一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫

1.本发明属于金属切削加工技术领域，特别涉及一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫。


背景技术：

2.刀垫作为可转位切削刀具中重要零件，常常扮演保护刀体以及确定刀片位置的角色。机夹可转位刀具中的刀垫和刀片直接接触。切削时刀片首先接触工件，切削载荷由刀片传向刀垫，刀垫刚性对刀片受力和变形有直接的影响。在大型零件的毛坯件去粗加工中，由于工件毛坯形状复杂，厚度和直径过大，往往采用较大的切削用量来提高加工效率，加工过程中刀具往往承受较大的切削力冲击载荷，导致刀具切削刃处应力过大而发生崩刃、碎断、断裂等突发性破损。
3.公开号为cn102922023a的中国发明专利公开了一种可转位面铣刀及其刀垫，其使用三面开槽刀垫，能更有效地对刀片进行优化定位、完善支撑，增强刀体/刀垫整体定位刚性，有利于减小刀片整体变形和冲击破损几率。
4.公开号为cn114083002a的中国发明专利公开了一种机夹可转位刀具用弱刚性刀垫，通过使用一定弱刚性刀垫使刀片在受到冲击时能够弹性回缩，缓解冲击能量在刀片的集聚和释放过程，从而保护刀片在受到强冲击时免于断裂。
5.刀片断裂本质原因是由于刀片局部的拉应力过大造成的，而这种刀具局部拉应力过大是由于刀片的受力不均匀和弯曲过大造成的，以上两个专利都没有从设计原理上考虑切削过程中受力和变形的不均匀性问题。本发明从通过改变刀垫结构改善刀片受力状态，从而减小刀片弯曲变形和局部拉应力，避免刀片断裂的角度提出新刀垫结构，可以达到更好的刀片的防护效果。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫。
7.要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，包括上表面，将远离刀尖的方向记为方向d，在上表面上沿方向d间隔设有若干排凸台，沿方向d相邻两排的凸台之间存在高度梯度或面积梯度，沿方向d依次设置的各排凸台的高度或面积依次减小；所述高度梯度的取值范围为0.002mm～0.2mm；所述面积梯度的取值范围为0.01mm2～3mm2。
8.进一步地，所述凸台为梯形凸台或圆柱凸台。
9.进一步地，所述梯形凸台沿方向d的宽度尺寸范围为0.5mm～5mm，所述圆柱凸台的直径范围为0.5mm～5mm。
10.进一步地，沿方向d相邻的凸台之间的间距范围为0.2mm～5mm。
11.进一步地，所用材料的弹性模量大于100gpa，弹性极限应变大于0.002。
12.本发明可以达到的有益效果为：通过改变刀垫和刀片接触面的结构，使刀垫沿远离刀尖方向产生刚度梯度，当刀片受到切削力时，刀尖正下方凸台刀尖处单位面积的刚度最大，此处可以更好地抵抗切削力及产生的变形，而在远离刀尖的方向，刀片受力和刀-垫接触刚度逐渐减小，刀片变形变小，这样可以使刀片沿远离刀尖方向的弯曲应力和变形减小，从而降低刀片拉应力，从而提高切削过程中刀片受到较大切削力时的抗断裂能力，延长刀片的使用寿命。
附图说明
13.图1是刀具结构示意图。
14.图2是本发明包含梯形凸台结构的刀垫立体图。
15.图3是本发明包含梯形凸台结构的刀垫主视图。
16.图4是图3的a-a剖视图。
17.图5是本发明包含圆柱凸台结构的刀垫立体图。
18.图6是本发明包含圆柱凸台结构的刀垫主视图。
19.图7是图6的b-b剖视图。
20.图8是本发明中包含凸台高度梯度的刀垫对减轻刀片内拉应力作用的示意图。
21.图9是本发明中装配有实施例1-实施例4刀垫的刀具动力学仿真实验结果。
22.图10是本发明中装配有实施例5-实施例8刀垫的刀具动力学仿真实验结果。
23.图11是本发明中装配有实施例9-实施例12刀垫的刀具动力学仿真实验结果。
24.图12是本发明中装配有实施例13-实施例16刀垫的刀具动力学仿真实验结果。
25.图中：1-刀垫，1a-平面结构刀垫,2-刀片，3-夹紧螺栓，4-刀柄，5-梯形凸台，6-小圆孔，7-大圆孔，8-圆柱凸台。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.如图1所示，可转位车刀包括刀垫1、刀片2、夹紧螺栓3和刀柄4，如图4和图7所示，刀垫1的中心处设有由小圆孔6和大圆孔7构成的台阶孔，夹紧螺栓3依次穿过刀片2上的安装孔和刀垫1上的台阶孔将刀垫1、刀片2和刀柄4固定在一起。
28.下述各实施例中将远离刀尖的方向记为方向d。
29.实施例1一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，刀垫1的材质选为tc4钛合金（所用材料的弹性模量大于100gpa，弹性极限应变大于0.002），刀垫1的上表面上沿方向d间隔设有6排梯形凸台5，沿方向d相邻两排的凸台之间存在高度梯度，使沿方向d依次设置的各排凸台的高度依次减小，高度梯度为0.005mm，梯形凸台沿方向d的宽度尺寸为2mm，沿方向d相邻的凸台之间的间距为2mm。
30.实施例2高度梯度为0.010mm，其余同实施例1。
31.实施例3高度梯度为0.015mm，其余同实施例1。
32.实施例4高度梯度为0.020mm，其余同实施例1。
33.实施例5一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，刀垫1的材质选为tc4钛合金，刀垫1的上表面上沿方向d间隔设有7排圆柱凸台8，沿方向d相邻两排的圆柱凸台8之间存在高度梯度，使沿方向d依次设置的各排凸台的高度依次减小，高度梯度为0.005mm，圆柱凸台8的直径为2.5mm，沿方向d相邻的凸台之间的间距为1mm。
34.实施例6高度梯度为0.010mm，其余同实施例5。
35.实施例7高度梯度为0.015mm，其余同实施例5。
36.实施例8高度梯度为0.020mm，其余同实施例5。
37.实施例9一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，刀垫1的材质选为tc4钛合金，刀垫1的上表面上沿方向d间隔设有7排梯形凸台5，刀尖正下方的梯形凸台5沿方向d的宽度为2.5mm，面积为9.5mm2，沿方向d相邻的凸台之间的间距为1mm，沿方向d相邻两排的凸台之间存在面积梯度，使沿方向d依次设置的各排凸台的面积依次减小，面积梯度为0.05mm2。
38.实施例10面积梯度为0.10mm2，其余同实施例9。
39.实施例11面积梯度为0.15mm2，其余同实施例9。
40.实施例12面积梯度为0.20mm2，其余同实施例9。
41.实施例13一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，刀垫1的材质选为tc4钛合金，刀垫1的上表面上沿方向d间隔设有7排圆柱凸台8，刀尖正下方的圆柱凸台8的直径为2.5mm，沿方向d相邻的凸台之间的间距为1mm，沿方向d相邻两排的凸台之间存在面积梯度，使沿方向d依次设置的各排凸台的总面积依次减小，面积梯度为0.05mm2。
42.实施例14面积梯度为0.10mm2，其余同实施例13。
43.实施例15面积梯度为0.15mm2，其余同实施例13。
44.实施例16面积梯度为0.20mm2，其余同实施例13。
45.针对上述实施例1-实施例16，如图1所示，将刀垫1与刀片2装配在一起，刀片2采用yg8硬质合金刀片，对装配好的刀具进行动力学仿真实验。在刀片2的刀尖部分施加一个750n的冲击力，仿真实验结束后，记录刀片拉应力（最大应力）情况，如图9-图12所示。
46.如图8所示，刀垫1的上表面沿方向d间隔设有若干排凸台，沿方向d依次设置的各
排凸台的高度或面积依次减小。当没有外力作用时，刀片2底部与刀尖正下方的凸台接触；当刀尖处受到切削力时，刀尖正下方的凸台压缩变形；随着切削力逐渐增大，刀垫1上沿方向d的其他凸台逐渐和刀片2的底面接触，接触面积逐渐增大，整体接触刚度逐渐提高。由于在刀尖正下方的凸台变形最大，因此刀尖处单位面积的刚度最大，此处可以更好地抵抗由于切削力及产生的变形；而在远离刀尖的方向，接触刚度逐渐减小，使得刀片沿远离刀尖方向的变形差减小。这样可以使刀片沿远离刀尖方向的弯曲应力和变形减小，从而降低刀片拉应力（正值，图中最大主应力）。
47.如图9-图10所示，设有梯形凸台和设有圆柱凸台的刀垫1，均在高度梯度为0.005mm～0.020mm时，刀片内的最大主应力都出现了明显下降，相对于没有设置高度梯度凸台的平面结构刀垫1a来说，最大主应力降低了约20%。
48.如图11-图12所示，设有梯形凸台和设有圆柱凸台的刀垫1，均在面积梯度为0.05mm2～0.2mm2时，刀片内最大主应力都出现了下降，相对于没有设置面积梯度凸台的平面结构刀垫1a来说，最大主应力降低了约10%。
49.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体事例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作出的任何修改，等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，其特征是：包括上表面，将远离刀尖的方向记为方向d，在上表面上沿方向d间隔设有若干排凸台，沿方向d相邻两排的凸台之间存在高度梯度或面积梯度，沿方向d依次设置的各排凸台的高度或面积依次减小；所述高度梯度的取值范围为0.002mm～0.2mm；所述面积梯度的取值范围为0.01mm2～3mm2。2.根据权利要求1所述的机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，其特征是：所述凸台为梯形凸台（5）或圆柱凸台（8）。3.根据权利要求2所述的机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，其特征是：所述梯形凸台（5）沿方向d的宽度尺寸范围为0.5mm～5mm，所述圆柱凸台（8）的直径范围为0.5mm～5mm。4.根据权利要求1所述的机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，其特征是：沿方向d相邻的凸台之间的间距范围为0.2mm～5mm。5.根据权利要求1所述的机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，其特征是：所用材料的弹性模量大于100gpa，弹性极限应变大于0.002。

技术总结
本发明属于金属切削加工技术领域，特别涉及一种机夹可转位刀具用梯度刚度刀垫，包括上表面，将远离刀尖的方向记为方向d，在上表面上沿方向d间隔设有若干排凸台，沿方向d相邻两排的凸台之间存在高度梯度或面积梯度，沿方向d依次设置的各排凸台的高度或面积依次减小；本技术方案通过改变刀垫和刀片接触面的结构，使刀垫沿远离刀尖方向产生刚度梯度，提高切削过程中刀片受到较大切削力时的抗断裂能力，延长刀片的使用寿命。刀片的使用寿命。刀片的使用寿命。


技术研发人员：苏国胜 刘俊豪 刘永龙 盛佳琳 杜劲 张培荣 夏岩 李斌训 孙玉晶
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/6