痕对高速钢铣刀并无什么影响，但对 硬质合金铣刀却有很大的影响。在铣刀产生划痕后，随着热应力的反复作用， 就会产生“热龟裂 ，从而引起铣刀刀齿的破损。 以o p i t z 等人的热龟裂研究报告为开端，硬质合金刀具断续切削加工技术 的基本问题铣刀刀齿的破损，就逐渐成了人们研究的对象。以后世界各国 的有关专家、学者就此问题进行了广泛深入地研究除热龟裂现象以外，人们 还经常看到成为刀具破损原因的其他龟裂现象。因此，铣刀的破损有好几种原 因，并不是所有的破损都是由热龟裂引起的，它们是由不同的原因引起的。 1 9 6 3 年t r e n t 在研究切削刀具的磨损现象时n 引，提出了关于刀具损伤的新理 论。他在论文中谈到：作为硬质合金铣刀破损的一般概念，必须包括三个不同 的现象，即冲击、疲劳和热疲劳。同时，前苏联的3 0 p e s 在他的论文中，介绍 了在断续切削中，热和机械的冲击使刀具产生微小的龟裂n 引引，这些龟裂引起 硬质合金刀具的破损。在论文中，他还列举了导致龟裂发展的三个重要原因， 即刀齿的温度变动范围大、作用在刀具上的切削力大和刀具材料的高温机械强 度低。 日本的竹山、山田等人进行了热龟裂的研究，并取得了许多关于刀具破损 的有价值的成果引引。根据竹山等人的研究可以知道，引起硬质合金铣刀崩刃 的物质u 钉，是在切削结束以后仍附着在刀齿切削刃上的切屑，因为，在下一次 切削开始时，切屑从刀齿上脱落会带走部分硬质合金，从而使刀齿破损。铣削 奥氏体不锈钢工件时，可以明显地看到这种粘屑现象。如果在被铣削工件的侧 面添加了黄铜板，即采用同时铣削不锈钢和黄铜板的“同时铣削法，就可以 防止粘屑现象的产生。试验证明，这种方法确实对防止铣刀崩刃有着非常显著 哈尔滨理下人学t 学硕i ：学位论文 的效果。 最近，国内的有关专家、学者也在刀具破损机理的研究、不等齿距端铣刀 的研制以及最佳端铣法等方面作了不少的工作。上世纪八十年代，哈尔滨理工 大学的于彦波等对硬质合金刀具断续切削时破损的现象、规律和机理进行了分 析研究，对m k r o n e n b e r g 九种切入类型对刀具破损的影响提出了不同的看 法，他们认为：对于s 型、v 型切入类型，刀具的破损最小；对于s n 型、 u 型切入类型，刀具的破损最大n 町九十年代中期渝州大学的林树兴采用几何 解析法较为准确地求出前刀面各点与工件接触的先后顺序n 引。 在大量研究铣削破损机理的同时，人们认识到断续切削刀具的破损是一个 典型的随机现象，必须用解决随机现象有力的工具数理统计及概率分析方法来 研究刀具的破损规律。 平尾政利、竹山秀彦通过冲击试验得到结论：其试验刀片的冲击破损规律 服从威布尔分布啪1 ；s r a m a l i n g a m 等通过对刀具寿命分布进行的分析，指出刀 具寿命由于不同的损坏原因而具有不同的随机分布函数；根岸秀夫、青禧代志 用硬质合金进行断续切削，在大样本试验( 6 0 刃以上) 的条件下，统计刀具破 损的累积频率及冲击次数，证明刀片破损的概率分布服从威布尔分布，并认为 威布尔分布的平均寿命可作为破损刀具寿命的标准幢；河端裕等用三种不同牌 号硬质合金进行断续车削，证明在不同的切削速度下，刀具寿命分别服从不同 参数的威布尔分布；n a l l p e r l i 等人把断续切削时刀具破坏看作打刀、崩刃、 磨损三者同时影响的结果，各自有不同形式的概率分布函数，且三者独立认 为：打刀与崩刃服从参数不同的威布尔分布瞄1 ；磨损服从对数正态分布继而 由实验求出各自参数值，以预测刀具寿命。 我国山东工业大学刘战强、李兆前、艾兴利用可靠性理论研究了硬质合金 刀具切削加工时的寿命寿命分布规律1 ，结果表明：硬质合金刀具切削的磨损 过程可看成是线性平稳随机过程时，这种情况下的磨损寿命服从对数正态分 布；在用硬质合金刀具进行加工时，如果刀具受到的冲击太大，以至于刀具内 部的应力水平远远大于刀具材料的强度值，刀具就会因之一次冲击而产生破 损，这是一种典型的脆性破损，这种脆性破损一般服从指数分布；而实际上， 比较成熟的加工工艺很少出现这种过冲击现象，因此硬质合金刀具的破损寿命 往往大大地超过裂纹的萌生寿命，随着切削的进行，刀具经过位错积累、裂纹 成核、裂纹扩展这样一个过程，其承受外载荷的能力逐渐下降。所以随着切削 过程的继续刀具发生破损的概率逐渐增加，这种情况下的破损都超过了裂纹的 萌生寿命，刀具主要工作与随机失效期和耗损失效期幢引，所以刀具的破损主要 喻尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论义 是刀具中某一危险处的裂纹，在切削力的作用下逐渐扩展造成，这种破损服从 三参数威布尔分布；哈尔滨理工大学伊兵等人通过试验得出：硬质合金刀具铣 削合金钢时刀具的初期破损服从对数正态分布拉引。哈尔滨理工大学的李振加教 授等人对切出破损进行了实验研究，他们采用高速摄影及测量切出时铣削力的 变化，并通过弹性力学分析证明：切出时的负剪切现象使卷曲的切屑以刀刃为 轴线转动，导致刀楔的应力场严重恶化是刀具破损的主要原因。 对刀具破损问题的研究已经成为世界上的一大热门课题。美国、加拿大、 法国、英国、日本、德国、荷兰等许多国家的专家、学者如m cs h a w 、 j t u l t y 、p e k d h a r i n g 、3 0 p e b 、o p t i z e 、臼井英治、星铁太郎等人对断续切削刀 具破损问题进行了广泛的研究。可以预见，在不远的将来，刀具破损理论一定 会有新的突破，金属切肖i j 理论和生产加工水平将会因此而得到一次巨大的提 高，达到一个崭新的水平。 1 3 铣刀片几何形状与参数的变化趋势 1 3 1 铣刀片轴向前角的变化趋势 目前，我们仍然面临着刀具制造和刀具涂层材料上的革命，这种革命产生 了越来越好的刀具材质与结构。但是在金属切削方面的最新进展则是在刀具的 几何学领域：在各种金属切削加工中，我们越来越多地见到正前角刀片。在硬 质合金铣刀片方面，过去为了达到最大的强度，一直采用负前角切削刃现在 很明显地转而采用正前角。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瞄1 。平面或负前角切削刃 结构上强度高，因为这种切削刃利用硬质合金抗压强度高的特点，但是负前角 铣刀有几个缺点：由于剪切滑移困难，主轴需要大功率才能实现切削：切屑不 易形成：可能发生积屑瘤。这些条件会在切削区产生高温，降低表面精度。直 到几年以前，人们还几乎普遍认为，除了加工铝之外，大的正前角铣刀片是不 现实的。当时，大的正前角通常意味着在加工钢时承受切削力小的薄弱而且刚 性差的切削刃。然而，几年前，由b i l lm u n d y 领导的设计小组开始宣传正前角 的优点。以色列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( 见图1 1 ) 和另一种大前角刀片s e k t 方形铣削刀 片，它具有凹陷形的前面和大的前角，所需的铣削功率小( 见图1 - 2 ) 。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论义 图l - ia p c r 型螺旋形刃铣刀片 f i g i - it h e a p c rh e l i c a lm i l l i n gi n s e r t s 灯 图l - 2s e k t 方形铣刀片 f i g i 2t h es e k ts q u a r em i n i n gi n s e r t 硬质合金刀具的设计思想已经转向正前角，越来越多的硬质合金公司把他 们的部分研制计划转向设计能用正前角有效地切削金属材料的刀片。硬质合金 和硬质合金制造技术的改进，使得几年前被认为刚性差的大前角和复杂的切削 刃形状的刀片的发展成为可能。正前角铣削的优点包括：需要的动力小，产生 的热量少，工件表面精度高，机床( 尤其是目前流行的小功率加工中心) 磨损 少。如果工件材料允许，从过去的标准负前角铣刀转换成现在的正前角铣刀， 可明显减少所需的功率，提高生产率，这是其主要优点。 1 3 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，这就使得开发新型铣刀片的刃形和三维复杂槽型成为可能乜引。 r o g e r st o o lw o r k s ( r t w ) 公司推出了的轴向项刃前角为正的铣刀片( 见图1 3 ) ，顶刃前角为1 4 。或2 5 。，沿着刀片的切削刃压有三维断屑槽并具有正前 角的几何参数，其优点是切削力和振动小，切削热少，刀具寿命高。i s c a r 公 司的a d m t 锯齿形刃刀片( 见图i - - 4 ) 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。但由于齿尖处切削刃强度弱，容易 磨损，破损，而齿底两面相交处有尖角，不圆滑，容易产生应力集中，出现裂纹 j 2 8 哈尔滨理丁人学t 学颂：l ：学位论义 图1 - 3r t w 正前角铣刀片 f i g 1 3t h er t w i n s e r t 谢mp o s i t i v er a k e 图1 4 a d m 型铣刀片 f i g 1 - 4t h ea d m tm i l l i n gi n s e r to fi s c a r 1 4 铣削刀具槽型开发设计与优选技术研究现状 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计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 刀片槽型技术， 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先进技术 1 2 9 o 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。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 s 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，分别用于粗加工、半精加工、精加工和重型切 削加工。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 哈尔滨理丁人学t 学硕 ：学位论义 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。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。 我国对面铣刀槽型的改进和深入研究是从上个世纪9 0 年代中期开始的。 以前的面铣刀多数是焊接硬质合金或单刀式的，虽然当时的哈尔滨第一工具 厂、哈尔滨量具刃具厂、上海工具厂、成都量具刃具厂等国内较大的工具厂研 制出一些可转位面铣刀，但其规格和品种较少，质量也不高，还是平前刀面铣 刀片居多。为改变这种落后状况，国内各生产厂家和高校投入了很大力量，研 制并生产出一些新的品种和规格的面铣刀，在槽型的设计和制造方面也迈出新 的步伐，研制出一些复杂的三维槽型铣刀片，例如波形刃铣刀片，大前角铣刀 片，封闭槽铣刀片和锯齿状铣刀片等，缩小了与国外的差距啪1 但在槽型设计 上与国外相比仍存在着较大的差距目前，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 5 论文的选题目的和意义 现代世界上机械制造业正向着计算机集成制造系统( c i m s ) 、敏捷制造 ( a m ) 、虚拟制造( v m ) 和并行工程( c e ) 方向发展，要实现理想的先进机械制 造过程，必须使数控加工设备( c n c ，m c ) 和自动生产线正常运行，而铣削加 工中的铣刀片冲击破损和粘结破损是影响自动化加工系统正常运行的重要因 素。解决刀具破损问题已成为自动化生产过程中的关键技术之一。随着现代加 工设备数量的不断增加，对数控刀具的需求量越来越大，在切削加工中，铣削 加工约占2 5 左右，铣削刀具是机械制造行业应用很广的一种刀具，并且种类 繁多，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。由于技术和装备落后，在品种、质量和材料等 各方面，我国刀具与国外相比品种不全、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 种多数是有很高的难度，与工业发达国家相比具有较大的差距。由于市场进一 步向着全球化发展，日本、德国、美国、瑞典等先进国家的刀具制造商正在大 举抢占中国市场，我国刀具行业面临着巨大挑战。 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 哈尔滨理t 人学丁学硕+ f ：学位论文 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、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、开发新型刀具结构，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。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，以适应机械加工自动化的发展趋势。 在断续切削过程中，断续切削的铣刀与连续切削的车刀不同，在使用过程 中刀具往往承受周期性的热冲击作用，致使硬质合金刀具产生裂纹，这就使刀 刃在远未达到磨损标准之前就发生严重的破损。因此，在开发铣刀片槽型时对 刀片的应力场和温度场进行研究是非常重要的。多年来，国内外学者对刀片的 铣削力和铣削热进行了大量的研究，取得了许多重要成果。但是对于铣刀片的 铣削力和铣削热的研究，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道，所以对于优化新 型三维复杂槽型尚缺乏理论基础，有必要对三维槽型铣刀片的冲击破损和粘结 破损做进一步的探讨和研究。而本课题的完成将在铣刀片破损的研究和应用上 迈出新的一步，并通过有限元仿真大大缩短了开发、设计、研制三维复杂槽型 铣刀片的周期。 1 6 课题来源及本文主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金资助项目：“三维复杂槽型铣刀片物理场 数学模型及槽型优选技术的研究 及黑龙江省重大科技攻关项目( 子项目) ： “大型、复杂零部件用现代刀具系列产品化与开发研究一 本文从提高三维复杂槽型铣刀片的切削性能和可靠性出发，以铣刀片铣削 力和铣削热实验为基础，建立三维复杂槽型铣刀片表面受力、受热密度函数； 以此为边界条件，进行三维应力场和温度场的分析，建立应力场和温度场的量 化数学模型；进行铣刀片冲击破损和粘结破损实验，以从不同的角度比较铣刀 片槽型的优劣，进行槽型的优选。其主要内容： 1 对已有铣刀片受力密度函数进行简化；使用u g 三维软件对平前刀面 铣刀片和波形刃铣刀片进行实体建模；将实体模型导入a n s y s 有限元分析软 件，再利用受力密度函数作为边界条件，对铣刀片进行应力场分析；比较分析 结果，对波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片进行槽型优选。 2 对四种硬质合金铣刀片铣削4 5 号钢进行冲击破损实验研究，得到铣刀 片冲击破损形貌图；应用s u p e r s m i t hw e i b u l l 分析软件，依据冲击破损实验 哈尔滨理t 人学t 学硕：卜学位论文 数据，建立起