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机械工程学报 2024年

作者：马晶李胜杰刘强刘献礼杨绍成张明鉴哈尔滨理工大学先进制造智能化技术教育部重点实验室

淬硬钢Cr12Mo V属于典型的难加工材料，在切削过程中产生的机械载荷高，切削难度大，刀具易磨损、崩刃，降低刀具的使用寿命。为解决淬硬钢Cr12Mo V切削过程中切削力大的问题，基于仿生学原理，将帽贝牙齿内轮廓结构运用到pcbn刀具前刀... 详细信息

淬硬钢Cr12Mo V属于典型的难加工材料，在切削过程中产生的机械载荷高，切削难度大，刀具易磨损、崩刃，降低刀具的使用寿命。为解决淬硬钢Cr12Mo V切削过程中切削力大的问题，基于仿生学原理，将帽贝牙齿内轮廓结构运用到pcbn刀具前刀面的设计中，提出了具有帽贝齿廓构形的pcbn仿生刀具。通过切削仿真分析pcbn仿生刀具结构参数对切削力的影响规律，发现前刀面第一圆弧半径R1对切削力的影响程度最大，前刀面第二弦长L3对切削力的影响程度最小。以切削力最小为目标对pcbn仿生刀具前刀面结构参数进行优化，并完成最优结构参数的pcbn仿生刀具制备。以切削力、切屑形态、刀具磨损为切削性能指标，与pcbn平面形刀具对比发现，pcbn仿生刀具切削力得到降低，省力效果最大可达16.1%；对切屑形态分析发现pcbn仿生刀具的锯齿化程度得到改善，切削过程更加平稳；pcbn仿生刀具前刀面和后刀面磨损面积较小，刀具使用寿命得到提高。

关键词：帽贝牙齿 pcbn仿生刀具切削力切屑形态刀具磨损

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基于帽贝牙齿齿廓构形的pcbn仿生刀具设计及切削性能研究

基于帽贝牙齿齿廓构形的PCBN仿生刀具设计及切削性能研究

引用

作者：杨绍成哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着切削加工技术的快速发展,pcbn刀具凭借其高硬度、高耐磨性的优势,通常用于装备制造中淬硬钢Cr12Mo V等难加工材料的切削加工。但是pcbn刀具材料本身较脆,切削过程中高的机械载荷会导致切削力升高,刀具磨损加快,为此,需要新的技术方... 详细信息

随着切削加工技术的快速发展,pcbn刀具凭借其高硬度、高耐磨性的优势,通常用于装备制造中淬硬钢Cr12Mo V等难加工材料的切削加工。但是pcbn刀具材料本身较脆,切削过程中高的机械载荷会导致切削力升高,刀具磨损加快,为此,需要新的技术方法实现刀具结构上的创新。仿生学研究表明,帽贝牙齿具有优良的强硬度和锋利性,能够轻松的切削坚硬的岩石而不造成牙齿的损伤,其省力效果十分显著。因此,本文将帽贝牙齿内轮廓曲线的结构特征应用到pcbn刀具前刀面中,设计了帽贝齿廓构形pcbn仿生刀具,并针对淬硬钢Cr12Mo V材料,进行了刀具切削性能研究。首先,以帽贝牙齿作为仿生原型,提取了牙齿的轮廓特征,并对其轮廓进行多项式曲线拟合,进而分析帽贝牙齿轮廓曲线的变曲率特征。根据帽贝牙齿内轮廓结构,将其参数化为6个特征参数,以此作为刀具前刀面结构。利用Third Wave Advant Edge对pcbn仿生刀具切削淬硬钢Cr12Mo V进行了模拟,得到了切削力、切削温度的变化趋势。通过与pcbn平面形刀具对比,证明pcbn仿生刀具的省力效果。同时,以切削力最小的参数组合完成了pcbn仿生刀具的三维模型设计,并根据pcbn仿生刀具的材料特性与结构特点,通过三维高精密激光加工的方式,对pcbn仿生刀具进行了制备。其次,对pcbn仿生刀具与pcbn平面形刀具切削淬硬钢Cr12Mo V的实验进行了设计,并通过正交实验分析了pcbn仿生刀具切削力随切削参数的变化趋势,验证了pcbn仿生刀具的省力效果。通过对刀具切削过程的受力分析,进而对pcbn仿生刀具的省力原因展开了研究。同时,也探究了切削参数对表面粗糙度的影响。再次,通过单因素实验研究了切削参数对两种刀具切屑宏微观形态的影响,发现与pcbn平面形刀具相比,pcbn仿生刀具具有较好的排屑效果,切屑的锯齿化程度、齿距、锯齿化频率较低。同时,对两种刀具的磨损形态进行研究,证明了pcbn仿生刀具前刀面与后刀面磨损程度均低于pcbn平面形刀具。最后,建立正交实验方案,并根据仿真得出的切削力、切削温度、刀具磨损数据相应地拟合了三者的回归模型。通过Python语言构建了pcbn仿生刀具参数优化平台,完成了pcbn仿生刀具的参数化建模。通过遗传算法实现了以切削力、切削温度、刀具磨损为评价指标的刀具参数单目标与多目标优化,并完成了切削力、切削温度、刀具磨损的数据预测。

关键词： pcbn仿生刀具帽贝牙齿齿廓构形切削力参数优化

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