专利摘要

高速铣刀安全可靠性分析评价方法。按GB3187-82的规定，刀具在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力称为刀具的可靠性。本发明方法的第一步依据淬硬钢曲面硬度和曲率分布特征，进行高速铣刀切削载荷分析；第二步利用高速铣刀切削淬硬钢失效判据，进行离心力与切削载荷作用下铣刀失效判定；第三步运用安全裕度模型对铣刀安全可靠性进行分析、评价；第四步采用高速铣刀安全裕度控制方法，进行高速铣刀安全可靠工艺条件求解；第五步高速铣刀切削淬硬钢曲面安全可靠性分析。本发明用于解决淬硬钢热处理状态不稳定和几何模型误差与硬度随机分布所引起的切削载荷突变条件下，铣刀结构性超载导致的安全可靠性下降问题。

说明书

技术领域：

发明涉及一种用于高速铣刀加工领域；具体涉及一种高速铣刀安全可靠性分析与评价方法。

背景技术：

按GB3187-82的规定，刀具在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力称为刀具的可靠性。刀具的可靠性直接关系到切削过程的安全性，如果不能有效控制刀具可靠性，轻则产生废品、损坏机床与设备，重则造成人员伤亡。

高速铣刀切削过程中承受着较大的切削力和离心力载荷，尤其是切削高硬度淬硬钢等工件材料时，存在较大的冲击和能量的聚集。在此条件下，进行高速、高效切削加工，如不能及时预报和识别铣刀在周期性冲击应力作用下产生的破坏性危险，其后果是铣刀安全可靠性迅速下降，不仅无法保证加工精度和加工表面质量，而且直接导致铣刀失效，引发多种安全性问题。

现有的高速铣刀安全可靠性分析主要采用可靠度方法，它依托于大量的刀具失效实验，局限于度量批量刀具的平均可靠性，适用于对批量刀具的平均安全可靠性分析和评价，或者用于刀具可靠性筛选试验，通常不能评价某一把刀具在特定工艺条件下的安全可靠性。目前，对于单个刀具安全性评价，主要依据ISO15641标准，通过铣刀空转实验，分析、判定导致铣刀发生永久性变形和破坏性断裂的离心力条件，该方法无法预报和控制高速铣削淬硬钢复杂曲面过程中切削载荷突变引起的铣刀安全可靠性动态演变过程，动态切削力与离心力共同作用条件下铣刀安全可靠性评价存在模糊性和不确定性。

已有的高速铣刀安全可靠性分析方法采用的是试验与数理统计相结合的方法，适用于评价批量刀具的平均可靠度；单个刀具安全性则主要通过空转实验获得铣刀永久性变形和破坏性断裂的最高转速进行控制，没有考虑工件特征和工艺条件对铣刀安全可靠性的影响。

发明内容：

发明的目的是提供一种在高速铣刀动态切削力、离心力与切削热载荷分析基础上，采用高速铣刀切削淬硬钢失效判据和高速铣刀安全裕度模型，分析、评价淬硬钢曲面特征频繁变化引起的铣刀热力耦合场分布和有效冲击载荷突变对铣刀冲击、疲劳、强度、刚度安全裕度影响，预报高速铣刀安全可靠性的高速铣刀安全可靠性分析与评价方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种高速铣刀安全可靠性分析评价方法，本方法，第一步依据淬硬钢曲面硬度和曲率分布特征，进行高速铣刀切削载荷分析；第二步利用高速铣刀切削淬硬钢失效判据，进行离心力与切削载荷作用下铣刀失效判定；第三步运用安全裕度模型对铣刀安全可靠性进行分析、评价；第四步采用高速铣刀安全裕度控制方法，进行高速铣刀安全可靠工艺条件求解；第五步高速铣刀切削淬硬钢曲面安全可靠性分析实例。

所述的高速铣刀安全可靠性分析评价方法，所述的依据淬硬钢曲面硬度和曲率分布特征，进行高速铣刀切削载荷分析，高速铣削淬硬钢过程中，铣刀及其组件所承受的载荷主要包括：

                         （1）

               （2）

                                  （3）

单位时间内、单位面积上分别从前刀面和后刀面流入铣刀的热流密度分别为：

   （4）

     （5）

所述的高速铣刀安全可靠性分析评价方法，所述的利用高速铣刀切削淬硬钢失效判据，进行离心力与切削载荷作用下铣刀失效判定根据第一步所述的高速球头铣刀加工淬硬钢离心力与切削力较大，尤其在切入、切出的时候，对铣刀的冲击很大，振动较剧烈。离心力与切削力载荷通过铣刀组件接合面被传递到螺钉和刀体上，使得高速铣削产生的高频冲击对铣刀造成断裂和疲劳的危险；同时，高速铣削淬硬钢产生的切削热直接影响铣刀的热应力分布，铣刀受到周期性热载荷的冲击，极易产生热裂纹从而导致破损，铣刀切削力和切削热之间的交互作用直接影响其物理场分布和切削性能。

所述的高速铣刀安全可靠性分析评价方法，所述的运用安全裕度模型对铣刀安全可靠性进行分析、评价，高速铣刀失效判据曲线与物理场分布特性曲线之间的距离称为“安全裕度”：

                                  （6）

并且根据所述的铣刀组件材料特性对其安全裕度影响和淬硬钢加工对切削效率的需求，建立高速球头铣刀切削淬硬钢高效切削安全可靠性评价模型。

则由式（6）可得铣刀安全可靠性为：

                            （7）

所述的高速铣刀安全可靠性分析评价方法，所述的采用高速铣刀安全裕度控制方法，进行高速铣刀安全可靠工艺条件求解，采用高速铣刀安全裕度模型，综合考虑工件几何、硬度特征和铣刀结构、切削路径及切削参数对铣刀冲击、疲劳、强度、刚度安全裕度影响，通过淬硬钢加工表面曲率与硬度分布识别、分析，进行高速铣削淬硬钢复杂曲面安全、可靠性及其工艺条件求解；具体方法是针对淬硬钢硬度与曲率分布特性，通过铣刀冲击能量与冲击作用强度分析，控制铣刀有效冲击切削载荷和冲击应力增幅，获得满足铣刀冲击应力安全裕度要求的最高转速和最小每齿进给量；以铣刀切削温度裕度为约束条件，以获得相对均衡的铣刀热力耦合场安全裕度为目标，通过稳定切削层和单位切削力，抑制铣刀破损，获得满足铣刀强度要求的铣刀结构、切削路径与切削参数工艺域；在抑制铣刀组件变形和高频振动基础上，获得满足铣刀服役疲劳寿命要求的工艺域。

有益效果：

1.本发明解决了加工特征与工艺条件多变导致高速铣刀安全可靠性影响因素和评价指标不确定性问题，实现高速铣削淬硬钢刀具安全可靠性有效控制。

本发明评价的高速铣刀必须能够安全地承受转速的提高所引起的离心力二次方增加，其刀齿必须能够安全地承受热力耦合场作用下切削力与切削热周期性变化所产生的冲击作用。同时，为确保铣刀的安全性，刀片的夹紧力不能随着离心力和切削力的增加而减少。

本发明的高速铣刀物理场分布是其结构、材料设计特征在高速铣削过程中的响应，不仅反映了切削载荷特性，而且直接反映铣刀安全可靠性，高速铣刀物理场分布越均匀，铣刀高效切削安全裕度越大，其安全可靠性越高，切削性能越好。

本发明按照铣刀切削效率目标要求，优化了铣刀切削路径与切削参数工艺域，获得了铣刀高速切削淬硬钢安全可靠工艺条件。

本发明评价的铣刀组件具有足够的刚度、变形及热稳定性安全裕度，但铣刀片最大主应力安全裕度远小于其它铣刀安全裕度值，对铣刀安全可靠性影响显著；分析与实验获得的铣刀最先发生疲劳失效组件和部位基本一致，疲劳寿命预报值略高于铣刀实际加工中疲劳寿命。在转速5000 rpm ~ 7000 rpm，每齿进给量0.16mm~0.30 mm，铣刀行距0.1 mm ~0.3 mm，轴向切削深度0.1 mm ~0.2 mm，铣刀进给方向加工倾角为-15°~+15°工艺参数范围内，铣刀具有较高的切削效率水平和足够的安全可靠性。

本发明能较为全面地评价和预判高速铣刀切削过程中的安全可靠性，可有效解决高速铣刀切削淬硬钢曲面安全可靠性影响因素和评价指标不确定性问题，不仅可用于单件或批量高速铣刀产品安全可靠性评价，而且可用于高速铣削工艺设计。

本发明首先通过切削参数和切削路径寻优，实现铣刀较高切削效率水平下安全裕度有效控制；当切削参数和切削路径不能保证铣刀在较高切削效率水平下具有足够的安全裕度时，则通过优化铣刀结构、优选铣刀材料来提高和保证铣刀的安全裕度。

本发明有效解决了淬硬钢曲面小样本加工中过大的离心力与瞬态切削力及较强热力耦合场作用导致铣刀结构性超载，和由此引起高频振动与周期性载荷冲击所导致的铣刀变形、断裂、疲劳失效等安全性问题。

附图说明：

附图1是高速铣刀安全可靠性分析方法图。

附图2是铣刀高效切削安全可靠性评价模型图。

附图3是高速铣刀安全裕度工艺控制方法图。

附图4是转速-铣刀冲击应力图。

附图5是每齿进给量-铣刀冲击应力图。

附图6是轴向切深-铣刀冲击应力图。

附图7是高速球头铣刀切削淬硬钢安全可靠性分析实例图。

附图8是铣刀模态频率及振型图。

附图9是铣刀一阶模态安全裕度图。

附图10是表2 铣刀疲劳分析结果图。

具体实施方式：

实施例1：

一种高速铣刀安全可靠性分析评价方法，本方法，第一步依据淬硬钢曲面硬度和曲率分布特征，进行高速铣刀切削载荷分析；第二步利用高速铣刀切削淬硬钢失效判据，进行离心力与切削载荷作用下铣刀失效判定；第三步运用安全裕度模型对铣刀安全可靠性进行分析、评价；第四步采用高速铣刀安全裕度控制方法，进行高速铣刀安全可靠工艺条件求解；第五步高速铣刀切削淬硬钢曲面安全可靠性分析实例。

实施例2：

实施例1所述的高速铣刀安全可靠性分析评价方法，依据淬硬钢曲面硬度和曲率分布特征，进行高速铣刀切削载荷分析。

高速铣削淬硬钢过程中，铣刀及其组件所承受的载荷主要包括：

                         （1）

                  （2）

                                  （3）

其中：Pe为离心力，m为铣刀不平衡质量，r为偏心距，n为铣刀转速；Fc(θ)为瞬态态切削力，A(θ)为铣刀单齿瞬时切削层面积，haV(θ) 为瞬时平均切削层厚度，pc1.1为与切削速度和铣刀直径有关的切削层单位面积切削力，△HRC为工件硬度差，k为工件硬度影响系数；Po为刀片预紧力，Fo为可转位刀片夹紧力，To为螺栓预紧力矩，ko为影响系数，do为螺钉直径。

单位时间内、单位面积上分别从前刀面和后刀面流入铣刀的热流密度分别为：

   （4）

     （5）

式中：q1t、q2t分别为前刀面、后刀面流入的热流密度；lf为刀-屑接触长度，lw为刀具后刀面与工件接触长度，Ao为热源面积系数；θot为刀具原始温度，θs为剪切面处温度，θf为切屑与刀具前刀面接触区的温度，θα为工件与刀具后刀面接触区的温度；λ2、a2分别(θs+θf)/2温度时工件导热系数及导温系数；λ3、a3分别(θs+θα)/2温度时工件导热系数及导温系数；Ff为作用在前刀面的摩擦力，Ffα为作用在后刀面的摩擦力，d为铣刀直径，n为铣刀转速，v为铣刀切削速度，aw为切削宽度，ф为剪切角，γo为铣刀前角。

实施例3：

上述实施例所述的高速铣刀安全可靠性分析评价方法，所述的利用高速铣刀切削淬硬钢失效判据，依据式（1）~式（5），高速球头铣刀加工淬硬钢离心力与切削力较大，尤其在切入、切出的时候，对铣刀的冲击很大，振动较剧烈。离心力与切削力载荷通过铣刀组件接合面被传递到螺钉和刀体上，使得高速铣削产生的高频冲击对铣刀造成断裂和疲劳的危险。与此同时，高速铣削淬硬钢产生的切削热直接影响铣刀的热应力分布，铣刀受到周期性热载荷的冲击，极易产生热裂纹从而导致破损，铣刀切削力和切削热之间的交互作用直接影响其物理场分布和切削性能。据此，提出刀体、螺钉和刀片失效判据如表1所示：

表1 铣刀失效判据

表中：σA为铣刀切削时冲击功作用下刀片冲击应力，[σA]为刀片材料允许最大冲击应力；σb为刀片材料抗压极限，σ为铣刀动态切削时刀片承受的最大压应力，ε为刀片最大应变，E为刀片材料弹性模量；σs为铣刀组件材料屈服极限，σmax为刀体、螺钉所受的最大等效应力；τmax为刀体和螺栓最大剪应力，[τ] 为刀体和螺栓材料剪切强度；df为铣刀切削中最大变形量，[df]为满足安全性标准的铣刀各方向变形最大值；Ct为铣刀切削冲击次数，[Ct]为确定切削条件下铣刀组件材料疲劳额定冲击次数，fd为铣刀振动频率，fo为铣刀共振频率；Tmax为铣刀切削时最高温度，[T]为刀片材料的耐热温度。

实施例4：

上述实施例所述的高速铣刀安全可靠性分析与评价方法，高速铣刀失效判据曲线与物理场分布特性曲线之间的距离称为“安全裕度”：

                     （6）

式中：ΔSi分别为铣刀强度、刚度、变形及切削温度安全裕度；Sδi为铣刀强度、刚度、变形及热稳定性失效曲线；Si为铣刀应力、频率、变形及温度曲线；F为铣刀所受载荷；Ge为铣刀结构参数；p为铣刀材料物理参数；t为时间；e为其它影响参数。

根据铣刀组件材料特性对其安全裕度影响和淬硬钢加工对切削效率的需求，建立高速球头铣刀切削淬硬钢高效切削安全可靠性评价模型如附图1所示：

图中，c1刀片极限抗压强度，c2刀体、螺钉材料抗剪强度，c3刀体、螺钉材料屈服强度，c4铣刀冲击功，c5铣刀允许的最大变形量，c6刀片耐热温度，c7铣刀高效切削允许的最低加工效率，c8为铣刀极限切削速度（或极限背吃刀量或极限每齿进给量）

则由式（6）可得铣刀安全可靠性为：

                            （7）

式中：ki为铣刀安全裕度系数；淬硬钢硬度分布均匀和曲率变化较小，铣刀高效切削稳定性较高时，ki=3；淬硬钢硬度和曲率变化较大，铣刀高效切削稳定性较差时，ki=1~2。

实施例5：

上述实施例所述的高速铣刀安全可靠性分析与评价方法，采用高速铣刀安全裕度控制方法，进行高速铣刀安全可靠工艺条件求解，受淬硬钢型面几何特征和材料硬度特征多变影响，高速铣削淬硬钢复杂曲面铣刀安全裕度存在较大幅度的变化，铣刀安全可靠性显著下降。铣刀安全裕度分析结果表明，铣刀转速和每齿进给量等工艺参数对其安全裕度影响显著。同时，铣刀切削路径直接决定了高速铣削淬硬钢过程中几何特征和材料硬度特征分布状态。

据此，采用高速铣刀安全裕度模型，综合考虑工件几何、硬度特征和铣刀结构、切削路径及切削参数对铣刀冲击、疲劳、强度、刚度安全裕度影响，通过淬硬钢加工表面曲率与硬度分布识别、分析，进行高速铣削淬硬钢复杂曲面安全、可靠性及其工艺条件求解，具体方法如附图3所示：图3 高速铣刀安全裕度工艺控制方法；

该方法针对淬硬钢硬度与曲率分布特性，通过铣刀冲击能量与冲击作用强度分析，控制铣刀有效冲击切削载荷和冲击应力增幅，获得满足铣刀冲击应力安全裕度要求的最高转速和最小每齿进给量；以铣刀切削温度裕度为约束条件，以获得相对均衡的铣刀热力耦合场安全裕度为目标，通过稳定切削层和单位切削力，抑制铣刀破损，获得满足铣刀强度要求的铣刀结构、切削路径与切削参数工艺域；在抑制铣刀组件变形和高频振动基础上，获得满足铣刀服役疲劳寿命要求的工艺域；采用式（7），依据铣刀切削效率目标要求，优化铣刀切削路径与切削参数工艺域，获得铣刀高速切削淬硬钢安全可靠工艺条件。

实施例6：

上述实施例所述的高速铣刀安全可靠性分析与评价方法，采用高速铣刀安全裕度控制方法，进行高速铣刀安全可靠工艺条件求解，受淬硬钢型面几何特征和材料硬度特征多变影响，高速铣削淬硬钢复杂曲面铣刀安全裕度存在较大幅度的变化，铣刀安全可靠性显著下降。铣刀安全裕度分析结果表明，铣刀转速和每齿进给量等工艺参数对其安全裕度影响显著。同时，铣刀切削路径直接决定了高速铣削淬硬钢过程中几何特征和材料硬度特征分布状态。

据此，采用高速铣刀安全裕度模型，综合考虑工件几何、硬度特征和铣刀结构、切削路径及切削参数对铣刀冲击、疲劳、强度、刚度安全裕度影响，通过淬硬钢加工表面曲率与硬度分布识别、分析，进行高速铣削淬硬钢复杂曲面安全、可靠性及其工艺条件求解，具体方法如附图3所示，该方法针对淬硬钢硬度与曲率分布特性，通过铣刀冲击能量与冲击作用强度分析，控制铣刀有效冲击切削载荷和冲击应力增幅，获得满足铣刀冲击应力安全裕度要求的最高转速和最小每齿进给量；以铣刀切削温度裕度为约束条件，以获得相对均衡的铣刀热力耦合场安全裕度为目标，通过稳定切削层和单位切削力，抑制铣刀破损，获得满足铣刀强度要求的铣刀结构、切削路径与切削参数工艺域；在抑制铣刀组件变形和高频振动基础上，获得满足铣刀服役疲劳寿命要求的工艺域；采用式（7），依据铣刀切削效率目标要求，优化铣刀切削路径与切削参数工艺域，获得铣刀高速切削淬硬钢安全可靠工艺条件。

实施例7：

上述实施例所述的高速铣刀安全可靠性分析与评价方法，为验证图1、图3方法的有效性，进行直径20mm高速球头铣刀切削淬硬钢（HRC55~62）安全可靠性分析，并在UCP710加工中心进行高速铣削实验。

采用图1方法进行铣刀冲击应力分析，结果如附图4所示。结果表明，铣刀冲击应力随转速提高而增大，但转速增至8000 rpm时，其安全裕度为806 MPa，最大冲击应力远未达到铣刀片冲击破损判据极限值；铣刀冲击应力随每齿进给量和轴向切削深度减小而增大，采用较高转速和较小每齿进给量与轴向切削深度切削淬硬钢时，铣刀冲击应力安全裕度有所下降，但导致铣刀冲击破损失效的可能性较小。

采用图2铣刀安全裕度模型，在转速3500 rpm ~ 8000 rpm，每齿进给量0.16mm~0.30 mm范围内，进行高速铣刀切削淬硬钢安全裕度分析与实验，结果如附图5所示：对比实验与安全裕度分析结果发现，铣刀在转速3500 rpm条件下沿行距方向振动剧烈，在转速8000 rpm条件下沿进给方向振动剧烈，其切削凸凹曲面过渡区域切削力急剧增大，最大主应力分别达到1510MPa和1489MPa，均已达到铣刀失效判据极限值，安全裕度值为零，刀片发生崩刃和破损。

在转速5000 rpm ~ 7000 rpm范围内铣刀振动相对减小，其最大主应力为1200MPa~1300 MPa，安全裕度值为200MPa~300MPa，刀片发生崩刃和破损可能性较小，铣刀在实验中未发生崩刃和破损。

[0043] 为进一步验证铣刀模态振型对其刚度安全裕度影响，进行球头铣刀模态分析，获得铣刀前六阶模态振型如附图6所示。铣刀前四阶均为径向弯曲模态，第五阶为扭转模态，第六阶为轴向弯曲模态；受前两阶模态固有频率影响，高速球头铣刀极易发生径向弯曲振动。据此，铣刀进行安全裕度分析，结果如附图7所示。其中，fn为主轴转速引起的铣刀激振频率，f1为铣刀一阶模态频率。在主轴转速3000rpm~8000rpm范围内，铣刀具有足够刚度，其前两阶模态安全裕度使其在高速切削中不会发生共振现象。根据刀具厂商推荐的扭矩值加载螺钉预紧力，主轴转速按8000rpm加载，进行高速铣刀疲劳寿命分

析和试验，结果如表2所示：表2 铣刀疲劳分析结果；

分析发现，铣刀产生疲劳的部位基本相同，受铣刀切削力与振动频率影响，铣刀组件中的螺钉最先发生疲劳失效，其次是刀片与螺钉的接合面以及刀体螺纹孔处。该分析结果与铣刀实际加工中螺钉失效部位基本一致，但受S-N曲线精度和铣刀高频振动影响，铣刀实际加工中螺钉疲劳循环周期为6.02×107，其疲劳寿命略小于分析结果。

高速铣刀安全可靠切削淬硬钢的检测方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。