基于有限元数值模拟的木工刀具几何参数优化

摘 要:针对一款木工柄铣刀，在综合考虑切削过程中切削力和切削温度的变化规律，得到15°～23°范围内的前角为较好的刀具设计角度。与传统刀具参数优化方法相比较，使用有限元数值模拟优化方法，可比较快的定位木工刀具参数优化范围，大大减少刀具设计时间及成本。

关键词:数值模拟;木工刀具;参数优化

用于加工木质材料的刀具统称为木工刀具，其应具备的性能要求是:在高速并且承受大的机械冲击的切削条件下，不仅要具备必要的硬度和耐磨性，还要有足够的强度和韧性，以保证刀具切削刃长时间的锋利[1-6]。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数以及刀具结构的选择和设计是否合理。传统的木工刀具设计生产流程是:从材料的选择，到木工刀具结构设计，刀具成形，再到切削性能试验，然后进行刀具结构和几何参数优化，最后形成一个合格的木工刀具产品，所花费的成本过高、时间过久。因此如何缩短刀具的开发周期，快捷地设计出几何参数合理、性能最佳的刀具，是摆在人们面前亟待解决的问题。

近年来，随着计算机技术及仿真技术的进步，有限元数值模拟技术在切削加工研究方面体现了它的优势所在。文献 [3]通过有限元数值模拟方法对木质材料的切削过程进行了研究分析，本文拟采用其建立的切削有限元模型，对木工刀具的几何参数进行优化研究。

1 刀具几何参数优化流程及方法

1.1 优化流程

木工刀具几何参数包括刀具的前角和后角等，如何选择最佳的刀具角度需根据具体的切削条件具体分析。本文主要研究木工刀具几何参数优化方法，以木质材料切削过程中的切削力和切削温度为衡量标准，研究分析适应一定切削条件下的刀具几何参数的设计准则及优化方法。图1为基于切削数值模拟的刀具参数优化流程。

采用数值模拟方法对实际切削加工条件进行模拟计算，得到切削过程中的切削力和切削温度来衡量木工刀具几何参数设计的合理与否，如果不合理就继续改进及验证。刀具寿命的影响因素主要包括切削力和切削温度，刀具参数优化中，切削温度用于衡量刀具的耐磨性，切削力的作用是校核其强度[4]。

1.2 正交试验设计方法

因切削条件的不同，木工刀具的每个几何参数都有一定的变化区间，如何科学地用尽量少的试验次数获得最有效的试验信息，需要有系统全面的试验设计方法.

采用正交试验法对木工刀具参数进行优化。正交设计是一科学有效的多因素的优化试验设计方法，该方法是从全面试验的样本点中挑选部分有代表性的点做试验，这些有代表性点具备了“均匀分散，整齐可比”的特点，其最大的优点是只用较少的试验次数就可以找出因素水平间的最优搭配[5]。正交试验设计的主要步骤是:确定各因素水平，选取与因素水平对应的正交表，然后按正交表进行试验，最后采用直观分析法、方差分析法等方法对试验结果进行分析。

木工刀具的几何参数的优化包含前后角等，这些几何参数即为正交表的因素，其前后角的合理性与刀具的使用寿命和切削性能息息相关，刀具参数的各因素的取值范围各不相同，即为因素的水平，根据因素和因素水平设计正交试验方案，按正交表进行切削数值模拟，得到切削力、切削温度等数据，分析各因素对切削加工状态的影响规律，确定一定的因素取值范围，得到较好的刀具几何参数[6]。

2 优化分析及结果

针对一款木工刀具——柄铣刀的几何参数进行模拟仿真优化。木质材料加工中，柄铣刀主要用于开槽、加工榫眼、仿形铣削、雕刻以及加工工件的侧面或周边。其材料采用硬质合金YG8，主要成分是92%的WC和8%的Co，密度为14.5 kg/m3，其硬度较高，能承受对刀具冲击，导热性较好，有利于降低切削温度。其主要物理和热力学性能见表1。

以木工柄铣刀的前角和后角这两个因素作为研究对象，每个因素确定4个水平值，选择正交表L16(45)，根据表2设计试验方案，按文献 [3]建立的切削加工有限元模型进行模拟试验，通过模拟计算得到主切削力和切削温度，见表3。

通过分析柄铣刀前角、后角的切削力和切削温度的平均值见表4。

为了综合分析刀具前角对切削力和切削温度的影响规律，把刀具前角的计算范围进行扩展，得到6°～25°的刀具前角对切削力、切削温度的影响规律曲线，如图2和图3所示。

从图2可以看出，随着前角的增加，切削力有下降的趋势，因为刀具前角增大，切削层木质材料变形、破坏的程度减小，所需的作用力也会减少，即切削力会减小;由图3可以看出，切削温度的变化规律是随着前角的增加而升高，这是由于在后角不变的情况下，前角的增加会使刀具楔角减小，刀具的热容积下降，温度会升高。

选择较大的刀具前角会减小切削力，但是切削温度会随着刀具前角的增大会使升高，切削温度的升高会直接影响刀具前刀面的磨损加剧，从而降低刀具的耐用度，其使用寿命也会缩短。由图3可以知道，刀具前角在15°～23°范围内切削温度的变化趋势比较平稳，对刀具的磨损及使用周期影响较小，刀具前角超过15°～23°范围时，切削温度将上升的速率加快，严重影响前刀面的磨损。因此对此款木工柄铣刀，综合考虑切削力和切削温度，15°～23°范围内的前角为较好的刀具设计角度。

刀具后角的确定同样可以采优化前角的方法，通过切削数值方法得到切削力、切削温度随后角的变化规律来确定后角优化的参数范围，然后进一步缩小范围进行优化，最终得到较优的后角参数。

3 结论

(1)通过对木工柄铣刀的几何参数进行模拟仿真优化，得到6°～25°的刀具前角对切削力、切削温度的影响规律，结果表明，切削力随前角增大有下降的趋势，切削温度的变化规律是随着前角的增加而升高。

(2)综合考虑切削力和切削温度对刀具强度及磨损度的影响，确定15°～23°范围内的前角为较好的刀具优化设计角度。使用有限元数值模拟优化方法，可以比较方便地确定木工刀具几何参数的优化范围，大大地减少了刀具设计周期。