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時間的鋒利［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)計是否合理。傳統(tǒng)的木工刀具設(shè)計生產(chǎn)流程是:從材料的選擇，到木工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計，刀具成形，再到切削性能試驗，然后進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)優(yōu)化，最后形成一個合格的木工刀具產(chǎn)品，所花費(fèi)的成本過高、時間過久。因此如何縮短刀具的開發(fā)周期，快捷地設(shè)計出幾何參數(shù)合理、性能最佳的刀具，是擺在人們面前亟待解決的問題。

近年來，隨著計算機(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)勢所在。文獻(xiàn) ［3］通過有限元數(shù)值模擬方法對木質(zhì)材料的切削過程進(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)值模擬方法對實際切削加工條件進(jìn)行模擬計算，得到切削過程中的切削力和切削溫度來衡量木工刀具幾何參數(shù)設(shè)計的合理與否，如果不合理就繼續(xù)改進(jìn)及驗證。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 正交試驗設(shè)計方法

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

采用正交試驗法對木工刀具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。正交設(shè)計是一科學(xué)有效的多因素的優(yōu)化試驗設(shè)計方法，該方法是從全面試驗的樣本點中挑選部分有代表性的點做試驗，這些有代表性點具備了“均勻分散，整齊可比”的特點，其最大的優(yōu)點是只用較少的試驗次數(shù)就可以找出因素水平間的最優(yōu)搭配［5］。正交試驗設(shè)計的主要步驟是:確定各因素水平，選取與因素水平對應(yīng)的正交表，然后按正交表進(jìn)行試驗，最后采用直觀分析法、方差分析法等方法對試驗結(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)計正交試驗方案，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因素作為研究對象，每個因素確定4個水平值，選擇正交表L16（45），根據(jù)表2設(shè)計試驗方案，按文獻(xiàn) ［3］建立的切削加工有限元模型進(jìn)行模擬試驗，通過模擬計算得到主切削力和切削溫度，見表3。

通過分析柄銑刀前角、后角的切削力和切削溫度的平均值見表4。

為了綜合分析刀具前角對切削力和切削溫度的影響規(guī)律，把刀具前角的計算范圍進(jìn)行擴(kuò)展，得到6°～25°的刀具前角對切削力、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，因為刀具前角增大，切削層木質(zhì)材料變形、破壞的程度減小，所需的作用力也會減少，即切削力會減小;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，前角的增加會使刀具楔角減小，刀具的熱容積下降，溫度會升高。

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減小切削力，但是切削溫度會隨著刀具前角的增大會使升高，切削溫度的升高會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比較平穩(wěn)，對刀具的磨損及使用周期影響較小，刀具前角超過15°～23°范圍時，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)計角度。

刀具后角的確定同樣可以采優(yōu)化前角的方法，通過切削數(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）通過對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，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)計周期。

】

［1］宋海民，肖 琰，袁銀蘭.基于三維數(shù)值模擬的風(fēng)力滅火機(jī)葉輪改進(jìn)設(shè)計［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36（9）:30 －33.

［2］陳 熙，劉 誠，花 軍，等.多層壓機(jī)熱壓板溫度場數(shù)值模擬研究［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012，40（12）:19 －23.

［3］方 墨，俞國勝，褚雙磊，等.基于CFD軟件的軸流式風(fēng)力滅火機(jī)葉輪性能模擬研究［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（5）:18－21.

［4］賈大偉，于文華.基于CFD的森林消防泵軸向力平衡盤參數(shù)仿真設(shè)計［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（1）:44 －46.

［5］曹平祥，郭曉磊.木材切削原理與刀具［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2010.

［6］郭秀榮.鋪設(shè)木質(zhì)坪地的木塊加工刀具參數(shù)優(yōu)化方法與試驗研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2009.

［7］付廷輝，賈 娜.基于有限元模擬的單板層積材縱Ⅱ型切屑形成機(jī)理［J］.森林工程，2013，29（1）:40 －44.

［8］紀(jì)一郎，馮平法，郁鼎文，等.復(fù)雜零件切削過程物理仿真的實現(xiàn)方法［J］.工具技術(shù)，2009，43（6）:28 －31.

［9］趙選民.試驗設(shè)計方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［10］許林云，劉 軍，周克寧，等.自制測力儀用于木材三向切削力的測定［J］.森林工程，2009，25（4）:49 －52.

［11］賈 娜.單板層積材彎曲蠕變特性及破壞機(jī)理的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2008.