CN101590614A - 基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，属数控铣削加工刀具磨损测量领域。将工件材料和复印材料安装在同一数控机床工作台上；实验前先将刀具初始形状复制在复印材料上，即将刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离，将刀具形状复制在复印材料上；上述复印材料为对刀具磨损忽略不计的易加工材料；按设计的实验方案对加工材料进行加工，同时每次加工完成后，将磨损后的刀具形状复制在复印材料上；在全部加工过程完成后，对复印材料上所有刀具磨损几何元素形状进行数学处理并测量。本发明将形状复制引入刀具磨损测量中，提高了机床利用率，减少数控加工实验成本和时间，刀具磨损测量设置简单，不需机床停机即可获得刀具磨损量。

Description

基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法

所属技术领域

本发明涉及数控加工中刀具磨损测量问题，尤其涉及一种数控加工中不需机床停机即可获得数控加工过程中刀具磨损的形状复制测量方法。用于数控铣削加工刀具磨损测量领域。

背景技术

在数控铣削加工中，刀具作为切削过程的直接执行者，在工件的切削加工过程中不可避免地存在着磨损和破损等现象，刀具状态的变化直接导致切削力增加、切削温度升高、工件表面粗糙度上升、工件尺寸超出公差、切屑颜色变化以及切削颤振的产生。对刀具磨损的处理存在两个方面，一方面，如果刀具磨损量低于磨钝标准，则会因为没有充分利用刀具的实际寿命而带来浪费，增加制造成本；另一方面，如果刀具磨损量高于磨钝标准，刀具已经磨钝或破损，则会影响工件的加工表面质量和尺寸精度，严重时甚至会损坏机床。解决这些问题的关键在于对刀具磨损状态进行自动和实时检测，因此，需要对数控加工过程中的刀具磨损进行测量、建模和控制，通过测量刀具磨损，建立刀具磨损模型，进而对加工过程产生的刀具磨损进行控制，然而，现有的对于刀具磨损测量采用的方法是先进行一次刀具的数控加工实验后，将刀具从机床主轴上拆下来，到工具显微镜或者测量机上进行刀具磨损情况的测量，然后再将刀具安装到机床主轴上进行下一次数控加工实验，依次进行直至完成所设计的数控加工实验，这种测量方式需要机床停机、需要多次拆卸和安装刀具、需要多次进行测量，影响了机床效率的发挥，增加了实验成本和时间。

发明内容

针对目前刀具磨损测量方面存在的不足，本发明提出了一种简便易行的基于形状复制的刀具磨损测量方法，该方法根据数控加工实验准备复印材料，将准备好的复印材料和工件材料安装到同一台数控机床工作台进行刀具磨损形状的复制，每次形状复制后进行数控加工，所有数控加工实验完成后，每次数控加工实验的刀具磨损就复制在复印材料上，对复印材料上的刀具磨损形状进行批量测量便可获得刀具磨损量，提高了在刀具磨损测量中机床的利用率，减少数控加工实验成本和时间，为刀具磨损建模、刀具磨损在线监测和控制的实现提供条件。

本发明提出的基于形状复制的刀具磨损测量方法，采用如下技术方案：

(1)根据刀具材料和工件材料类型，设计数控加工实验方案；

(2)根据数控加工实验方案准备一块或几块经过精加工的复印材料块料，上述复印材料为对刀具磨损忽略不计的易加工材料，数控加工实验方案中刀具的最大半径加8-12厘米作为复印材料厚度，复印材料长度和宽度根据加工实验方案确定；选用对刀具磨损忽略不计的易加工材料作为复印材料，以避免对刀具的再次磨损提高测量精度。

(3)将要加工的工件材料和复印材料分别用标准夹具安装到同一台数控机床工作台上，为刀具磨损形状复制提供便利；

(4)实验前先将刀具初始形状复制在复印材料上，即将刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离，将刀具形状复制在复印材料上，刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离根据加工刀具类型和每次实验加工切削深度确定，保证刀具磨损部分的形状能复制到复印材料上；

(5)按照设计的实验方案对加工材料进行加工，同时每次加工完成后，将磨损后的刀具形状复制在复印材料上；

(6)在全部加工过程完成后，对复印材料上的所有刀具磨损几何元素形状进行数学处理并设计测量方案；

(7)根据测量方案在三座标测量机上进行刀具磨损的测量。

本发明的有益效果是：由于本发明将形状复印的策略运用到刀具磨损测量中，采用的刀具磨损测量设置简单，形状复制测量方式非常灵活，不需机床停机即可获得实验数控加工过程中的刀具磨损量，消除了现场加工条件变化对刀具磨损测量的影响，大大提高刀具磨损测量的效率，同时对复制的刀具磨损形状采用三座标测量机测量能够获得高精度的测量效果，这对于刀具磨损建模、刀具磨损在线监测和控制的实现具有重要意义。

附图说明

图1：复印材料上刀具磨损形状复制的二维平面示意图。

图2：复印材料上的复制孔轴向划分位置示意图。

图3：刀具磨损计算示意图。

图4：球头铣刀刀具磨损测量示意图。

图中标号名称：1-66代表刀具磨损形状复制的二维平面示意图；a为离散分割后的圆盘；b为轴向划分位置。

具体实施方式

下面对本发明提出的基于形状复制的刀具磨损测量方法的具体实施步骤做进一步描述。

(1)实验方案设计

根据刀具材料和工件材料类型，考虑加工中的刀具刃数、主轴转速、进给速度、切削深度和切削宽度参数采用正交实验法设计刀具磨损数控铣削加工实验方案。

(2)复印材料准备

根据数控加工实验方案中要复制的刀具形状和加工实验次数准备一块或几块经过精加工的复印材料块料，上述复印材料为对刀具磨损忽略不计的易加工材料，形状为长方体，数控加工实验方案中刀具的最大半径加8-12厘米作为复印材料厚度，复印材料长度和宽度根据加工实验方案确定。

(3)工件材料和复印材料装夹

将要加工的工件材料和复印材料分别用标准夹具安装到同一台数控机床工作台上，为形状复制提供便利。

(4)刀具磨损形状复制

实验前先将刀具初始形状复制在复印材料上，即将刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离，将刀具形状复制在复印材料上，刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离根据加工刀具类型和每次实验加工切削深度确定，保证刀具磨损部分的形状能复制到复印材料上。

按照设计的实验方案对加工材料进行加工，同时每次加工完成后，将磨损后的刀具形状复制在复印材料上，在复印材料上获得了一系列的反映各次加工实验刀具磨损情况的几何形状复制孔，针对每种刀具和工件材料组合就获得了一系列的刀具磨损映射，在加工机床无需停机的情况下高效的完成不同刀具和工件材料组合下的多组加工实验，这是本发明区别于其他刀具磨损测量方式的一个重要方面。

图1为一个复印材料上刀具磨损形状复制的二维平面示意图实例，对应三维平面就是在复印材料上的一系列的复制孔，在这块复印材料上总共复制了66个刀具磨损形状。对于图1中复制形成的几何形状，通过对复印材料上的复制孔沿其轴向划分得到一系列位置，即可确定为测量刀具磨损的位置。

(5)复制的刀具磨损形状处理

在全部加工过程完成后，对复印材料上的所有刀具磨损几何元素形状进行处理，通过对复印材料上形状复制形成的复制孔沿其轴向划分得到一系列位置，即可确定为测量刀具磨损的位置，从而将连续的切削刃刀具磨损转化为一系列离散的刀具切削刃磨损，在复印材料上就可对这些位置测量刀具磨损，上述位置的划分是采用沿复制孔轴向将孔以某一角度间隔划分，得到一系列的圆盘面，这些圆盘面和复制孔相交，形成一系列的位置，这些位置就是三座标测量机要测量的位置。图2为复印材料上球头铣刀的复制孔轴向划分位置实例。

(6)设计复制的刀具磨损形状测量方案

图3是刀具磨损计算示意图，在图3中，设刀具前角为α，后角为β，刀具切削刃径向磨损量为h，由图3中的几何关系可知后刀面刀具磨损ΔVB由如下关系式确定：

$\mathrm{\ΔVB}=\mathrm{\Δh}\×[\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})-\tan \mathrm{\α}]$

为了求出刀具后刀面磨损量，只需要计算出刀具磨损后与刀具磨损前径向的距离差Δh，通过测出刀具磨损后与刀具磨损前距离h，两者相减便可得到径向距离差Δh，按照图2所划分的位置分别在复印材料上就同一把刀具两组相邻复制孔进行测量，便可求出各次数控加工实验的刀具后刀面的磨损量。

对于不同的刀具类型，例如，球头铣刀、平底铣刀、圆角铣刀等，其刀具磨损的计算都可归结为求解h值。图4所示为球头铣刀刀具磨损测量计算实例，对于球头刀具在复印材料上复制刀具磨损形状时使球头刀具球头的球心落在复印材料上表面，复制出半球面，对于同一种刀具，保持刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给同一距离。对于图2中所设计的测量位置使用三坐标测量机，对于点A，若测得A到复制孔轴线的水平距离为x，到复印材料上表面距离为z，设初始球头刀具半径为R₀，则后刀面磨损量ΔVB计算时所需的h由以下关系式确定：

h＝R₀-R

式中的R由以下关系式确定：

$R=\sqrt{x^2+z^2}$

刀具初始形状复制在复印材料上由于复制的孔轴线方向上球头刀具球头球心不一定在铝板上表面，此时测出的R与初始球头刀具半径R₀可能不等，存在误差，需要采用以下两个步骤进行修正：

①假设球头刀具球头球心在复印材料上表面下方Δz处(由于试切时有一定切削量)，设图4中B点到复制孔Z向轴线距离为x₀，则球头刀具实际半径由如下关系式确定：

R₀＝x₀

由几何关系球头刀具实际半径也可由以下关系式确定：

$R_0=\sqrt{x^2+{(z-\mathrm{\Δz})}^2}$

由上面两个关系式，通过测量x₀、x以及z，可求出R₀和Δz。

②据此球头刀具磨损以后，其后刀面刀具磨损ΔVB计算时所需h的计算公式修正为以下关系式：

h＝x₀-R

式中R由如下关系式确定：

$R=\sqrt{x^2+{(z-\mathrm{\Δz})}^2}$

对于复印材料上的复制孔只要测出x和z值，便可得到刀具磨损量，具体测量方法是采用在图2中任一划分位置处的同一水平面(使纵坐标不变)内，均匀的取若干个点，分别测出x和z值，以x的平均值和z的平均值代入修正后的计算公式中就可获得这一位置的R和h，对每个位置采取类似处理，就可获得复制孔上划分的各个位置的R和h，这样就得到一次数控铣削加工实验各个位置的h，对包括刀具磨损初始形状复制的孔在内的同一把刀具相邻两次数控铣削加工实验同一位置处的h相减代入后刀面刀具磨损量ΔVB的计算关系式中就可确定一次数控铣削加工实验刀具磨损量，依次处理便可得到各次数控铣削加工实验刀具磨损量。对于平底铣刀、圆角铣刀可以采用类似的处理方法。

据此分析，就可设计对复制的刀具磨损形状复制孔的测量方案。

(7)复制的刀具磨损形状测量

根据测量方案在三座标测量机上进行刀具磨损的测量，具体方法为：对同一复制形状各个位置分别进行测量，对不同复制形状的各个位置进行测量，对同一把刀具复制形成的两个相邻形状同一位置处所测数据之差，即为该刀具在一次数控实验加工后这一位置处的刀具磨损，从而可以获得刀具磨损量。

Claims (6)

1.一种基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据刀具材料和工件材料类型，设计数控加工实验方案；

(2)根据数控加工实验方案准备一块或几块经过精加工的复印材料块料，上述复印材料为对刀具磨损忽略不计的易加工材料；

(3)将要加工的工件材料和复印材料分别用标准夹具安装到同一台数控机床工作台上；

(4)实验前先将刀具初始形状复制在复印材料上，即将刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离，将刀具形状复制在复印材料上；

(5)按照设计的实验方案对加工材料进行加工，同时每次加工完成后，将磨损后的刀具形状复制在复印材料上；

(6)在全部加工过程完成后，对复印材料上的所有刀具磨损几何元素形状进行数学处理并设计测量方案；

(7)根据测量方案在三座标测量机上进行刀具磨损的测量。

2.根据权利要求1所述的基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于：上述复印材料为铝合金。

3.根据权利要求1所述的基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于：数控加工实验方案中刀具的最大半径加8-12厘米作为复印材料厚度，复印材料长度和宽度根据加工实验方案确定。

4.根据权利要求1所述的基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于：刀具沿机床主轴轴向在复印材料上进给预设距离根据加工刀具类型和每次实验加工切削深度确定，保证刀具磨损部分的形状能复制到复印材料上。

5.根据权利要求1所述的基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于：在全部加工过程完成后，对复印材料上的所有刀具磨损几何元素形状进行处理，通过对复印材料上形状复制形成的复映孔沿其轴向划分得到一系列位置，即可确定为测量刀具磨损的位置。

6.根据权利要求1所述的基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于：对同一把刀具复制形成的两个相邻形状同一位置处所测数据之差，即为该刀具在一次数控实验加工后这一位置处的刀具磨损。

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