[发明专利]一种碳纤维复合材料的多刃铣削去除率计算方法

说明书

本发明一种碳纤维复合材料的多刃铣削去除率计算方法属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料多刃铣削去除率计算方法。计算方法根据多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，先利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征。再通过选定铣削过程中各种加工用量，给出刀具顺铣、逆铣切出材料时的刀齿旋转角计算公式，计算出刀具单位时间内的材料去除率，准确地实现该类刀具材料去除率的计算。本发明提供的多刃铣刀材料去除率计算方法可将多刃铣刀复杂的几何结构考虑在内，实现材料去除率的准确计算，为评价该种铣刀的加工效率提供依据。该方法计算简单，结果可信，具有很好的工程应用前景。

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种碳纤维复合材料多刃铣削去除率计算方法。

背景技术

金刚石涂层多刃铣刀利用微刃切削原理，在右旋的切削刃上加工了若干条左旋的断屑槽，减小了单位时间内材料的去除体积，进而减小切削力，提高加工质量。同时，也加强了排屑和散热能力，而表面的金刚石涂层则显著降低了刀具的磨损速率。此外，由于该结构铣刀能够显著减小轴向切削力，故而可大幅降低加工过程中的静态挠曲和振动。

碳纤维复合材料由于物理性能优越，广泛应用于航天航空领域。然而，由于其非均质、各向异性的特点，采用传统铣刀加工易产生分层、毛刺和撕裂等质量缺陷，阻碍复合材料构件的高质高效加工。而由于多刃铣刀加工性能优异，其已在碳纤维复合材料加工领域得到初步应用。为准确表述多刃铣刀的铣削性能，评价其加工效率，需对其切削过程中材料去除率进行准确计算，以指导其在工业生产中工艺参数的合理选取。然而由于该种铣刀出现时间较短，现有研究中对多刃铣刀的研究不够深入，尚未有涉及其去除率计算的研究。此外，多刃铣刀由于存在多个断屑槽，且刀刃排布错综复杂，采用传统的径向切深、轴向切深以及进给速度直接相乘的方式进行计算时，结果误差较大。因此需针对多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，开发出一种多刃铣刀铣削材料去除率的计算方法。

现有文献中，Lopze de Lacalle等人发表的《Milling of Carbon FiberReinforced Plastics》一文在《Advanced Materials Research》2010年第83期第49-55页中研究了多刃铣刀的几何结构对加工质量和刀具磨损情况的影响。然而该研究只是定性分析，并没有定量描述，且研究内容未涉及单位时间内的材料去除率，研究结果无法为评价该种铣刀的加工效率提供参考。

发明内容

本发明的目的在于针对多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，发明一种计算多刃铣刀材料去除率的计算方法。该方法考虑多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征。通过设定铣削过程中铣削条件和刀具的几何参数，计算出刀具单位时间内的材料去除率。该方法能够克服现有技术的缺陷，即考虑多刃铣刀错综复杂的断屑槽对实际铣削过程的影响，从而能够大大提升计算的精度，进而实现对其加工效率的准确评价，具有很好的工程应用前景。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料多刃铣削去除率计算方法，其特征是，计算方法根据多刃铣刀的几何特征和铣削过程刀具的运动特点，先利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征；再通过选定铣削过程中各种加工用量，给出刀具顺铣、逆铣切出材料时的刀齿旋转角计算公式，计算出刀具单位时间内的材料去除率；准确地实现该类刀具材料去除率的计算；计算方法的具体步骤如下：

步骤一：利用光学显微镜测量多刃铣刀的几何形貌，获取多刃铣刀的几何特征；

测量多刃铣刀的单元切削刃刃长ΔS，单元切削刃之间的距离ΔT，刀齿螺旋角β，刀齿升角γ，刀具齿数m，铣刀直径d，如附图1所示。

步骤二：设定铣削过程中径向切深a_e，设Φ_st为切入角，表示刀具切入材料时的刀齿旋转角；Φ_ex为切出角，表示刀具切出材料时的刀齿旋转角。切入角和切出角表征了刀具与工件相接触的角度范围。