基于特征的刀具“形-性-用”一體化設計方法
2017-2-17 來源：哈爾濱理工大學 作者：劉獻禮 計偉 范夢超 王昌紅
摘要：刀具作為機床的“牙齒”，在金屬切削中非常重要，目前專用化是刀具發展的一個主要趨勢，挑戰刀具設計的靈活性和準確性。為了實現這一目標，提出了刀具“形-性-用”一體化設計方法，它以加工需求為驅動，利用切削過程中涉及的理論(幾何約束、切削力作用、切削層作用機理、刀具強度理論、高溫材料學屬性以及化學反應關系等)，并通過刀具設計特征，將刀具的形狀、性能和使用結合起來，進而實現針對加工需求的專用刀具設計，以及相應的加工條件和切削參數等的確定。然后建立了刀具“形-性-用”一體化設計方法系統框架，并開發了其軟件平臺。最后采用示例分析，展示本方法的刀具參數優化過程和刀具建模過程，進而證明本方法的可行性。刀具“形-性-用”一體化設計方法為刀具專用化發展提供一種新方法和新思路。
關鍵詞：刀具設計；刀具形狀；刀具性能；刀具使用；刀具設計特征
0.前言
全球制造業的主要特點是：產品更新換代的速度不斷提高，產品的種類增加，單件的批量降低，因此當前批生產模式漸漸地不能適應當前的制造業的發展趨勢。在刀具行業中，刀具的“專用化”方向是改善刀具性能的一個重要方向，專用化程度提高必然引起刀具種類增加批量降低，因此挑戰刀具設計與制造的精準性、靈活性和適應性。目前刀具設計方法主要有基于理論刀具設計、依靠經驗的刀具設計及計算機輔助刀具設計。基于理論的刀具設計方法是通過切削過程的理論計算而得到最佳刀具參數，金屬切削原理[1]為刀具設計提供了基本的理論指導。師漢民等[2-3]提出金屬切削中的“最小能量耗散原理”，為現代切削加工中復雜現象的解釋、建模、預測和優化提供了理論基礎；并提出以“單元刀具非線性綜合法”的方法來建立復雜刀具的切削模型，得出了消除排屑干涉、實現自由切削的充要條件。劉杰華[4]提出刀具精準設計方法，進行了多種刀具的精確設計與計算。許多學者[5-7]建立了刀具的數學模型。理論方法以計算為基礎，可以降低試驗消耗，但是由于切削過程中存在大量現有理論無法描述的現象，因此達到較高準確性難度較大，還不能滿足現代刀具設計需求。
依靠經驗和試驗的刀具設計方法主要根據刀具磨損、刀具破損及刀具耐用度等基本規律和經驗[1,8-9]，針對一個或幾個目標進行刀具材料選擇和刀具幾何參數的初步選擇，并且進行大量的刀具材料選取試驗和刀具參數優化試驗[10-11]，通過分析試驗結果選出最優的刀具參數。這種方法具有一定的準確性，是目前刀具廠家最常用的方法。但是它對于新型工件材料具有盲目性；不能完全地考慮到刀具使用過程中的每個因素；并且易受到試驗機床等加工環境的影響，具有不確定性。
計算機輔助刀具設計是將計算機、數據庫及軟件等技術應用在刀具設計中。刀具設計專家系統是較早的形式，即將刀具設計CAD 與專家系統結合，形成智能化的CAD 設計系統[12]。有學者將數控自動編程語言應用到刀具設計中，保留了作圖直觀性，又可以發揮計算機所達到的精確性[13]。有限元分析軟件在刀具設計中的應用越來越多，縮短了刀具設計的周期[14-16]；刀具參數化設計可以自動建模，很大程度上提高刀具設計的效率[17]。計算機輔助設計的應用較為廣泛，并且刀具廠家都有軟件系統，主要用于刀具建模。而專家系統應對新工件材料的能力有限，有限元仿真的準確性較低直接限制刀具設計質量。
綜合分析以上三種刀具設計方法，發現目前刀具設計方法的不足主要體現在：刀具設計過程與切削工藝優化過程是分離的，這樣就忽略了刀具、切削條件及刀具切削性能共同對加工的影響。因此，針對以上不足，本文提出刀具“形狀-性能-使用”(“形-性-用”)一體化設計方法，并從以下方面進行展開：首先回顧刀具設計的相關研究；通過分析“形”、“性”、“用”之間的關系，提出刀具設計特征以及刀具“形-性-用”一體化設計方法；并在此基礎上構建刀具設計方法系統框架，并開發系統軟件，并示例分析刀具設計過程；最后總結本文研究貢獻及將來的研究計劃。
1.刀具“形-性-用”一體化設計方法
刀具“形-性-用”一體化設計方法就是綜合考慮刀具“形”、“性”、“用”及其關聯，因此需明確它們的關鍵因素及其關聯。
1.1 刀具“形”、“性”和“用”的關鍵因素
圖1 為刀具“形”、“性”、“用”的因素及其關聯。刀具用戶主要關注加工質量、加工效率和加工成本；刀具廠家為提高刀具性能，主要關注刀具本身，例如，刀具幾何、材料、匹配性和制造質量，并為其提高服務水平而關注切削參數、切削條件及刀具使用姿態。目前，刀具廠家刀具設計主要依靠設計人員的經驗進行刀具設計，然后利用切削試驗驗證，而不重視刀具設計中刀具“形”、“性”和“用”三者的關聯。
圖1 刀具“形”、“性”、“用”之間的關系
(1) 刀具“形”。
刀具“形”是刀具自身特征，包括：① 刀具幾何包括刀具的幾何參數，刀具的外觀尺寸、切削角度、刃口形式及參數等；② 刀具材料是與工件材料對應的刀具材料的種類，主要有PCD、PCBN、硬質合金等；③ 刀具材料和形狀的匹配性是指刀具幾何參數和刀具材料之間的匹配關系，例如，PCBN刀具常采用倒棱刃口；④ 刀具制造質量包括刀具材料制造質量、穩定性以及刀具加工質量、加工精度等。
(2) 刀具“性”。
刀具“性”是指提供達到加工目標的以切削過程物理現象為基礎的刀具基本性能，包括：① 刀具抗破損性能是指刀具的刀桿、刃口等抵抗沖擊的能力；② 刀具抗磨損性能是指刀具后刀面、前刀面等抵抗磨損的能力；③ 切屑控制性能是指刀具斷屑和排屑的性能；④ 刀具動態性能用來描述當刀具懸伸量較大時，切削過程中刀具保持穩定工作狀態的性能。
(3) 刀具“用”
刀具“用”是指刀具的使用條件，包括：① 切削參數為切削速度、切削深度、切削寬度和進給量等；② 工藝條件是指刀具的應用條件，包括冷卻條件、冷卻液類型和裝夾條件等；③ 刀具使用姿態是指刀具在加工同一部位的不同姿態，主要為多軸加工中刀具的擺角。
1.2 刀具“形”、“性”和“用”之間的關聯
刀具“形”、“性”和“用”中各個元素之間的關系較為復雜，它們是通過切削理論結合在一起，如圖1 所示，包括以下幾個方面。
(1) 幾何約束關系：用于描述切削過程中存在的刀具、切屑和工件等運動學層面的幾何約束關系，例如，切削流動和卷曲。
(2) 切削力作用：研究切削過程中切削力大小、方向以及作用點，通過這一理論可以控制切削過程中的穩定性。
(3) 切削層作用機理：切削實質是剪切滑移的過程，通過摩擦和擠壓的方式形成被切削表面，并伴隨著力、熱和材料變形，因此切削層機理是描述切削過程中的刀具、工件和切屑之間作用。
(4) 刀具和切削刃強度理論：用于描述刀具結構和切削刃的抗御切削力和切削熱的性能，刀具強度涉及刀具材料和刀具的結構強度。
(5) 高溫材料屬性：用于描述在高溫條件下刀具和工件材料性能的變化，特別是機械物理性能，直接影響刀具的沖擊韌性、抗彎強度、斷裂韌性和耐熱和導熱性等，進而影響刀具的性能。
(6) 化學反應關系：由于切削過程中的高溫高壓環境，刀具、工件、切削液和空氣之間可能發生的化學反應，發生化學反應可能加劇刀具的磨損、降低加工質量，甚至改變被加工件的表面結構。研究加工過程的化學反應可以提高刀具材料、切削液與工件的匹配性，進而改善加工環境。
1.3 刀具設計特征
刀具設計特征是指刀具設計過程中所關注的幾何特征，是刀具幾何的重要組成部分，與不同刀具類型有關。以整體式球頭銑刀為例，如圖2 所示，刀具設計特征包括頂刃刃型曲線、頂刃切削刃截面、周刃刃型和周刃截面等。刀具設計特征是刀具設計過程中“形”、“性”和“用”之間的信息載體，它承載了刀具設計所涉及的數據信息。
圖2 刀具的設計和制造特征
1.4 刀具“形-性-用”一體化設計方法
圖3 為刀具“形-性-用”一體化設計方法流程圖，分別是刀具“形”，“性”和“用”3 個模塊。其中，刀具“用”，用來接收加工信息(MI)和刀具信息(TI)，并通過計算得到產生加工條件；刀具“形”模塊通過刀具設計特征(TDF)優化和刀具整體優化，確定刀具材料和生成刀具幾何形狀；刀具“性”模塊用來生成與刀具相對應的使用信息。
圖3 刀具“形-性-用”一體化方法
刀具“用”作為本方法的驅動器，通過接收MI，將其信息進行分類，分別是對刀具“形”的要求(例如，工件材料對刀具材料的要求、工件幾何對刀具外輪廓的要求)、對刀具性能的要求(例如，加工表面質量對切削力或切削溫度的要求等)、以及對加工條件的要求(例如，加工機床的條件對切削參數的限制等)。然后將整合后的信息分別傳給刀具“性”和“形”模塊。待接收到刀具“性”模塊返回的優化的切削條件信息后，最終確定加工條件。
刀具“形”模塊通過接收刀具“用”對刀具要求，進行刀具材料選擇和刀具輪廓形成，然后結合TDF，對刀具幾何進行初步的設計(這僅僅是滿足刀具可制造性的最低要求)，形成初步設計的TDF和基本刀具模型；將初步設計的TDF 傳遞給刀具設計特征優化模塊，得到優化后的TDF 和切削條件；刀具“形”模塊結合刀具輪廓、基本模型、刀具材料以及優化的TDF，進行刀具組合；然后傳遞給刀具“性”模塊對刀具整體性能進行優化，得到優化的刀具信息(輸入到刀具“形”模塊)和切削參數信和刀具整體優化，它們的優化流程相似，都是根據來源于刀具“用”模塊的要求信息對優化流程進行匹配。要求匹配的原則為：原則1：高重要性優化原則，要求較高的性能刀具性能必須滿足，采用優先優化原則；原則2：同等重要的加權原則，這類在優化過程采用加權分配原則。
刀具“ 形- 性- 用” 一體化設計方法通過“形”、“性”和“用” 3 個模塊的交互作用，實現刀具形狀、性能及使用的統一。
2.刀具設計系統實現
系統架構和軟件開發是刀具設計系統實現的兩個重要問題，下面對這兩個方面分別進行研究：
2.1 刀具“形-性-用”設計方法系統架構
圖4 為刀具“形-性-用”一體化設計系統框架,分為3 層，用戶層、邏輯層和數據層。整個系統是由加工需求信息驅動，例如，工件的加工特征、材料、加工機床信息及加工要求(質量、效率和刀具成本)等信息。系統得到加工需求信息后，而將TI 傳遞到TDF 分解模塊，將刀具分解為TDF，然后與MI 一起傳遞給刀具“形-性-用”設計模塊，先優化每個TDF，再進行整體優化，得到刀具模型數據；同時優化加工條件和切削參數。將刀具、加工條件和參數數據傳遞到數據轉換模塊，將所有數據進行可視化處理，與用戶端進行交互，用戶可以對以上信息進行修改或確認，最后生成刀具模型和加工條件。由于目前的理論模型無法精確地描述高度非線性的切削過程，因此為了提高整個刀具系統的精度，需建立切削數據庫：① TDF 數據庫包含所有影響刀具性能的刀具設計特征；② 切削數據庫是驗中刀具磨損、刀具破損、切削力和切削溫度等方面試驗數據，為刀具、加工條件參數的確定提供指導；③ 知識庫包含基本知識，例如刀具基本幾何參數、基本刀具材料信息等。
圖4 基于刀具設計方法模型
2.2 刀具設計系統軟件開發
采用C#編程語言編輯開發刀具設計系統的軟件，其界面如圖5 所示，包含7 個模塊，其作用如下。
圖5 刀具“形-性-用”一體化設計系統界面
(1) 機床信息模塊：用于收集加工機床的信息，可以選擇不同的機床結構、主軸及其他軸的功率和速度等信息。
(2) 工件加工特征定義：用于確定被加工工件的幾何特征以及相關的物理特征，例如，工件的型面類型和硬度等；并且確定加工要求，例如加工表面質量和加工效率等。
(3) 刀具種類：用于確定刀具種類(普通球頭銑刀和錐球頭銑刀等)以及刀具的基本尺寸(刀具直徑和長度等)。
(4) 刀具設計特征優化：用于優化刀具設計特征參數，根據不同的加工要求，確定每個設計特征的優化步驟，并得到刀具設計特征和切削條件及參數的初步優化范圍。
(5) 刀具整體優化：用于對刀具整體性能進行優化，例如刀具動態性能和刀具的強度等；同時可以確定切削條件及參數的范圍。
(6) 刀具幾何模型：通過對刀具設計特征優化和刀具整體性能優化，確定刀具幾何參數，并通過本模塊展示刀具幾何模型，進行修改、添加刀具特征及其參數，進而確定刀具幾何模型。
(7) 加工條件及參數：通過刀具設計特征優化和刀具整體性能優化，展示切削條件及參數的范圍，并進行修改或確定。
3.示例分析
刀具設計方法的準確性依賴于切削數據庫的數據量及其準確性，由于目前并沒有這種數據庫，通過刀具設計實例與刀具性能評價來驗證本文刀具設計方法困難較大。因此本節重點展示刀具設計過程中刀具參數和切削參數的傳遞過程，進而證明刀具設計方法的可行性。
以淬硬鋼模具拐角精加工用球頭銑刀設計為例說明刀具“形-性-用”一體化設計方法設計刀具的流程。圖6 為帶有拐角結構的淬硬鋼模具，其中A-A 截面是拐角壁高度最大的位置，其高度為50mm，其加工需求信息和刀具信息如表1 所示。
圖6 模具拐角加工
表1 加工需求表
根據刀具設計系統，通過TDF 分解整體硬質合金球頭銑刀被分為頂刃刃型、頂刃截面、周刃刃型和周刃截面等；然后這些TDF 和MI 一起進入“形性用”設計模塊。
3.1 刀具“用”模塊信息分配
刀具“形性用”模塊中的“用”根據不同信息種類，進行信息分流：
3.1.1 對刀具“形”的要求
根據不同工件的材料屬性(硬度、韌性等)，選擇最適合刀具基體和涂層材料。在數據庫中有相應的數據表，如表2 所示，不同屬性的工件材料對應著最適合的刀具基體和涂層材料。淬硬鋼模具工件材料的硬度為55～65 HRC，工件材料硬度高，要求刀具材料具有高硬度和韌性，根據數據表選擇超細晶粒硬質合金基體和TiAlCN 涂層。
表2 工件刀具材料對照表
由于采用3 軸機床加工拐角，根據加工尺寸要求，為了防止加工干涉，刀具懸伸量需大于50 mm，記做Pcoa。
3.1.2 對刀具性能的要求
工件材料硬度高要求切削刃保持性高，即刀具切削刃的強度要高，同時切削過程中作用在切削刃的沖擊力要低。連續加工距離要求是對刀具具有一定的壽命，即對刀具抗破損和抗磨損性的要求。工件拐角加工要求刀具具有高整體強度和剛性以避免刀具折斷和切削振動過大。表面質量避免振紋是要求刀具切削過程平穩，即，使作用在刀具徑向的切削力盡量小。
3.1.3 對加工條件的限制
工件材料為淬硬鋼，則切削過程不能使用切削液。采用3 軸機床加工，因此球頭銑刀刀具的擺角為0°；機床轉速最大n 為6 000 r/min，根據公式，切削速度c v ， ( ) c 1 000 π c v n = n D ( c D 為刀具直徑)，故( ) c c v ≤ v 6 000 。將以上兩部分記為 ca P ，即加工條件和參數優化的邊界條件。
3.2 刀具“形”模塊的刀具初步設計
刀具“形性用”模塊中的“形”得到刀具材料信息，根據數據庫中刀具材料與刀具幾何參數的關系，如表 3 所示，本文的超細晶粒硬質合金基體材料對應的刀具切削刃參數范圍為cei P ，刀具整體參數范圍為coi P 。
表3 刀具材料與刀具幾何的關系
3.3 刀具“性”模塊優化刀具設計特征
刀具設計系統中“性”模塊基于刀具“用”對性能要求優化刀具設計特征，主要為切削刃截面，其主要指標為切削刃強度和耐磨性。即，保證切削刃具有一定的切削刃抗破損性能的基礎上保證切削刃具有高耐磨性。
3.3.1 抗破損性優化
加工高硬度工件材料刀具切削刃截面常采用倒棱形式，如圖7 所示，這種切削刃可以一定程度上提高刀具的切削刃強度(加工高硬度材料主要體
而切削過程的沖擊載荷Fc與切削參數、工件材料屬性有關(式2)；并且沖擊載荷與切削刃強度之間存在一定的關系才能保證刀具正常工作。
圖7 刀具切削刃的截面示意圖
3.4 刀具“性”模塊的刀具整體優化
整體刀具性能的主要指標為：刀具整體強度和刀具動態性能。
3.5 刀具“形”模塊生成刀具模型
刀具參數優化后，刀具“形”模塊在刀具幾何方程的基礎上可生成刀具模型。以球頭銑刀端刃為例，說明刀具“形”模塊生成刀具模型。首先建立坐標系，以刀具頂刃所在球的球心為原點，軸線為z 軸(圖8)，基于切削刃截面參數、刀具直徑、螺旋角，建立刀具倒棱面、前刀面和后刀面方程[18]。
圖8 刀具模型以及坐標系
圖9 參數l 和? 的關系圖
圖10 刀具模型生成
4.結論
為了應對刀具專用化的發展趨勢，本文充分考慮刀具的形狀、性能與使用的三者之間的相互關聯，提出一種基于特征的刀具“形-性-用”一體化設計方法。其中，刀具設計特征是整個設計系統的信息載體，體現了刀具“形”、“性”和“用”三者交互作用；刀具設計方法通過設計系統發揮作用，本文的刀具設計系統為三層結構，用戶層、邏輯層和數據層。用戶層可以用戶進行交互，接收加工信息，確定刀具參數和加工條件等；邏輯層是“形-性-用”設計體系的數據傳遞模型；數據層基于切削數據庫，為刀具設計的準確性提供保障。在此基礎上開發了刀具設計軟件。通過示例分析展示了刀具設計系統的刀具參數優化過程和刀具模型的生成的工作流程，進而證明本方法的可行性。進一步推進刀具“形-性-用”一體化設計方法的進程的主要挑戰如下。
(1) 為搭建設計系統，需要完善現有切削理論體系使其適用于本系統，例如，建立以優化切削力分配為目標的切削參數、刀具參數的理論模型。
(2) 為完善刀具“性”模塊中刀具設計特征、整體性能優化，需要研究性能要求匹配流程方法以及參數優化算法，并且確立其邊界條件。
(3) 為提高刀具設計的精度，需要建立大量的數據庫，因此數據結構優化算法研究對刀具設計系統的發展非常重要。
下一步研究中攻克以上問題，完善刀具“形-性-用”一體化設計的軟件平臺，并且應用在淬硬鋼模具加工用刀具設計中。
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