一种铝合金粗加工刀具设计方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金粗加工刀具设计方法，基于专用切削加工有限元分析软件ThirdWaveAdvantEdge，设计出了适用于高速铣削铝合金的硬质合金立铣刀。所述的设计方法包括采用等效二维有限元仿真方法，结合单因素寻优设计方法，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响情况；基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀切削加工性能的影响，从而选定合适的刀具参数。采用本发明专利技术的铝合金粗加工刀具设计方法设计的硬质合金立铣刀能够稳定地加工铝合金车体型材结构件，并且获得较高的加工质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种刀具设计方法，特别涉及一种铝合金粗加工刀具设计方法，属于计算机辅助设计

技术介绍
随着高速铁路技术的不断发展，高速列车车体的制造材料实现了从碳钢向不锈钢、铝合金材料的转变，尤其是铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好并且容易制造复杂曲面等优点而被广泛应用。新一代高速列车车体采用高强度超薄壁铝合金型材，一般为多腔异型空心型材，以大型超长整体结构件为主，零件长度长达20米，截面形状复杂，广泛分布薄壁、斜筋等特征，壁厚在零件不同位置差异很大，是典型的大型整体结构弱刚性零件。切削加工过程中的切削力、切削热及切削振动等均容易导致零件变形，降低加工精度和加工表面质量，影响加工效率，铝合金车体型材结构件中密布的斜筋结构及焊点在高速加工过程中更加容易导致切削力、切削热和切削振动的突然变化，这对生产设备、加工刀具、以及适配的加工工艺提出了很高的要求。目前南车浦镇已经引进了国外先进的高速数控加工中心用于高速加工车体铝合金型材，但是缺乏相关高效加工工艺作为指导，选用刀具、加工参数存在一定缺陷，加工过程中存在效率低，刀具损耗大的问题。ThirdWaveAdvantEdgeFEM作为一个基于材料物性的有限元金属切削仿真软件，其仿真结果可以为实际加工提供一定的理论依据，避免传统加工中单方面凭借经验而导致的技术不可复制性和零件质量不可控性，已广泛地用于车削、铣削、钻孔等不同类型的切削加工仿真研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对铝合金车体型材加工环境不稳定这一难点，提供一种铝合金粗加工刀具设计方法，采用该设计方法设计的铣刀，具有加工稳定性好、加工质量高的优点。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种铝合金粗加工刀具设计方法，该方法包括以下步骤：步骤一：在软件ThirdWaveAdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，确定刀具的刃口钝圆半径、前角和后角的大小；步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角。进一步的，考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响的具体操作步骤如下：1）固定刀具的前角和后角，考察不同的刃口钝圆半径对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的刃口钝圆半径；2）固定刀具刃口钝圆半径和后角，考察不同的前角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的前角大小；3）固定刀具刃口钝圆半径和前角，考察不同的后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的后角大小。优选的，所述螺旋角的取值范围是：20°~40°。优选的，所述刃口钝圆半径的取值范围是：0.001mm~0.04mm。优选的，所述前角的取值范围是：5°~25°。优选的，所述后角的取值范围是：10°~20°。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：1、本专利技术通过软件仿真可以替代大量的试切，避免试切过程中材料的浪费，也节省了时间，缩短了设计和加工周期；2、采用等效二维有限元仿真方法，结合单因素寻优设计方法，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响，将铣削加工简化为有限个叠加的斜角切削加工，计算速度较快，可以进行关键的宏观刀具几何参数优化分析；3、基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀切削加工性能的影响，从而选定合适的刀具参数。采用本专利的铝合金粗加工刀具设计方法设计的硬质合金立铣刀能够稳定地加工铝合金车体型材结构件，具有切削力小、切削温度低、切削过程稳定、使用寿命长等优点。附图说明图1是本专利技术的操作流程图。图2是采用本专利技术提供的方法设计的硬质合金立铣刀。具体实施方式如图1所示，是本专利技术的操作流程图。铝合金粗加工刀具设计方法，包括以下步骤：步骤一：在软件ThirdWaveAdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；采用ThirdWaveAdvantEdge默认网格划分方法对工件和刀具进行网格划分。步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，具体操作步骤如下：1）固定刀具的前角和后角，考察不同的刃口钝圆半径对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的刃口钝圆半径，刃口钝圆半径的取值范围是：0.001mm~0.04mm。2）固定刀具刃口钝圆半径和后角，考察不同的前角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的前角大小，前角的取值范围是：5°~25°。3）固定刀具刃口钝圆半径和前角，考察不同的后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响情况，以确定刀具的后角大小，后角的取值范围是：10°~20°。步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角，螺旋角的取值范围是：20°~40°。螺旋角、刃口钝圆半径、前角及后角的跨度均根据铣削加工中的温度下降（或上升）趋势（或幅度）来选取。下面结合实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述，但不应以此限制本专利技术的保护范围。如图2所示，是采用本专利技术提供的刀具设计方法设计的一种加工铝合金高速列车车体型材的硬质合金立铣刀，该立铣刀直径为32mm，刃数为3刃，刃长为108mm，设计过程如下：1）在软件ThirdWaveAdvantEdge中建立工件材料和刀具的二维几何模型，工件材料宽度为50mm，材料选用AL6061铝合金，径向切宽为32mm，轴向切深为30mm，主轴转速10000rpm，每齿进给量0.1mm，采用ThirdWaveAdvantEdge默认网格划分方法对工件和刀具进行网格划分。2）固定刀具的前角为15°，后角为10°，考察不同的刃口钝圆半径（0.001mm、0.008mm、0.015mm、0.02mm、0.03mm及0.04mm）对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变等参数的影响情况。随着刀具刃口钝圆半径从0.001mm增加到0.04mm，切削温度、弹性应变、X方向及Y方向的切削力和力矩均有明显增加。刀具刃口钝圆半径会影响刀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在软件Third Wave AdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，确定刀具的刃口钝圆半径、前角和后角的大小；步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角。

【技术特征摘要】
1.一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在软件ThirdWaveAdvantEdge中建立二维铣刀数字化模型，将其几何尺寸与实际加工中的几何参数进行等效；
步骤二：选定一组前角、后角及刃口钝圆半径参数作为基本参照组，依次考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响，确定刀具的刃口钝圆半径、前角和后角的大小；
步骤三：基于二维仿真优化的刀具参数，建立三维仿真模型分析螺旋角对硬质合金铣刀在切削中的温度、应变、切削力和功率的影响，综合螺旋角对温度、应变、功率以及切削力的影响选定刀具的螺旋角。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金粗加工刀具设计方法，其特征在于，考察不同的刃口钝圆半径、前角和后角对于硬质合金铣刀铣削加工中的温度、切削力和弹性应变参数的影响的具体操作步骤如下：
1）固定刀具的前角和后角，考察不同的刃口钝圆半径对于硬质合金铣...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟鹤，张勃，刘凯，袁峰，吴惠惠，宋雷雷，朱伟，
申请(专利权)人：南京中车浦镇城轨车辆有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32