[发明专利]高速铣刀多结构层次设计方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高速铣刀设计方法，具体涉及高速铣刀服役行为多结构层次模型及其协同设计方法。

背景技术：

随着高速切削技术与刀具材料的不断开发和应用，高速铣刀已由满足某种特定功能的机床工具，发展成为满足多层次功能需求的高品质产品。高速铣刀在使用状态下所表现出的性能变化，使得高速铣刀服役行为受到广泛关注。

目前，公知的高速铣刀设计方法是通过分析铣刀结构、材料及切削参数与安全性、切削稳定性、加工质量和加工效率等服役行为之间的关系，获得铣刀结构、材料与切削参数匹配条件和设计方案。这种设计方法针对性强，初期见效快，但受高速铣刀多元化、复杂化和高速铣削工艺环境随机因素影响，其服役条件的获得具有模糊性和不确定性，高速铣刀产品串行设计上存在较多冲突，且高速铣刀设计开发周期较长。

发明内容：

本发明的目的是为了解决上述高速铣刀服役性能衰退和铣刀产品串行设计上存在的设计冲突和设计回路过多等问题，提供一种高速铣刀服役行为多结构层次模型构建与协同设计方法，满足高速铣刀在较高层次上的功能需求。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

高速铣刀多结构层次设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)利用已有的高速铣刀减振模型，结合铣刀服役特性分析，获取高速铣削过程中铣刀结构、材料和切削参数对铣刀服役性能影响相关数据，构建高速铣刀服役行为多结构层次模型；

(2)通过高速铣刀结构域、材料域与功能域之间映射变换和有限元分析，获得高速铣刀服役行为结构层次分解方案；

(3)采用公理设计参数结构合并准则和设计约束转换准则，降低高速铣刀设计耦合程度，获得高速铣刀结构参数与材料参数设计序列；

(4)依照步骤(3)获得的设计序列，依次完成铣刀刚度矩阵、质量矩阵、刀片材料热力学特性、刀片与工件摩擦系数、铣刀材料屈服强度和铣刀材料密度等材料参数初始设计；

(5)在步骤(4)的基础上，依次完成铣刀直径、齿数、刀齿间角和铣刀前角结构设计，并通过铣刀材料屈服强度、铣刀材料密度、刀片材料热力学特性、刀片与工件摩擦系数、铣刀刚度矩阵和质量矩阵优化，依次完成铣刀轴向长度及误差、副偏角和铣刀动平衡精度设计，达到安全、稳定、高效切削服役行为的铣刀设计目标。

有益效果：

1.本发明依据高速铣刀服役行为多结构层次模型，分层次对高速铣刀设计参数进行量化评估和处理，可有效降低高速铣刀设计耦合程度，由此获得的设计方案消除了高速铣刀结构设计回路，并使其材料设计结果得到优化。按高速铣刀结构层次设计序列开发的高速铣刀，具有较高的安全性和高效切削稳定性，缩短了高速铣刀设计开发周期。

2.本发明通过构建高速铣刀服役行为多结构层次模型，较全面地反映出铣刀产品经济和社会满意度；依据获得的高速铣刀结构层次设计序列进行高速铣刀设计，有效解决高速铣刀设计参数交互作用导致的高速铣刀服役性能衰退和铣刀产品串行设计上存在的设计冲突和设计回路过多等问题，该方法为在功能耦合的条件下进行高速铣刀产品协同优化设计提供了一条有效的途径。

附图说明：

附图1是高速铣刀服役行为结构层次。

附图2是高速铣刀服役行为多结构层次分解。

附图3是高速铣刀协同设计过程。

附图4是高速铣刀变形分析曲线。

附图5是高速铣刀应力场分析曲线。

附图6是高速铣刀模态分析曲线。

附图7是高速铣刀温度场分析曲线。

具体实施方式：

实施例1：

高速铣刀多结构层次设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)利用已有的高速铣刀减振模型，结合铣刀服役特性分析，获取高速铣削过程中铣刀结构、材料和切削参数对铣刀服役性能影响相关数据，构建高速铣刀服役行为多结构层次模型；

依据需求层次理论，优良服役行为既是高速铣刀在较高层次上的功能需求，也是实现高速切削的重要保障。因此，高速铣刀服役行为不仅综合反映了铣刀在高速切削过程中的状态和表现，而且能够较全面地反映出铣刀产品经济和社会满意度，是检验高速铣刀产品能否满足关键零部件高效、高精度加工需求的最终判据。

高速铣刀服役行为具有各类材料系统的共同特性，即层次性、相关性、相容性、整体性、开放性和动态性，如图1所示。

(2)通过高速铣刀结构域、材料域与功能域之间映射变换和有限元分析，获得高速铣刀服役行为结构层次分解方案；