[发明专利]一种微铣刀早期破损的预测方法

说明书

本发明一种微铣刀早期破损的预测方法属于微切削刀具早期破损预测领域，涉及一种微铣削加工镍基高温合金，通过理论建模计算刀具受到应力来预测刀具破损的方法。该方法基于材料力学理论求取微铣刀螺旋刃的分布载荷引起的弯曲应力，根据建立的微铣削力模型，求得微铣刀上微元受到的径向力，切向力和轴向力。然后把微元力向X、Y及Z方向分解，进而计算刀具弯曲应力。在获取硬质合金刀具破损的极限弯曲拉应力的基础上，通过对比基于微铣削力模型推导得到的刀具弯曲应力和微铣刀破损的极限弯曲拉应力，求得微铣刀破损时的切削参数组合。该方法适用性广，成本低，能准确的预测微铣刀早期破损，为微铣削切削参数选择提供了依据。

技术领域

本发明属于微切削刀具早期破损预测领域，涉及一种微铣削加工镍基高温合金，通过理论建模计算刀具受到应力来预测刀具破损的方法。

背景技术

微细铣削工艺中，使用的刀具直径小，通常在50μm～1mm之间，刀具刚度低。与传统铣削相比，由于尺度效应的存在，导致微铣削加工机理与传统铣削有很大差异，微铣刀承载情况更加复杂。微铣削是典型的断续切削加工方法，存在冲击载荷，在断续切削加工中,破损几乎成为刀具早期失效的主要原因，因此对于微铣早期破损预测研究十分必要。细晶粒硬质合金成分均匀一致，具有较好的抗弯强度、冲击韧性、耐磨性和高温硬度，易于刃磨出复杂的刃形曲线，是现阶段主要的微细立铣刀刀具材料，但硬质合金脆性大，硬质合金刀具材料为粉末烧结而成，内部会有随机分布的微观缺陷，因此实际切削加工过程中，微铣刀会发生早期破损。微铣刀早期破损主要是冲击应力超过微铣刀材料的强度极限造成的。

Tansel等人1998年在International Journal of Machine Tools andManufacture期刊发表的论文《Micro-end-milling-I.Wear and Breakage》中，通过对实验结果进行分析发现微铣削加工中微铣刀的三种破损形式，认为铣削应力大引起刀具破损这种失效形式在微铣削过程中非常普遍。并通过大量实验表明，可以根据最大拉应力准则作为判断材料断裂的依据。上海交通大学的张文辉2011年在其硕士学位论文《基于有限元法的铣刀切入过程研究及破损预测》中用限元法仿真分析铣刀切入过程的刀具应力，研究切削用量对铣刀切入过程刀具应力的影响，分别输出各试验条件下刀具前刀面最大拉应力及刀尖附近区域的最大拉、压应力，研究刀具最大应力与刀具材料极限应力之间的关系。北京理工大学的何理论2015年在其博士学位论文《微细铣刀的失效分析与设计理论研究》中研究了硬质合金微细刀具失效问题。设计静态荷载集中力刀尖点加载作用下硬质合金微细刀具因挠曲变形而断裂失效实验，分析了单一荷载下的断口形貌，获得了微细立铣刀的最大径向作用力和刚度；然后仿真研究了微细立铣刀的刀刃结构建模与强度分析，研究了微细立铣刀的整体结构设计方法。

发明内容

本发明为弥补现有微铣刀早期破损预测方法的不足，发明一种微铣刀早期破损的预测方法，该方法基于微铣削力模型线性加载求取微铣刀极限应力来预测微铣刀到期破损的方法，拓宽了实验方法的适用范围，摒弃了仿真方法的繁琐性。将传统仿真求得刀具破损极限，进而指导切削参数选取的方法，改变为无需建立复杂的微铣削过程三维仿真模型，只通过已有的微铣削力模型沿切削刃线性加载获取刀具的弯曲拉应力，在测量得到微铣刀的限弯曲拉应力的基础上，获取以切削参数为坐标轴的微铣刀破损曲线。所提出的微铣刀早期破损预测方法可对微铣刀早期破损进行有效预测，指导切削参数选择，预防刀具破损。

本发明所采用的技术方案是一种微铣刀早期破损的预测方法，该方法基于材料力学理论求取微铣刀螺旋刃的分布载荷引起的弯曲应力，根据建立的微铣削力模型，求得微铣刀上微元受到的径向力，切向力和轴向力，然后把微元力向X、Y及Z方向分解，进而计算刀具弯曲应力；在获取硬质合金刀具破损的极限弯曲拉应力的基础上，通过对比基于微铣削力模型推导得到的刀具弯曲应力和微铣刀破损的极限弯曲拉应力，求得微铣刀破损时的切削参数组合；预测方法的具体步骤如下：

第一步建立微铣削力模型