基于有限元數(shù)值模擬的木工刀具幾何參數(shù)優(yōu)化

賈 娜，張兆好，付廷輝

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

用于加工木質(zhì)材料的刀具統(tǒng)稱為木工刀具，其應(yīng)具備的性能要求是:在高速并且承受大的機(jī)械沖擊的切削條件下，不僅要具備必要的硬度和耐磨性，還要有足夠的強(qiáng)度和韌性，以保證刀具切削刃長(zhǎng)時(shí)間的鋒利［1－6］。刀具切削性能的好壞，取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、切削部分的幾何參數(shù)以及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是否合理。傳統(tǒng)的木工刀具設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程是:從材料的選擇，到木工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刀具成形，再到切削性能試驗(yàn)，然后進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)優(yōu)化，最后形成一個(gè)合格的木工刀具產(chǎn)品，所花費(fèi)的成本過(guò)高、時(shí)間過(guò)久。因此如何縮短刀具的開(kāi)發(fā)周期，快捷地設(shè)計(jì)出幾何參數(shù)合理、性能最佳的刀具，是擺在人們面前亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及仿真技術(shù)的進(jìn)步，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在切削加工研究方面體現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)所在。文獻(xiàn) ［3］通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法對(duì)木質(zhì)材料的切削過(guò)程進(jìn)行了研究分析，本文擬采用其建立的切削有限元模型，對(duì)木工刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 刀具幾何參數(shù)優(yōu)化流程及方法

1.1 優(yōu)化流程

木工刀具幾何參數(shù)包括刀具的前角和后角等，如何選擇最佳的刀具角度需根據(jù)具體的切削條件具體分析。本文主要研究木工刀具幾何參數(shù)優(yōu)化方法，以木質(zhì)材料切削過(guò)程中的切削力和切削溫度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，研究分析適應(yīng)一定切削條件下的刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及優(yōu)化方法。圖1為基于切削數(shù)值模擬的刀具參數(shù)優(yōu)化流程。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)實(shí)際切削加工條件進(jìn)行模擬計(jì)算，得到切削過(guò)程中的切削力和切削溫度來(lái)衡量木工刀具幾何參數(shù)設(shè)計(jì)的合理與否，如果不合理就繼續(xù)改進(jìn)及驗(yàn)證。刀具壽命的影響因素主要包括切削力和切削溫度，刀具參數(shù)優(yōu)化中，切削溫度用于衡量刀具的耐磨性，切削力的作用是校核其強(qiáng)度［4］。

圖1 刀具參數(shù)工藝優(yōu)化流程Fig.1 The optimization process of tool parameters

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

因切削條件的不同，木工刀具的每個(gè)幾何參數(shù)都有一定的變化區(qū)間，如何科學(xué)地用盡量少的試驗(yàn)次數(shù)獲得最有效的試驗(yàn)信息，需要有系統(tǒng)全面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

采用正交試驗(yàn)法對(duì)木工刀具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。正交設(shè)計(jì)是一科學(xué)有效的多因素的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，該方法是從全面試驗(yàn)的樣本點(diǎn)中挑選部分有代表性的點(diǎn)做試驗(yàn)，這些有代表性點(diǎn)具備了“均勻分散，整齊可比”的特點(diǎn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是只用較少的試驗(yàn)次數(shù)就可以找出因素水平間的最優(yōu)搭配［5］。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要步驟是:確定各因素水平，選取與因素水平對(duì)應(yīng)的正交表，然后按正交表進(jìn)行試驗(yàn)，最后采用直觀分析法、方差分析法等方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

木工刀具的幾何參數(shù)的優(yōu)化包含前后角等，這些幾何參數(shù)即為正交表的因素，其前后角的合理性與刀具的使用壽命和切削性能息息相關(guān)，刀具參數(shù)的各因素的取值范圍各不相同，即為因素的水平，根據(jù)因素和因素水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，按正交表進(jìn)行切削數(shù)值模擬，得到切削力、切削溫度等數(shù)據(jù)，分析各因素對(duì)切削加工狀態(tài)的影響規(guī)律，確定一定的因素取值范圍，得到較好的刀具幾何參數(shù)［6］。

2 優(yōu)化分析及結(jié)果

針對(duì)一款木工刀具——柄銑刀的幾何參數(shù)進(jìn)行模擬仿真優(yōu)化。木質(zhì)材料加工中，柄銑刀主要用于開(kāi)槽、加工榫眼、仿形銑削、雕刻以及加工工件的側(cè)面或周邊。其材料采用硬質(zhì)合金YG8，主要成分是92%的WC和8%的Co，密度為14.5 kg/m3，其硬度較高，能承受對(duì)刀具沖擊，導(dǎo)熱性較好，有利于降低切削溫度。其主要物理和熱力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 YG8刀具的物理和熱力學(xué)性能Tab.1 Physical and thermodynamic properties of YG8 tool

模擬優(yōu)化采用的切削加工條件見(jiàn)表2。

表2 模擬優(yōu)化采用的切削加工條件Tab.2 The cutting conditions applied in the simulation and optimization

以木工柄銑刀的前角和后角這兩個(gè)因素作為研究對(duì)象，每個(gè)因素確定4個(gè)水平值，選擇正交表L16（45），根據(jù)表2設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，按文獻(xiàn) ［3］建立的切削加工有限元模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)模擬計(jì)算得到主切削力和切削溫度，見(jiàn)表3。

通過(guò)分析柄銑刀前角、后角的切削力和切削溫度的平均值見(jiàn)表4。

為了綜合分析刀具前角對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，把刀具前角的計(jì)算范圍進(jìn)行擴(kuò)展，得到6°～25°的刀具前角對(duì)切削力、切削溫度的影響規(guī)律曲線，如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，隨著前角的增加，切削力有下降的趨勢(shì)，因?yàn)榈毒咔敖窃龃?，切削層木質(zhì)材料變形、破壞的程度減小，所需的作用力也會(huì)減少，即切削力會(huì)減小;由圖3可以看出，切削溫度的變化規(guī)律是隨著前角的增加而升高，這是由于在后角不變的情況下，前角的增加會(huì)使刀具楔角減小，刀具的熱容積下降，溫度會(huì)升高。

表3 刀具前后角優(yōu)化模擬方案及結(jié)果Tab.3 The tool angle optimization simulation scenarios and results

表4 刀具前角、后角因素水平的平均值Tab.4 The average level of rake angle and clearance angle factors

圖2 刀具前角對(duì)切削力的影響規(guī)律Fig.2 The impact of the rake angle on the cutting force

選擇較大的刀具前角會(huì)減小切削力，但是切削溫度會(huì)隨著刀具前角的增大會(huì)使升高，切削溫度的升高會(huì)直接影響刀具前刀面的磨損加劇，從而降低刀具的耐用度，其使用壽命也會(huì)縮短。由圖3可以知道，刀具前角在15°～23°范圍內(nèi)切削溫度的變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，對(duì)刀具的磨損及使用周期影響較小，刀具前角超過(guò)15°～23°范圍時(shí)，切削溫度將上升的速率加快，嚴(yán)重影響前刀面的磨損。因此對(duì)此款木工柄銑刀，綜合考慮切削力和切削溫度，15°～23°范圍內(nèi)的前角為較好的刀具設(shè)計(jì)角度。

刀具后角的確定同樣可以采優(yōu)化前角的方法，通過(guò)切削數(shù)值方法得到切削力、切削溫度隨后角的變化規(guī)律來(lái)確定后角優(yōu)化的參數(shù)范圍，然后進(jìn)一步縮小范圍進(jìn)行優(yōu)化，最終得到較優(yōu)的后角參數(shù)。

圖3 刀具前角對(duì)切削溫度的影響規(guī)律Fig.3 The impact of the rake angle on the cutting temperature

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)木工柄銑刀的幾何參數(shù)進(jìn)行模擬仿真優(yōu)化，得到6°～25°的刀具前角對(duì)切削力、切削溫度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，切削力隨前角增大有下降的趨勢(shì)，切削溫度的變化規(guī)律是隨著前角的增加而升高。

（2）綜合考慮切削力和切削溫度對(duì)刀具強(qiáng)度及磨損度的影響，確定15°～23°范圍內(nèi)的前角為較好的刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)角度。使用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化方法，可以比較方便地確定木工刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化范圍，大大地減少了刀具設(shè)計(jì)周期。

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