一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，該方法對(duì)鉆頭在高速切削時(shí)，就鉆頭的前角、后角、螺旋角對(duì)鉆頭的最大應(yīng)力和最大變形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析，以提高刀具強(qiáng)度、剛度和排屑性能為目標(biāo)，進(jìn)行了優(yōu)化參數(shù)分析。本發(fā)明對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，改變類(lèi)比、實(shí)驗(yàn)和仿制等傳統(tǒng)的刀具設(shè)計(jì)方式，可以極大地縮短設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，鉆頭的可靠性、鉆削性能、壽命、鉆削質(zhì)量等有較明顯的改善。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于刀具領(lǐng)域，尤其涉及一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目的是在產(chǎn)品 制造過(guò)程中，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小，與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，達(dá)到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙 贏。綠色切削技術(shù)是綠色制造的一個(gè)組成部分，干式切削是在切削加工過(guò)程中不使用任何 切削液，完全消除切削液負(fù)面影響的一種綠色切削加工方式。干式切削的實(shí)現(xiàn)要考慮由于 缺少切削液的潤(rùn)滑、冷卻、排屑等作用后，刀具-工件、刀具-切屑之間的摩擦力、切削力、切 削熱、刀具壽命及加工質(zhì)量的變化等，繼而對(duì)刀具、機(jī)床、工件在內(nèi)的整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行全 面地考慮。在綠色制造的大背景下，中國(guó)大陸汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，價(jià)格大戰(zhàn)此起彼 伏。作為汽車(chē)生產(chǎn)廠家都在千方百計(jì)地考慮如何降低生產(chǎn)成本這個(gè)問(wèn)題，以順應(yīng)激烈的市 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，而用國(guó)產(chǎn)刀具替代進(jìn)口刀具是減少生產(chǎn)成本的一條重要途徑之一。用戶(hù)對(duì)于能承 受更高的切削熱、具備高速切削性能、價(jià)格適中的國(guó)產(chǎn)干式切削刀具比較歡迎。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，旨在縮短 干式鉆頭的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高刀具強(qiáng)度、剛度和排屑性能。
[0004] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，對(duì)汽車(chē)發(fā) 動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭高速切削時(shí)，就鉆頭的前角、后角、螺旋角對(duì)鉆頭的最大應(yīng)力和最大 變形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析，以提高刀具強(qiáng)度、剛度和排屑性能為 目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)分析。
[0005] 進(jìn)一步，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法的具體過(guò)程包括：
[0006] 步驟一、對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的基礎(chǔ)理論及干式切削機(jī)理進(jìn)行研究， 試驗(yàn)并分析鉆頭幾何角度（幾何參數(shù)）對(duì)鉆削性能的影響以及高速切削時(shí)刀具的磨損、破 損特征，確定在高速切削時(shí)，刀具的損壞形式主要是磨損和破損，增大刀具前角增大剪 切角Φ，切削變形減小，切削力降低，刀具磨損和破損減少，刀具壽命增加；
[0007] 步驟二、高速切削時(shí)，分析前角、后角、螺旋角的綜合作用，選定各參數(shù)的優(yōu)化范 圍，選定前角Υ在30°?-30°之間進(jìn)行刀具的有限元分析和參數(shù)優(yōu)化，選定后角α在 12°?16°之間之間進(jìn)行刀具的有限元分析和參數(shù)優(yōu)化，選定螺旋角螺旋角β在15°? 40°之間之間進(jìn)行刀具的有限元分析和參數(shù)優(yōu)化；
[0008] 步驟三、依據(jù)干式切削刀具材料的選擇原則，對(duì)常用刀具材料的干式切削性能進(jìn) 行對(duì)比分析，確定整體硬質(zhì)合金、整體硬質(zhì)合金PVD(TiN)涂層比較適合做汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸 體用高速鉆頭的優(yōu)化方法的材料；
[0009] 步驟四、采用Pro/e建模，對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，利用ANSYS軟件，就鉆頭的 前角、后角、螺旋角對(duì)鉆頭的最大應(yīng)力和最大變形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì) 比分析，以提高刀具強(qiáng)度、剛度和排屑性能為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn) 打新廣品試制。
[0010] 進(jìn)一步，在ANSYS軟件中對(duì)鉆頭加載時(shí)需對(duì)其受力模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，依據(jù)材料的連 續(xù)性，假設(shè)力在鉆尖部分均勻分布，計(jì)算出主切屑刃外緣和靠近鉆心部分的軸向力和扭矩， 然后進(jìn)行線(xiàn)性插值處理，得到鉆尖部分的受力模型。
[0011] 進(jìn)一步，在ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分單元時(shí)將切削錐部劃分得細(xì)一些，導(dǎo)向部 分劃分得粗一些，并從鉆尖與導(dǎo)向部分連接處開(kāi)始逐漸由密到疏，同時(shí)在有限元軟件中對(duì) 鉆頭模型施加各軸向力和切向力。
[0012] 進(jìn)一步，鉆頭有限元分析是在保持后角取12°不變的情況下先對(duì)前角和螺旋角進(jìn) 行優(yōu)化分析，當(dāng)?shù)毒咔敖侨≈?8°，螺旋角取25°時(shí)最大應(yīng)力和最大變形最小，從而得到 最佳的優(yōu)化參數(shù)，在后角優(yōu)化分析過(guò)程中，選擇后角為1Γ?16°進(jìn)行驗(yàn)證性分析，最大 應(yīng)力和最大變形在1Γ?16°之間隨刀具的后角的增加有增大的趨勢(shì)，在12°時(shí)最大應(yīng) 力和最大變形最小，確定刀具的后角取值12°最為合理。
[0013] 效果：r總
[0014] 本發(fā)明首次對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，改變類(lèi)比、實(shí)驗(yàn)和仿 制等傳統(tǒng)的刀具設(shè)計(jì)方式，可以極大地縮短設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用 高速鉆頭的優(yōu)化方法高速切削時(shí)，就鉆頭的前角、后角、螺旋角對(duì)鉆頭的最大應(yīng)力和最大變 形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析，進(jìn)行了優(yōu)化參數(shù)分析，鉆頭的可靠性、鉆 削性能、壽命、鉆削質(zhì)量等有較明顯的改善。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法的流程圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的前角對(duì)切削性能的綜合影響圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0018] 對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭高速切削時(shí)，就鉆頭的前角、后角、螺旋角對(duì)鉆頭 的最大應(yīng)力和最大變形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析，以提高刀具強(qiáng)度、 剛度和排屑性能為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)分析。
[0019] 進(jìn)一步，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法的參數(shù)優(yōu)化的具體過(guò)程包 括：
[0020] S101:對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的基礎(chǔ)理論及干式切削機(jī)理進(jìn)行研究，試 驗(yàn)并分析鉆頭幾何角度（幾何參數(shù)）對(duì)鉆削性能的影響以及高速切削時(shí)刀具的磨損、破損 特征，確定在高速切削時(shí)，增大刀具前角增大剪切角Φ，切削變形減小，切削力降低， 刀具磨損和破損減少，刀具壽命增加；
[0021] 從切削變形的計(jì)算公式為,=

【權(quán)利要求】
1. 一種汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，其特征在于，所述的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣 缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭高速切削時(shí)，就鉆頭的前角、 后角、螺旋角對(duì)鉆頭的最大應(yīng)力和最大變形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分 析，以提高刀具強(qiáng)度、剛度和排屑性能為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)分析。
2. 如權(quán)利要求1所述的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，其特征在于，汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法的具體過(guò)程包括： 步驟一、對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的基礎(chǔ)理論及干式切削機(jī)理進(jìn)行研究，試驗(yàn) 并分析鉆頭幾何角度對(duì)鉆削性能的影響以及高速切削時(shí)刀具的磨損、破損特征，確定在高 速切削時(shí)，刀具的損壞形式主要是磨損和破損，增大刀具前角增大剪切角Φ，切削變形 減小，切削力降低，刀具磨損和破損減少，刀具壽命增加； 步驟二、高速切削時(shí)，分析前角、后角、螺旋角的綜合作用，選定各參數(shù)的優(yōu)化范圍，選 定前角Υ在30°?-30°之間進(jìn)行刀具的有限元分析和參數(shù)優(yōu)化，選定后角α在12°? 16°之間之間進(jìn)行刀具的有限元分析和參數(shù)優(yōu)化，選定螺旋角螺旋角β在15°?40°之 間之間進(jìn)行刀具的有限元分析和參數(shù)優(yōu)化； 步驟三、依據(jù)干式切削刀具材料的選擇原則，對(duì)常用刀具材料的干式切削性能進(jìn)行對(duì) 比分析，確定整體硬質(zhì)合金、整體硬質(zhì)合金PVD (TiN)涂層比較適合做汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用 高速鉆頭的優(yōu)化方法的材料； 步驟四、采用Pro/e建模，對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，利用ANSYS軟件，就鉆頭的前 角、后角、螺旋角對(duì)鉆頭的最大應(yīng)力和最大變形的影響作單因素的有限元數(shù)值計(jì)算和對(duì)比 分析，以提高刀具強(qiáng)度、剛度和排屑性能為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行 新廣品試制。
3. 如權(quán)利要求1所述的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，其特征在于，在 ANSYS軟件中對(duì)鉆頭加載時(shí)需對(duì)其受力模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，依據(jù)材料的連續(xù)性，假設(shè)力在鉆尖部 分均勻分布，計(jì)算出主切屑刃外緣和靠近鉆心部分的軸向力和扭矩，然后進(jìn)行線(xiàn)性插值處 理，得到鉆尖部分的受力模型。
4. 如權(quán)利要求1所述的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，其特征在于，在 ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分單元時(shí)將切削錐部劃分得細(xì)一些，導(dǎo)向部分劃分得粗一些，并從 鉆尖與導(dǎo)向部分連接處開(kāi)始逐漸由密到疏，同時(shí)在有限元軟件中對(duì)鉆頭模型施加各軸向力 和切向力。
5. 如權(quán)利要求1所述的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體用高速鉆頭的優(yōu)化方法，其特征在于，鉆頭 有限元分析是在保持后角取12°不變的情況下先對(duì)前角和螺旋角進(jìn)行優(yōu)化分析，當(dāng)?shù)毒?前角取值28°，螺旋角取25°時(shí)最大應(yīng)力和最大變形最小，從而得到最佳的優(yōu)化參數(shù)，在 后角優(yōu)化分析過(guò)程中，選擇后角為1Γ?16°進(jìn)行驗(yàn)證性分析，最大應(yīng)力和最大變形在 1Γ?16°之間隨刀具的后角的增加有增大的趨勢(shì)，在12°時(shí)最大應(yīng)力和最大變形最小， 確定刀具的后角取值12°最為合理。
【文檔編號(hào)】B23B51/02GK104289747SQ201410582639
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】王亞輝, 張春梅, 吳金妹 申請(qǐng)人:華北水利水電大學(xué)