一种碳纤维复合材料的多刃铣削去除率计算方法

摘要

本发明一种碳纤维复合材料的多刃铣削去除率计算方法属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料多刃铣削去除率计算方法。计算方法根据多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，先利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征。再通过选定铣削过程中各种加工用量，给出刀具顺铣、逆铣切出材料时的刀齿旋转角计算公式，计算出刀具单位时间内的材料去除率，准确地实现该类刀具材料去除率的计算。本发明提供的多刃铣刀材料去除率计算方法可将多刃铣刀复杂的几何结构考虑在内，实现材料去除率的准确计算，为评价该种铣刀的加工效率提供依据。该方法计算简单，结果可信，具有很好的工程应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料多刃铣削去除率计算方法。

背景技术

金刚石涂层多刃铣刀利用微刃切削原理，在右旋的切削刃上加工了若干条左旋的断屑槽，减小了单位时间内材料的去除体积，进而减小切削力，提高加工质量。同时，也加强了排屑和散热能力，而表面的金刚石涂层则显著降低了刀具的磨损速率。此外，由于该结构铣刀能够显著减小轴向切削力，故而可大幅降低加工过程中的静态挠曲和振动。

碳纤维复合材料由于物理性能优越，广泛应用于航天航空领域。然而，由于其非均质、各向异性的特点，采用传统铣刀加工易产生分层、毛刺和撕裂等质量缺陷，阻碍复合材料构件的高质高效加工。而由于多刃铣刀加工性能优异，其已在碳纤维复合材料加工领域得到初步应用。为准确表述多刃铣刀的铣削性能，评价其加工效率，需对其切削过程中材料去除率进行准确计算，以指导其在工业生产中工艺参数的合理选取。然而由于该种铣刀出现时间较短，现有研究中对多刃铣刀的研究不够深入，尚未有涉及其去除率计算的研究。此外，多刃铣刀由于存在多个断屑槽，且刀刃排布错综复杂，采用传统的径向切深、轴向切深以及进给速度直接相乘的方式进行计算时，结果误差较大。因此需针对多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，开发出一种多刃铣刀铣削材料去除率的计算方法。

现有文献中，Lopze de Lacalle等人发表的《Milling of Carbon FiberReinforced Plastics》一文在《Advanced Materials Research》2010年第83期第49-55页中研究了多刃铣刀的几何结构对加工质量和刀具磨损情况的影响。然而该研究只是定性分析，并没有定量描述，且研究内容未涉及单位时间内的材料去除率，研究结果无法为评价该种铣刀的加工效率提供参考。

发明内容

本发明的目的在于针对多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，发明一种计算多刃铣刀材料去除率的计算方法。该方法考虑多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征。通过设定铣削过程中铣削条件和刀具的几何参数，计算出刀具单位时间内的材料去除率。该方法能够克服现有技术的缺陷，即考虑多刃铣刀错综复杂的断屑槽对实际铣削过程的影响，从而能够大大提升计算的精度，进而实现对其加工效率的准确评价，具有很好的工程应用前景。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料多刃铣削去除率计算方法，其特征是，计算方法根据多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，先利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征；再通过选定铣削过程中各种加工用量，给出刀具顺铣、逆铣切出材料时的刀齿旋转角计算公式，计算出刀具单位时间内的材料去除率；准确地实现该类刀具材料去除率的计算；计算方法的具体步骤如下：

步骤一：利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征；

测量多刃铣刀的单元切削刃刃长ΔS，单元切削刃之间的距离ΔT，刀齿螺旋角β，刀齿升角γ，刀具齿数m，铣刀直径d，如附图1所示。

步骤二：设定铣削过程中径向切深a_e，设Φ_st为切入角，表示刀具切入材料时的刀齿旋转角；Φ_ex为切出角，表示刀具切出材料时的刀齿旋转角。切入角和切出角表征了刀具与工件相接触的角度范围。

若铣削过程为顺铣，则有：

若铣削过程为逆铣，则有：

记Φ为刀齿在任意位置时对应的刀齿旋转角；

步骤三：设定铣削过程中的每齿进给量f_z，计算铣削过程中的瞬时切削厚度h_D(Φ)。

铣削过程中每一瞬时切削厚度不等，刀齿在点A处为临界位置，在A点两侧的两个区域的瞬时切削厚度随刀齿旋转角Φ变化的规律不同，因此以A为临界点，分别对两种情况进行解析。

记为max(Φ_st，Φ_ex)，则顺铣中表示切入角，逆铣中表示切出角，由几何关系得：

步骤四：设定铣削过程的轴向切深a_p，计算每个刀齿在切深范围内沿轴向方向的瞬时切深d_zj，由几何三角关系得到：

d_zj＝d_sj·cosβ(5)

记j＝0,1,…,m-1为刀齿序号，由于每个刀齿上的微刃之间存在空隙，需要计算每个刀齿上实际参与切削的切削刃的长度d_sj，表示为：

其中floor为向下取整函数，mod为取余函数。

步骤五：计算每个刀齿的瞬时切削面积A_j；

切削面积A_j等于瞬时切削厚度乘以每个刀齿沿轴向方向的瞬时切深，即：

A_j＝h_D(Φ)·d_zj(7)

在刀具旋转一周的过程中，每个刀齿只在接触工件时才参与切削，因此只需对切削弧长内的瞬时切削面积进行积分，即可得到每个刀齿去除材料的体积V_j。于是：

步骤六：选定铣削过程的主轴转速N，计算刀具单位时间内的材料去除率Q：

通过上述步骤完成计算刀具单位时间内的材料去除率计算。

本发明的有益效果是采用多刃铣刀铣削碳纤维复合材料可大幅提升加工质量，减轻刀具磨损。使用本发明提供的多刃铣刀材料去除率计算方法可将多刃铣刀复杂的几何结构考虑在内，实现材料去除率的准确计算，为评价该种铣刀的加工效率提供依据。该方法计算简单，结果可信，具有很好的工程应用前景。

附图说明

图1为多刃铣刀的切削刃展开图；其中：ΔS—多刃铣刀的单元切削刃刃长；ΔT—单元切削刃之间的距离，β—刀齿螺旋角，γ—刀齿升角，m—刀具齿数，a_p—铣削过程轴向切深，d_z—微元的瞬时切深，d_s—微元切削刃长度。

图2为铣削过程的原理示意图。其中：a_e—铣削过程径向切深，f_z—铣削过程每齿进给量，h_D—铣削过程瞬时切削厚度，Φ—刀齿旋转角，Φ_ex—切出角，表示刀具切出材料时的刀齿旋转角，Φ_A—临界角，表示瞬时切削厚度规律开始发生变化的刀齿旋转角。图示过程为逆铣，故Φ_st＝0未画出。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明进行进一步详细说明。

本实施例选用工件为碳纤维复合材料单向板，工件厚度为3mm。图1为多刃铣刀的切削刃展开图，图2为铣削过程的原理示意图。

计算方法的具体步骤如下：

步骤一：利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征；本实施例中，使用多刃铣刀参数如下：单元切削刃刃长ΔS＝1mm，单元切削刃之间的距离ΔT＝1.3mm，刀齿螺旋角β＝16°，刀齿升角γ＝4°，刀具齿数m＝12，铣刀直径d＝10mm。

步骤二：本实施例中对碳纤维复合材料进行侧铣加工，采用逆铣形式，径向切深a_e＝3mm，轴向切深a_p＝3mm。依据公式(2)计算得：

Φ_st＝0，Φ_ex＝66.42°。

步骤三：本实施例中选用每齿进给量为f_z＝30μm，按公式(3)、(4)计算得：

步骤四：按公式(5)、(6)计算每个刀齿上的微刃沿轴向的瞬时切深d_zj：

步骤五：按公式(7)、(8)计算每个刀齿去除材料的体积V_j：

步骤六：本实施例中主轴转速设定为5000rpm，则综合以上各式结果，按公式(9)得到该铣刀单位时间内的材料去除率Q为：

本发明提供的多刃铣刀材料去除率计算方法可将多刃铣刀复杂的几何结构考虑在内，从而实现材料去除率的准确计算，进而为评价该种铣刀的加工效率提供依据。该方法计算较为简单，结果可信，具有很好的工程应用前景。