本發(fā)明屬于機械加工領(lǐng)域，涉及一種碳纖維復(fù)合材料多刃銑削去除率計算方法。

背景技術(shù)：

金剛石涂層多刃銑刀利用微刃切削原理，在右旋的切削刃上加工了若干條左旋的斷屑槽，減小了單位時間內(nèi)材料的去除體積，進而減小切削力，提高加工質(zhì)量。同時，也加強了排屑和散熱能力，而表面的金剛石涂層則顯著降低了刀具的磨損速率。此外，由于該結(jié)構(gòu)銑刀能夠顯著減小軸向切削力，故而可大幅降低加工過程中的靜態(tài)撓曲和振動。

碳纖維復(fù)合材料由于物理性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。然而，由于其非均質(zhì)、各向異性的特點，采用傳統(tǒng)銑刀加工易產(chǎn)生分層、毛刺和撕裂等質(zhì)量缺陷，阻礙復(fù)合材料構(gòu)件的高質(zhì)高效加工。而由于多刃銑刀加工性能優(yōu)異，其已在碳纖維復(fù)合材料加工領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。為準確表述多刃銑刀的銑削性能，評價其加工效率，需對其切削過程中材料去除率進行準確計算，以指導(dǎo)其在工業(yè)生產(chǎn)中工藝參數(shù)的合理選取。然而由于該種銑刀出現(xiàn)時間較短，現(xiàn)有研究中對多刃銑刀的研究不夠深入，尚未有涉及其去除率計算的研究。此外，多刃銑刀由于存在多個斷屑槽，且刀刃排布錯綜復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的徑向切深、軸向切深以及進給速度直接相乘的方式進行計算時，結(jié)果誤差較大。因此需針對多刃銑刀的幾何特征和銑削過程刀具的運動特點，開發(fā)出一種多刃銑刀銑削材料去除率的計算方法。

現(xiàn)有文獻中，lopzedelacalle等人發(fā)表的《millingofcarbonfiberreinforcedplastics》一文在《advancedmaterialsresearch》2010年第83期第49-55頁中研究了多刃銑刀的幾何結(jié)構(gòu)對加工質(zhì)量和刀具磨損情況的影響。然而該研究只是定性分析，并沒有定量描述，且研究內(nèi)容未涉及單位時間內(nèi)的材料去除率，研究結(jié)果無法為評價該種銑刀的加工效率提供參考。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對多刃銑刀的幾何特征和銑削過程刀具的運動特點，發(fā)明一種計算多刃銑刀材料去除率的計算方法。該方法考慮多刃銑刀的幾何特征和銑削過程刀具的運動特點，利用光學(xué)顯微鏡測量多刃銑刀的幾何形貌，獲取多刃銑刀的幾何特征。通過設(shè)定銑削過程中銑削條件和刀具的幾何參數(shù)，計算出刀具單位時間內(nèi)的材料去除率。該方法能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，即考慮多刃銑刀錯綜復(fù)雜的斷屑槽對實際銑削過程的影響，從而能夠大大提升計算的精度，進而實現(xiàn)對其加工效率的準確評價，具有很好的工程應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種碳纖維復(fù)合材料多刃銑削去除率計算方法，其特征是，計算方法根據(jù)多刃銑刀的幾何特征和銑削過程刀具的運動特點，先利用光學(xué)顯微鏡測量多刃銑刀的幾何形貌，獲取多刃銑刀的幾何特征；再通過選定銑削過程中各種加工用量，給出刀具順銑、逆銑切出材料時的刀齒旋轉(zhuǎn)角計算公式，計算出刀具單位時間內(nèi)的材料去除率；準確地實現(xiàn)該類刀具材料去除率的計算；計算方法的具體步驟如下：

步驟一：利用光學(xué)顯微鏡測量多刃銑刀的幾何形貌，獲取多刃銑刀的幾何特征；

測量多刃銑刀的單元切削刃刃長δs，單元切削刃之間的距離δt，刀齒螺旋角β，刀齒升角γ，刀具齒數(shù)m，銑刀直徑d，如附圖1所示。

步驟二：設(shè)定銑削過程中徑向切深ae，設(shè)φst為切入角，表示刀具切入材料時的刀齒旋轉(zhuǎn)角；φex為切出角，表示刀具切出材料時的刀齒旋轉(zhuǎn)角。切入角和切出角表征了刀具與工件相接觸的角度范圍。

若銑削過程為順銑，則有：

若銑削過程為逆銑，則有：

記φ為刀齒在任意位置時對應(yīng)的刀齒旋轉(zhuǎn)角；

步驟三：設(shè)定銑削過程中的每齒進給量fz，計算銑削過程中的瞬時切削厚度hd(φ)。

銑削過程中每一瞬時切削厚度不等，刀齒在點a處為臨界位置，在a點兩側(cè)的兩個區(qū)域的瞬時切削厚度隨刀齒旋轉(zhuǎn)角φ變化的規(guī)律不同，因此以a為臨界點，分別對兩種情況進行解析。

記為max(φst，φex)，則順銑中表示切入角，逆銑中表示切出角，由幾何關(guān)系得：

步驟四：設(shè)定銑削過程的軸向切深ap，計算每個刀齒在切深范圍內(nèi)沿軸向方向的瞬時切深dzj，由幾何三角關(guān)系得到：

dzj＝dsj·cosβ(5)

記j＝0,1,…,m-1為刀齒序號，由于每個刀齒上的微刃之間存在空隙，需要計算每個刀齒上實際參與切削的切削刃的長度dsj，表示為：

其中floor為向下取整函數(shù)，mod為取余函數(shù)。

步驟五：計算每個刀齒的瞬時切削面積aj；

切削面積aj等于瞬時切削厚度乘以每個刀齒沿軸向方向的瞬時切深，即：

aj＝hd(φ)·dzj(7)

在刀具旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個刀齒只在接觸工件時才參與切削，因此只需對切削弧長內(nèi)的瞬時切削面積進行積分，即可得到每個刀齒去除材料的體積vj。于是：

步驟六：選定銑削過程的主軸轉(zhuǎn)速n，計算刀具單位時間內(nèi)的材料去除率q：

通過上述步驟完成計算刀具單位時間內(nèi)的材料去除率計算。

本發(fā)明的有益效果是采用多刃銑刀銑削碳纖維復(fù)合材料可大幅提升加工質(zhì)量，減輕刀具磨損。使用本發(fā)明提供的多刃銑刀材料去除率計算方法可將多刃銑刀復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)，實現(xiàn)材料去除率的準確計算，為評價該種銑刀的加工效率提供依據(jù)。該方法計算簡單，結(jié)果可信，具有很好的工程應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為多刃銑刀的切削刃展開圖；其中：δs—多刃銑刀的單元切削刃刃長；δt—單元切削刃之間的距離，β—刀齒螺旋角，γ—刀齒升角，m—刀具齒數(shù)，ap—銑削過程軸向切深，dz—微元的瞬時切深，ds—微元切削刃長度。

圖2為銑削過程的原理示意圖。其中：ae—銑削過程徑向切深，fz—銑削過程每齒進給量，hd—銑削過程瞬時切削厚度，φ—刀齒旋轉(zhuǎn)角，φex—切出角，表示刀具切出材料時的刀齒旋轉(zhuǎn)角，φa—臨界角，表示瞬時切削厚度規(guī)律開始發(fā)生變化的刀齒旋轉(zhuǎn)角。圖示過程為逆銑，故φst＝0未畫出。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

本實施例選用工件為碳纖維復(fù)合材料單向板，工件厚度為3mm。圖1為多刃銑刀的切削刃展開圖，圖2為銑削過程的原理示意圖。

計算方法的具體步驟如下：

步驟一：利用光學(xué)顯微鏡測量多刃銑刀的幾何形貌，獲取多刃銑刀的幾何特征；本實施例中，使用多刃銑刀參數(shù)如下：單元切削刃刃長δs＝1mm，單元切削刃之間的距離δt＝1.3mm，刀齒螺旋角β＝16°，刀齒升角γ＝4°，刀具齒數(shù)m＝12，銑刀直徑d＝10mm。

步驟二：本實施例中對碳纖維復(fù)合材料進行側(cè)銑加工，采用逆銑形式，徑向切深ae＝3mm，軸向切深ap＝3mm。依據(jù)公式(2)計算得：

φst＝0，φex＝66.42°。

步驟三：本實施例中選用每齒進給量為fz＝30μm，按公式(3)、(4)計算得：

步驟四：按公式(5)、(6)計算每個刀齒上的微刃沿軸向的瞬時切深dzj：

步驟五：按公式(7)、(8)計算每個刀齒去除材料的體積vj：

步驟六：本實施例中主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為5000rpm，則綜合以上各式結(jié)果，按公式(9)得到該銑刀單位時間內(nèi)的材料去除率q為：

本發(fā)明提供的多刃銑刀材料去除率計算方法可將多刃銑刀復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)，從而實現(xiàn)材料去除率的準確計算，進而為評價該種銑刀的加工效率提供依據(jù)。該方法計算較為簡單，結(jié)果可信，具有很好的工程應(yīng)用前景。