抑制多刃微齿铣刀切削刃边缘破损的微齿排布设计方法

摘要

本发明属于难加工材料切削加工技术领域，提供了一种抑制多刃微齿铣刀切削刃边缘破损的微齿排布设计方法，将三维立体铣刀沿轴向剖开后展开，形成以切向和轴向为坐标系的二维铣刀微齿布局图，通过确定铣刀结构参数，确定微齿上下边缘重叠排布的设计方法，微齿两边缘重叠排布方式能有效降低尖角点处的切削厚度，在长切削行程下，保证微齿的优秀切削性能。同时，保证微齿切削厚度相对均匀，降低高速铣削碳纤维复合材料时的刀具颤振，从而避免在薄弱尖角点处出现易崩刃的现象，此外，基于三维建模软件SolidWorks，验证了该排布设计方法的准确性，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

本发明属于难加工材料的切削加工技术领域，涉及一种抑制多刃微齿铣刀切削刃边缘破损的微齿排布设计方法，通过对微齿进行排布设计，降低微齿切削刃边缘的切削厚度，能够有效解决切削刃边缘破损的问题。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)相比于其它金属材料而言，具有比强度高、耐疲劳性、耐腐蚀性和承载能力强等性能优势，因此，CFRP已成为航空航天交通等领域运载装备及减重增效的优选材料。对于航空航天装备中使用的碳纤维复合材料构件，在其铺放固化成型后，为满足装配尺寸要求，需进行二次加工，铣削成为主要加工方式之一。然而，碳纤维复合材料属于典型的难加工材料，其材料中增强纤维和树脂基体的线膨胀系数不同，增强纤维极易发生脆性断裂，切削刃不断受到基体和纤维的冲击载荷作用，且载荷集中在刀屑接触点附近很小的面积上，而硬质合金铣刀的韧性较差，导致切削刃边缘极易产生破损，此外，在铣削加工时，瞬时切削厚度是不断变化的，导致切削刃承受的切削力呈波动性变化，若切削刃强度不足，将导致切削刃发生破损，从而引起加工表面质量差、刀具寿命低等问题。特别是带有微齿结构的铣刀，微齿呈一定规则交错排布，微齿排布能够确定相邻两微齿的重叠部分，若相邻微齿中间部分重叠，而微齿边缘部分未重叠，则导致微齿边缘部分比微齿中间部分切削厚度大，致使边缘部分所受切削力大，同时由于切削刃边缘比较尖锐，强度较低，因此边缘部分更易产生破损。相反，若切削刃边缘部分重合，而微齿中间不重合，则可以减小微齿边缘部分的切削厚度，从而有效保护微齿边缘。因此考虑微齿排布对提高微齿铣刀的刀具寿命具有重要意义。

唐臣升等人发明的“整体硬质合金鱼鳞铣刀”，专利申请号200910013142.0，它涉及一种用于碳纤维、玻璃纤维等复合材料的铣削加工的铣刀，采用左、右旋螺旋槽对称交错构成切削单元，切削刃数增至24条，在一定程度上相对于双刃、四刃等铣刀提高了切削效率和加工质量，降低了铣削力。同时为了增加微齿切削的切削深度、提高加工效率，大连理工大学王福吉等人发明的“用于碳纤维复合材料高速铣切的多刃微齿铣刀”，申请专利号201610806761.5，通过负前角及大副偏角设计，辅以微齿切削刃长度的增加，提高了单个微齿的强度。然而上述发明专利的微齿铣刀设计未考虑微齿排布对切削刃边缘破损的影响，若微齿排布不合理，将导致微齿边缘易破损，从而降低了加工质量和刀具寿命。

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微齿薄弱边缘处的崩刃和磨损，以提高铣刀刀具寿命和切削性能。为此，发明了一种抑制复材加工时切削刃边缘破损的铣刀多刃排布设计方法。通过确定铣刀关键结构参数，通过刀具结构几何关系计算得到微齿边缘处前后重叠，微齿两边缘重叠排布方式能有效降低边缘处的切削厚度，从而避免在薄弱边缘处出现易崩刃的现象，并且基于三维建模软件SolidWorks，验证该排布设计方法的准确性，实现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：

一种抑制多刃微齿铣刀切削刃边缘破损的微齿排布设计方法，将三维立体铣刀沿轴向剖开后展开，选择表征排布方式的有效切削部分，形成以切向和轴向为坐标系的二维铣刀微齿布局图，右旋螺旋槽1与左旋分屑槽2交错形成微齿3，微齿3包含下边缘部分4和上边缘部分5；铣刀设计过程，刀具几何参数已知，微齿3的长度A、右旋螺旋槽1的槽宽B、右旋螺旋槽1的螺旋角θ、铣刀刃数Z₁、铣刀直径D，而微齿3的排布方式主要由变量：左旋分屑槽2切向长度d，微齿3齿间宽度c，左旋分屑槽2的螺旋角β，微齿3切向长度f，左旋分屑槽2槽数Z₂决定；具体设计方法步骤如下：

步骤1：由铣刀直径D和铣刀刃数Z₁，计算出微齿3齿间宽度c；

步骤2：选取左旋分屑槽2的切向长度d作为自变量参数，以右旋螺旋槽1槽宽B与左旋分屑槽2切向长度d边建立三角形，由该三角形几何关系，计算出左旋分屑槽螺旋角β；

同理，以微齿3长度A和微齿3切向长度f为边长建立三角形，由该三角形几何关系，计算出微齿切向长度f和左旋分屑槽槽数Z₂；

f＝(π×D÷Z₂)-d>

步骤3：判断是否满足关系d<c<f，若满足，则每一个微齿3的下边缘部分4和上边缘部分5被前一个微齿3切削刃覆盖，形成微齿3两边缘处重叠排布的方式，若不满足，则回到步骤2重新选取分屑槽切向长度d。

本发明的有益效果是发明了一种抑制复材加工时切削刃边缘破损的铣刀多刃排布设计方法，在铣削碳纤维复合材料时，边缘部位去除材料前，总有前一个微齿完成对材料的部分去除，因此，这种排布方式能降低微齿两边缘处的切削厚度，从而降低薄弱边缘破损，在长切削行程下，保证微齿的优秀切削性能。再之，该排布方法解决了因分屑槽无法切除材料而引起切削厚度累积增大的问题，保证微齿切削厚度相对均匀，降低高速铣削碳纤维复合材料时的刀具颤振，提高刀具寿命，减少刀具更换时间，从而提高加工效率和表面质量。该排布方式的铣刀既能保证铣刀具有良好的排屑性能，又具有连续刃切削时的相对稳定性，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为微齿两边缘重叠排布方式计算流程图；

图2为微齿两边缘重叠排布方式展开图；

图3为实施例1的三维刀具；

图4为实施例2的三维刀具。

图中：1螺旋槽；2分屑槽；3微齿；4微齿下边缘部分；5微齿上边缘部分；

A微齿长度；B分屑槽宽度；θ右旋螺旋槽的螺旋角；Z₁铣刀刃数；D铣刀直径；d分屑槽切向长度；c微齿齿间宽度；β左旋分屑槽的螺旋角；f微齿切向长度；Z₂分屑槽槽数。

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。

本实施例的一种抑制复材加工时切削刃边缘破损的铣刀多刃排布设计方法，如图1所示，铣刀设计时，考虑减少毛刺损伤而降低轴向分力，确定刀具基本几何参数如下：右旋螺旋槽螺旋角θ＝15°，微齿3的长度A＝1.3mm，螺旋槽槽宽B＝0.8mm，铣刀刃数Z₁＝12，铣刀直径D＝10mm，分别选取分屑槽切向长度d₁＝2mm，d₂＝2.3mm，确定微齿齿间宽度c，左旋分屑槽螺旋角β，微齿切向长度f，分屑槽槽数Z₂，并且分析几种不同的排布方式。具体设计方法步骤如下：

步骤1：由铣刀直径D和铣刀刃数Z₁，依据公式(1)计算出微齿齿间宽度c＝2.618mm。

步骤2：分别选取分屑槽切向长度d₁＝2mm，d₂＝2.3mm，依据公式(2)(3)(4)，分别计算出β₁＝66.7°，β₂＝69.7°，f₁＝3.25mm，f₁＝3.7375mm，Z₂₁＝6，Z₂₂＝5。

步骤3：由步骤1、2计算的几何参数，分析分屑槽切向长度d的不同取值下微齿的排布方式：

此时，满足d₁<c<f₁，d₂<c<f₂，均形成微齿上下边缘重叠的排布方式，基于三维绘图软件SolidWorks，可设计出上述两刀具，如图2、3所示，微齿均有下边缘重叠部分4和上边缘重叠部分5。

本发明通过三维建模软件SolidWorks对该设计方法的准确性进行了验证，能够得到微齿上下边缘重叠排布方式的三维铣刀模型。采用主轴转速6000rpm，进给量800mm/min时，每齿切削深度为0.011mm/z，此外，将两边缘重叠排布方式的铣刀应用于4mm厚的碳纤维复合材料多向板铣削实验，实验发现：微齿上下边缘重叠排布方式的铣刀在铣削2m后切削刃磨损均匀，且无崩刃现象，其能有效避免微齿边缘的崩刃问题，从而满足碳纤维复合材料大切削用量下高速平稳有效的加工需求。