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1、 拉刀的优化设计在工业生产时，拉刀在所有刀具中是最昂贵的；首先不像其他的机械加工操作，如车削、铣削的刀具可用于生产多种形状，拉刀独特的设计取决于所需的工件，因此所需拉刀的形状很容易在不同切削条件中改变。这种形状可能是一个简单的键槽或涡轮盘复杂的枞树型。所以最具有适应性的拉刀设计具有在拉削操作中的最高优先级。这些昂贵的工具，每一个功能都必须准确地设计，以提高生产率，提升零件品质，降低生产成本。任何加工操作模拟的基本要求时使用切削力模型的几何模型和预测力模型来估计切削力。本文对拉刀提出了一个几何模型和拉削操作中的预测力模型。基于切屑系统中切削力消耗能量的预测，拉削齿被建模为一个悬臂梁。通过考虑这些
2、物理因素和几何约束，设计程序已制定了优化刀具几何形状的程序，以实现最大的金属切除率（MRR）。1引言如今，汽车和航空航天产业迅速崛起，所以必须拥有复杂部分的现代发动机才能来来推动这些技术先进的机器。由于现阶段加工技术的进步，加工工艺被广泛采用在各种制造行业当中，以产生不同设备所需要的部分。然而，部件的价格不应该继续随着这些行业发展迅速增加。其中的总成本，制造和加工成本影响价格最深。不管机械设备的应用，机械设备通常有很多种不同的形状，比如一些圆形和其他复杂的3D形状。圆形工件的通常是通过转动操作制造，而3D棱柱形部件通常由铣削操作制造生产。在铣削和车削，零件的最终形状由刀具和工件的运动的结合产生
3、的。因为这个原因，一个单一的切削工具可以生产出各种各样形状的产品。铣削和车削工具都是可以现成购买的成品，并且也都是是比较便宜的。然而，当出现需要内部切削，以及尤其是外轮廓为非圆形时，就会出现很大的困难。在这种情况下，就会经常应用到拉削操作。拉刀是一个切削工具，它有多个齿，通过推或拉工件体以生产所期望的零件。拉削刀具轮廓必须在生产的零件中匹配相应的形状。其结果是，在与车削和铣削刀具相比，拉刀是具有特定目的的切削工具。因为拉刀必须为每个特定的目的零件所设计从而再制造，所以说这些工具是不容易得到的。但是如果拉刀设计有瑕疵，它必须被重新设计，这是时间和金钱的巨大浪费。拥有一个虚拟的设计环境，可以使工具
4、设计人员能够在不同的条件下制定和测试他们的想法，以确保他们设计的可靠性和性能，而不用关心外界的干扰。为实现这一目标，第一个步骤就是估计精确力模型中的切削力。之前介绍了金属切削过程中切削力计算的一个简单理论基础，提出了切削过程建模的另一个经典方法是基于商业理论的机械加工法。在机械加工方法中，切削力与刀具和工件之间接触的几何形状相关，有一些切削系数也与此有关联 2 - 5 。刀具和工件之间接触的几何形状通常是由未变形切屑厚度与切口的长度沿着切削刃6,7中任意无穷小元件限定的。刀具和工件的材料特性影响，可以通过实验的系数考虑 3 。然而,商业模型被认为是理想，因为由于缺乏相应的压力，具有自应力特征的
5、工件材料并不能准确地获得,特别是在金属切削应变率非常高的地方8。当可以对切削力进行准确的预测时，商业方法就被Astakhov和xiao 8批评了。力模型是由Astakhov和xiao 8 提出的，切削力是基于切削系统中的功率平衡来计算的。所以说应变率越大，执行任务所需的功率就越大。其结果是，通过考虑切割系统中的功率（能量）平衡，然后以应变率反映出来。为了获得可靠和精确的切削过程仿真，一个力模型必须伴随着切削工具几何模型，只有这样才可以清楚地定义几何刀具的每一个方面。并且有几个已发表的关于传统加工操作模型的文章在公开文献中被发表。在这一领域的研究人员中，铣削是其中最受他们关注的。端铣刀工具的几何
6、模型以及使用正交斜变换切削力的预测是由Budak等人提出的 3 。锯齿状圆柱齿锥形球头铣刀的数学模型以及切削力的建模，均由merdol和Altintas 9 ，Hosseini等人。 10，12 提出。对刀具几何参数的综合模型模拟以及斜插铣刀的切削力是由Engin和Altintas 1315 提出。他们提出的模型能够模拟的几何形状有圆柱形，球形，外圆角，锥，圆锥体，倒锥和圆端铣刀工具。尽管这些都在工业行业广泛使用,但是平时在处理拉床和更具体的拉刀几何形状的中并没有做出巨大贡献。Monday16提出的主要观点之一是描述了拉削操作，拉削工具和拉削所需的机器。在对于拉刀的一系列研究，刀具材料和制造拉
7、刀的都是是由Kokmeyer 17提出。拉削操作和拉刀的优化仿真分析可以在Budak等发表的研究作品中找到 18-20。他们的研究随后由OZL和Ozelkan等进行研究21,22继续进行讨论设计和拉床运行模拟。然而，拉床还需要更多专门对切削刀具数学模型的研究。本文的目的是提出一个数学模型来表示的拉刀的几何形状,然后通过一个力模型来预测切削力。最后拉削工具也可以利用这个没有太多花费的实验研究模型进行优化设计， 2拉刀的几何形状拉削刀具的几何形状是非常复杂的，由于该工艺的性质。在其他的加工操作中如车削和铣削，在其他加工操作如停的铣削，工件的形状是由刀具与工件之间的相对运动产生的；因此该部分的最终几
8、何形状与刀具的几何形状不相似。其结果是，无论是螺旋形或插入的一般是相似的，但是还有少许一些轻微的差异。在已知的刀具直径，凹槽和螺旋角度，螺旋铣刀可以以一定的几何尺寸制造。更简单的程序可以遵循插入的车削或铣削刀具的切削刃包括一个或多个插入，并且通常是线性，圆形，正方形的或三角形的。图1描述了典型的铣削和车削刀具。从图1中可以看出，铣削和车削是一种灵活的加工方法，可以用简单的或复杂的形状产生种类广泛的零件，并且刀具的几何形状相对简单。其结果是，刀具和工件接合的几何模拟以获得切屑载荷，最后预测上述切削力并不是太复杂。与此相反，在拉削加工工件的几何形状直接由刀具廓形 6 反转产生;因此，根据各种资料，
9、拉刀就有了广泛的几何形状。这种多样性给拉削刀具带来的复杂性分析。使用拉削操作生成的种类过于宽泛均包含在一个图2中。图2演示了一些拉型材料及其相应的刀具几何参数的例子。如从图2中可以看出。一个拉刀有无数个几何模型;因此，通过建模提出了得到拉刀所有想象得到的几何模型几乎是不可能的。为了简化这一问题，任何拉削刀具的几何形状可分为前部和侧部轮廓。前轮廓有一个独特的的几何形状，它必须根据待拉削轮廓来设计。此设计可以在键槽拉削刀具制作一个简单的键槽或在枞树型拉削刀的复杂曲线来生成一个复杂的枞树型涡轮盘。前轮廓的几何设计和优化不是本文关注的问题。虽然对拉刀前轮廓直接负责所需的形状产生，同样侧面也很重要，它定
10、义了可容纳一些基本特征如刀具长度、齿数、节距、齿槽空间、刀棱面、前角和后角。尽管前轮廓，侧型材拉削工具之间是相似的。图3显示了拉刀的典型侧面轮廓。侧面轮廓可以通过节长度P定义，齿高hb，刀棱面fb，刀面角，背隙角，和齿升量（RPT）。图1切削工具的几何形状 (a)螺旋刃立铣刀。(b) 可转位铣刀。(c) 圆形镶面铣刀。(d) 方形刀片车刀 23图2工件剖面和相应的拉削刀具几何参数 24 图3拉刀侧面轮廓2.1刀具长度。一个拉刀的长度由要去除的材料量和工件的机械特性来确定。长度由拉床如电源，刚度，冲程的最大长度，和安装到机器的冲头的最大长度参数来限定。2.2节距。节距长度（P），是连续两齿之间的
11、距离并且受拉刀的切削长度和工件材料的类型影响较大。要得到一个更大的节距长度长工件需要适应在拉削过程中产生的切屑。半精加工和精加工齿齿距可以更小，以减少工具的总长度。为了保存上述过程中的动态稳定性和防止颤振，至少有两个或更多的齿与工件同时进行间距计算16,25,26，节距长度是重要的参数，因为总齿数，齿上的拉削刀具的结构，同时切割齿的数量都是直接由这个参数确定的27。2.3刀棱面长度。在其尖端水平的齿的厚度被称为刀棱面长度fb，这在切割过程中确定对于应力的齿强度。2.4前角。前角，是切割面和法线方向到工件表面之间的角度。虽然正，负和零前角在机加工操作常用，在拉削工具前角通常是正的。正前角使拉刀变
12、锋利，降低了功率需求，并有助于在前倾面的切屑流出。必须注意的是小前角增加齿的强度和切削力而大前角减小切削力及齿的强度。为了平衡适度的切削力和足够的强度,倾角必须选择最佳范围内（见表1）。2.5间隙角（后角）。间隙角，是刀具背面和水平线之间的加角（通常平行于加工表面）16。后角可以给工件和刀具背面之间提供足够的空间，以消除干扰和减少摩擦。通常情况下，整个刀棱面可以消除在粗加工和齿半精加工中摩擦产生的后角。然而，刀棱面的一部分在远端与刀棱面接触形成间隙角，紧接着刀棱面的另一部分就立即在切割边的正左方25，其允许重磨而不改变齿的大小。拉刀的后角见表2。表1刀具前角和拉刀齿 25 表2间隙角切割，半精
13、加工，和拉刀加工齿 25 2.6齿升量。齿升量rtp，也被称为齿升，或者为齿进给量，但是不同于两个连续齿之间未变形的切屑厚度或材料深度的高度差。大齿上升通过增加每颗齿去除的材料量，从而使切削力和应力在刀刃上变大。这也增加了所需的动力。与此相反，每齿太小上升会导致齿与工件表面之间的摩擦，并会导致在釉的脱落或擦伤表面光洁度。2.7齿槽的空间。齿槽空间是连续两齿之间的空隙是由R1和R2定义（见图4）。齿槽空间主要是用来切割直到齿叶工件过程中保留切屑。一旦拉刀进入切口，切屑被刀具和工件之间保留并且它被保持在齿槽空间，直到齿离开工件。小齿槽空间可能会导致刀具的破损，由于缺乏空间，以保证除去切屑，由于被去
14、除的切屑在加工表面的摩擦，也可能导致表面光洁度差。相反，大的齿槽空间使得齿非常细长，并降低了拉刀的强度和稳定性。图4样品拉刀侧面的设计参数3 Mathematical Model of the Side Profile3侧面轮廓的数学模型一个拉刀必须精确设计，以达到最佳的几何形状。为了通过数学有关这些几何参数来设计一拉刀的前角，后角，刀棱面，节距长度，齿高，齿槽空间，齿的数量，以及最终的刀具长度必须被识别。图4表明用于一拉削刀具侧面轮廓的设计参数。刀棱面长度fb和齿高hb通常被认为节距长度的函数，并且其大小被选择为fb=0.3P和hb=0.4P，据此25。要计算齿槽空间， r1，r2，A和B必
15、须进行标识。 r2是齿槽的小半径可以表示为： r2=hb2=0.4p2=0.2P (1)齿槽与刀棱面之间的垂直距离（见图4）是由B表示如下B=onc=hb-fbtan-rpt=0.4P-0.3Ptan-rpt=P0.4-0.3tan-rpt (2)在式（2），rpt是其对应于图4中进料除了B齿升量，A是刀棱面 o的端部和齿槽o的底部之间的水平距离。点o坐落在圆c1半径r1和圆c2半径r2无关。距离A可以写成： A=P-fb-r2-xn (3) x=x+x=r2tan1-sin+r21-cos =r2tan+1-sec 5deg20degsec1xn=r2tan 4将参数A通过由式(4) 替换 (3)使 x表示。 A=P-fb-r2-xn =P-0.3P-r2-r2tan=P0.5+
