一种能够实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法

摘要

本发明属于难加工材料切削加工技术领域，涉及一种能够实现左、右旋切削刃交替切削的微齿设计方法，该方法能够实现多刃铣刀的有效切削部分在不同截面上右旋切削刃与左旋切削刃交替切削的加工方式，保证CFRP表层纤维受到不同方向轴向力的连续作用，从而实现抑制高速铣削碳纤维复合材料表层毛刺产生的目的。通过对周刃微齿进行设计，确定铣刀结构参数，保证左旋切削刃和右旋切削刃交替切削的设计方法，该设计方法可应用于不同直径、螺旋角、刃数的铣刀，且均能保证所设计的切削方式。因此，该微齿设计方法具有良好的普适性和工程应用价值，最终可实现碳纤维复合材料大切削用量下高速平稳有效的加工。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料材料的切削加工技术领域，涉及一种能够实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法，该设计方法能够实现多齿铣刀有效切削部分在任意截面内均为左、右旋切削刃交替切削的加工方式，在高速铣削碳纤维复合材料时能够有效解决上下表层产生毛刺、撕裂的问题。

背景技术

复合材料具有比强度高、质量轻和承载能力强等性能优势，在现代工业发展中得到广泛应用。然而，复合材料属于典型的难加工材料，由于其各向异性及非均质性的材料特点，导致现有的金属铣削刀具与材料匹配性差，特别是对于上下表层纤维，其面外一侧不受材料约束，在轴向力的作用下极易产生毛刺、撕裂等损伤，难以同时保证上下表层纤维的加工质量要求，从而降低了构件的服役性能。

为解决在高速铣削加工复合材料中在表层产生毛刺及撕裂等难题，需要从刀具结构与材料的作用方式上进行研究，从而对现有刀具结构进行改进和革新。现有技术中，通过在铣刀周刃上设计左旋和右旋两种旋向的切削刃，且在铣削过程中实现交叉状左、右旋切削刃交替切削的作用，能够抑制表层纤维毛刺及撕裂的产生，如专利号为CN201510837529公开了一种平头立铣刀，该铣刀的特点是在铣刀周刃上设计多条交叉状的左、右旋切削刃，在铣削过程中产生方向呈向下、向上周期性变化的轴向切削分力，形成剪刀似的“剪切效应”，此种切削方式能够有效避免加工过程中毛刺和撕裂的产生。然而，这种铣刀具有整体式的切削刃，在铣削过程中整体刃铣刀的径向和法向切削力较大，导致在铣削稳定性较低，切削刃磨损较快，刀具寿命难以提高。

此外，一种多齿铣刀通过在周刃设计多条左螺和右螺螺旋槽，使得周刃上形成较密集的微小切削单元，从而实现“以铣代磨”的切削效果，也能改善表面加工质量，抑制加工过程中的分层、毛刺损伤。如专利号为CN101623778.A公开了一种整体硬质合金鱼鳞铣刀，其周刃的鱼鳞状微小切削单元由对称交错状的左旋切削刃和右旋切削刃组成，每个切削单元的主切削刃长度为0.05mm-1mm，微切削单元可以减小铣削过程中的切削宽度，从而有效降低切削力，提高铣削过程的稳定性。然而，在现有技术研究中，该种多齿铣刀的有效切削部分在任何截面内未能实现左右旋交替切削的加工方式。若能在多齿铣刀上确保左、右旋切削刃交替切削的加工方式，则既能实现“以铣代磨”的切削效果，降低铣削阻力，提高铣削效率；也能保证对表层纤维的“剪切效应”，抑制表层纤维毛刺、撕裂的产生，提高刀具寿命。

发明内容

本发明要解决的难题是抑制高性能碳纤维复合材料高速铣削加工时表层产生毛刺及撕裂损伤，以提高碳纤维复合材料的加工质量以及刀具寿命。为此，发明了一种能够实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法。通过确定铣刀微齿之间的结构对应关系，从而计算出关键结构参数，使得多齿铣刀刀具结构几何关系满足右旋切削刃与左旋切削刃交替切削的加工方式，此种交替切削的加工方式能够有效抑制表层毛刺、撕裂等损伤的产生，从而可有效提高碳纤维复合材料的加工质量，并且基于三维建模软件，验证该多齿设计方法的准确性，保证碳纤维复合材料大切削用量下高速平稳有效的加工。

本发明的技术方案：

一种能够实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法，将三维立体铣刀沿轴向剖开后展开，选择表征切削方式的有效切削部分，形成以切向X和轴向Z

为坐标系的二维铣刀微齿局部图，右旋螺旋槽与左旋分屑槽交错形成微齿，微齿包含右旋切削刃和左旋切削刃；铣刀设计过程，刀具几何参数：右旋切削刃的刃宽为g₁、左旋分屑槽的槽宽g₂、右旋螺旋槽的螺旋角θ、左旋分屑槽的螺旋角β、右旋螺旋槽的槽数Z₁、左旋分屑槽的槽数Z₂和铣刀直径D；其它中间变量：p为左旋切削刃的高度；q为右旋切削刃的高度；h为在X方向相邻两微齿之间的高度及中间参数g；具体设计方法步骤如下：

步骤1：保证连续切削过程中，无“空切现象”，即同一条切削刃在Z方向相邻两微齿的间距为0，需要满足；

g₂cosθ＝g₁cosβ(1)

步骤2：连续切削过程中，实现右旋切削刃与左旋切削刃交替切削，即满足右旋切削刃高度q等于左旋切削刃高度p，进一步等于在X方向相邻两微齿之间的高度h，即p＝q＝h；

(1)右旋切削刃高度q＝h；

当Z₂>Z₁时：

当Z₂<Z₁时：

(2)左旋切削刃高度p＝h；

当Z₂>Z₁时：

当Z₂<Z₁时：

步骤3：联立上式，确定出Z₂与Z₁的关系：

当Z₂>Z₁时：

当Z₂<Z₁时：

步骤4：将求得的Z₂带入上式求得g₂，将g₂带入公式(1)即求出g₁值，最终把决定切削方式的这四个参数导入三维软件模型中，验证方法的准确性。

本发明的有益效果是发明了一种能够在多齿刀具上实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法，在铣削碳纤维复合材料时，表层毛刺及撕裂是影响铣削CFRP加工质量的重要因素，如何有效抑制毛刺及撕裂的产生成为当前研究的热点。该多齿设计方法既能满足在任何铣刀截面均能实现左旋切削刃与右旋切削刃交替切削的加工方式，又具有微小切削单元切削时的相对稳定性，提高刀具寿命。因此，此设计方法能够满足对不同纤维级别、不同厚度、多种铺层方式碳纤维复材制件的高质、高效加工需求。

附图说明

图1为多齿设计方法的计算流程图；

图2为多齿左、右旋切削刃交替切削的二维局部示意图；

图3为实施例1的二维刀具；

图4为实施例2的二维刀具。

图中：1右旋螺旋槽；2左旋分屑槽；3微齿；4右旋切削刃；5左旋切削刃；g₁右旋切削刃4的刃宽；g₂左旋分屑槽2的槽宽；θ右旋螺旋槽1的螺旋角；β左旋分屑槽2的螺旋角；Z₁右旋螺旋槽槽数；Z₂左旋分屑槽槽数。D铣刀直径；q右旋切削刃4的高度；p右旋切削刃5的高度；h在X方向相邻两微齿3之间的高度。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。

本实施例将从两种刀具直径D＝10mm及D＝6mm去验证该微齿设计方法的准确性及铣刀铣削加工质量的可靠性。

实施例一：铣刀直径D＝10mm，右旋螺旋槽1的螺旋角θ＝15°、左旋分屑槽2的螺旋角β＝35°，右旋螺旋槽槽数Z₁＝12，右旋切削刃4的刃宽为g₁，左旋分屑槽2的槽宽g₂，左旋分屑槽槽数Z₂；具体设计方法步骤如下：

步骤1：保证连续切削过程中，无“空切现象”，即同一条切削刃上下相邻两微齿的间距为0，需要满足；

g₂cos15＝g₁cos35(1)

步骤2：连续切削过程中，实现左旋切削刃4与右旋切削刃5交替切削，即p＝q＝h；

(1)右旋切削刃4高度q＝h，；

当Z₂>12时：

当Z₂<12时：

(2)左旋切削刃5高度p＝h；

当Z₂>12时：

当Z₂<12时：

步骤3：联立上式，可确定出Z₂的值。

当Z₂>12时：

Z₂＝18(10)

当Z₂<12时：

Z₂＝6(11)

步骤4：将Z₂＝18带入上式可求得g₂＝0.7148mm，g₁＝0.8428mm，并且将该刀具结构参数导入模型中，铣刀二维图如图3所示，满足Z向无空切和X方向左旋切削刃5和右旋切削刃4交替切削的加工方式。(Z₂＝6得到的参数导入模型中使得右旋螺旋槽2过小，不便于排屑，故舍弃)。

实施例二：铣刀直径D＝6mm，右旋螺旋槽1的螺旋角θ＝15°、左旋分屑槽2的螺旋角β＝35°，右旋螺旋槽数Z₁＝10，右旋切削刃4的刃宽为g₁，左旋螺旋槽2的槽宽g₂，左旋分屑槽槽数Z₂；具体设计方法步骤如下：

步骤1：保证连续切削过程中，无“空切现象”，即需要满足；

g₂cos15＝g₁cos35(1)

步骤2：连续切削过程中，实现左旋切削刃4与右旋切削刃5交替切削，即满足p＝q＝h；

(1)右旋切削刃4高度q＝h；

当Z₂>10时：

当Z₂<10时：

(2)左旋切削刃5高度p＝h；

当Z₂>10时：

当Z₂<10时：

步骤3：联立上式，可确定Z₂的值。

当Z₂>10时：

Z₂＝15(10)

当Z₂<10时：

Z₂＝5(11)

步骤4：将Z₂＝15带入上式可求得g₂＝0.5146mm，g₁＝0.6069mm，并且将该刀具结构参数导入模型中，铣刀二维图如图4所示，满足Z向无空切和X方向左旋切削刃5和右旋切削刃4交替切削的加工方式。(Z₂＝5得到的参数导入模型中使得右旋螺旋槽1过小，不便于排屑，故舍弃)。

本发明提供的一种在多齿铣刀上能够实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法，可将多刃铣刀复杂的几何结构考虑在内，从而保证上下表层纤维受到左右旋切削刃交替切削的作用，该微齿设计方法的铣刀已经得到验证，能够实现有效避免表层毛刺、撕裂损伤的产生。该方法计算较为简单，结果可靠，具有很好的工程应用前景。