CN101804583A - 基于槽切铣削刀具轮廓复制的磨损测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于槽切铣削轮廓复制的刀具磨损测量方法，属于刀具磨损测量领域。其特征在于：将要加工的工件材料和复印材料安装在同一台数控机床工作台上；实验前先将刀具初始轮廓复制在复印材料上，即将刀具在复印材料上采用槽切铣削方式进给预设距离；上述复印材料为对刀具磨损忽略不计的易加工材料；按照实验方案对工件材料进行加工，每次加工完成后，将磨损后的刀具轮廓复制在复印材料上；在全部实验方案完成后，对复印材料上刀具磨损几何元素形状进行处理，提取特征值，根据特征值测量需要设计测量方案并在三座标测量机上测量。本发明不需机床停机即可获得刀具磨损量，刀具磨损测量设置简单，测量数据少、处理简单，加工和测量都是批量处理。

Description

基于槽切铣削刀具轮廓复制的磨损测量方法

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基于槽切铣削磨损轮廓复制的测量方法。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。发明人在申请号为200910031737.9的专利中采用沿机床主轴方向进给铣孔的方法复制刀具磨损形状，得到一系列复映孔形状，为拟合复映孔测量位置处的圆，需要测量较多的数据，而本发明采用槽切铣削方式得到的近似槽的几何形状在同一测量位置截面，只需测量近似槽两槽壁的一组数据即可，测量所需数据明显减少。

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槽切铣削刀具轮廓复制的磨损测量方法。该发明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轮廓的复制；实验前先将刀具初始轮廓复制在复印材料上，即将刀具在复印材料上采用槽切铣削方式进给预设距离，将刀具初始轮廓复制在复印材料上；每次轮廓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轮廓就复制在复印材料上；从机床上拆卸复印材料，对复印材料上所有刀具磨损几何元素形状进行数学处理，将刀具磨损处理为特征值的测量，根据特征值测量需要设计测量方案并在三座标测量机上进行批量测量，便可获得刀具磨损量。该发明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。

本发明提出的基于槽切铣削刀具轮廓复制的磨损测量方法，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所测刀具半径最大值加20毫米作为复印材料厚度，所测刀具直径最大值的2倍加10毫米作为复印材料宽度，复印材料长度由设计的加工实验方案确定，以复印尽可能多的刀具磨损信息，又能装夹在机床工作台内为选取原则；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，为刀具磨损轮廓的复制提供条件；

(4)实验前先将刀具初始磨损轮廓复制在复印材料上，即采用槽切铣削方式在复印材料上进给预设距离，将刀具磨损轮廓复制在复印材料上，进给的预设距离为刀具的直径，保证刀具磨损部分的轮廓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，将磨损后的刀具磨损轮廓复制在复印材料上；

(6)在全部加工过程完成后，对复印材料上的所有近似槽的刀具磨损几何元素形状进行数学处理得到刀具磨损的特征值，根据刀具磨损特征值测量的需要设计测量方案；

(7)根据测量方案在三座标测量机上进行刀具磨损特征值的测量；

(8)对所形成的一系列近似槽的几何形状测量得到的刀具磨损特征值进行处理，得到每组加工实验的刀具磨损值。

本发明的有益效果是：由于本发明将槽切铣削方式和刀具轮廓复制的策略运用到刀具磨损测量中，轮廓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；采用的刀具磨损测量设置简单，测量方法简单，所需测量的数据较少，所测数据经简单处理便可得到刀具磨损量，实验加工过程和测量过程都是批量处理，大大提高了刀具磨损测量的效率；对复制的刀具磨损轮廓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：复印材料上复制的刀具磨损轮廓的二维平面示意图。

图2：复印材料上复制的球头铣刀磨损轮廓测量位置示意图。

图3：刀具磨损计算示意图。

图4：球头铣刀复制的相邻近似槽的刀具磨损轮廓处理示意图。

图5：平底铣刀复制的相邻近似槽的刀具磨损轮廓处理示意图。

图6：圆角铣刀复制的相邻近似槽的刀具磨损轮廓处理示意图。

图中标号名称：1-22代表复制的刀具磨损轮廓的二维平面示意图；a1为离散分割后的测量截面；b1为测量位置；p1、p2为两个测量位置；R为刀具半径；ab、cd、ef、gh、ij、kl、mn、rs分别为在复印材料上复制的两组相邻刀具磨损轮廓的测量位置。

具体实施方式

下面对本发明提出的基于槽切铣削的刀具磨损轮廓复制的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磨损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所测刀具半径最大值加20毫米作为复印材料厚度，所测刀具直径最大值的2倍加10毫米作为复印材料宽度，复印材料长度由设计的加工实验方案确定，以复印尽可能多的刀具磨损信息，又能装夹在机床工作台内为选取原则。

(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，为刀具磨损轮廓的复制提供条件。

(4)刀具磨损轮廓复制

实验前先将刀具初始未磨损轮廓复制在复印材料上，即将刀具采用槽切铣削方式在复印材料上进给预设距离，将刀具磨损轮廓复制在复印材料上，进给预设距离为刀具的直径，保证刀具磨损部分的轮廓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，将磨损后的刀具轮廓复制在复印材料上，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近似槽的几何形状，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，针对近似槽的几何形状进行测量和处理便可获得刀具磨损，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为一个复印材料上复制的刀具磨损轮廓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近似槽的几何形状，在这块复印材料上总共复制了22个刀具磨损轮廓。

(5)复制的刀具磨损轮廓处理

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，首先通过对复印材料上轮廓复制形成的近似槽的几何形状沿槽切时刀具的轴向划分得到一系列位置，上述位置的划分是采用沿槽切时刀具的轴向将近似槽的几何形状槽壁以等间隔划分，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，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特征值便可获得刀具磨损。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的近似槽的几何形状沿槽切时刀具的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。图2为复印材料上球头铣刀的槽切形成的近似槽的几何形状划分位置实例。

(6)设计复制的刀具磨损轮廓测量方案

图3所示为刀具磨损计算示意图，在图中，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槽切轮廓进行测量，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所示球头铣刀复制的相邻刀具磨损轮廓处理示意图，对于球头刀具在复印材料上复制刀具磨损轮廓时使球头刀具球头的球心落在复印材料上表面，刀具磨损轮廓复制后形成一半圆柱面，对于同一种刀具，保持刀具采用槽切铣削方式在复印材料上进给同一距离。图5所示平底铣刀复制的相邻刀具磨损轮廓处理示意图。图6所示圆角铣刀复制的相邻刀具磨损轮廓处理示意图。

对于图4中球头铣刀所设计的两相邻近似槽的几何形状的测量位置ab、ef使用三坐标测量机进行测量，对于ab，若测得ab距离为x，到复印材料上表面距离为z；对于ef，若测得ef距离为x1，到复印材料上表面距离为z1；z和z1为同一测量位置与复印材料上表面的距离，两者相等，因此，将要测的ab距离x或ef距离x1称为该位置处刀具磨损的特征值；若ab所在的刀具磨损轮廓几何形状先复制，ef所在的刀具磨损轮廓几何形状后复制，则对应ef位置的刀具后刀面磨损量ΔVB计算时所需的Δh可由以下关系式确定：

                Δh＝h_ab-h_ef

其中， $h_{\mathrm{ab}}=\sqrt{{(x/2)}^2+z^2}$ $h_{\mathrm{ef}}=\sqrt{{(x1/2)}^2+{z1}^2}$

对于球头铣刀复印材料上的近似槽几何形状只要测出x和z值，便可得到刀具磨损量，具体测量方法是采用在图4中沿槽切时刀具轴向划分得到一系列位置处沿槽切进给距离均匀的取5个点，分别测出x和z值，以x的平均值和z的平均值代入计算h的关系式中，就可获得这一位置h，对每个位置采取类似处理，就可获得复制的槽切轮廓上划分的各个位置的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轮廓复制的近似槽的几何形状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相减代入得到Δh，用后刀面刀具磨损量ΔVB的计算关系式中就可确定出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。

对于图5中平底铣刀所设计的两相邻近似槽的几何形状的测量位置ij、mn使用三坐标测量机进行测量，对于ij，若测得ij距离为x，到复印材料上表面距离为z；对于mn，若测得mn距离为x1，到复印材料上表面距离为z1；z和z1为同一测量位置与复印材料上表面的距离，两者相等，因此，将要测的ij距离x或mn距离x1称为该位置处刀具磨损的特征值；若ij所在的刀具磨损轮廓几何形状先复制，mn所在的刀具磨损轮廓几何形状后复制，则对应mn位置的刀具后刀面磨损量ΔVB计算时所需的Δh可由以下关系式确定：

                Δh＝h_ab-h_ef

        其中，h_ab＝x/2    h_ef＝x1/2

对于平底铣刀复印材料上的近似槽几何形状只要测出x和z值，便可得到刀具磨损量，具体测量方法是采用在图5中沿槽切时刀具轴向划分得到一系列位置处沿槽切进给距离均匀的取5个点，分别测出x和z值，以x的平均值代入计算h的关系式中，就可获得这一位置h，其余的处理与球头铣刀类似，这样便可得到平底铣刀各次数控铣削加工实验刀具磨损量。

对于图6所示圆角铣刀刀具磨损轮廓复制形成的近似槽的几何形状可以分解为球头铣刀部分和平底铣刀部分采用类似的处理方法得到各个位置圆角铣刀的刀具磨损量。

据此分析，就可设计对刀具磨损特征值测量的方案。

(7)复制的刀具磨损轮廓测量

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：对同一复制的近似槽的几何形状等间隔划分的各个位置分别进行测量，对复制的不同刀具磨损轮廓近似槽几何形状的对应位置进行测量，从复制的初始未磨损刀具轮廓近似槽几何形状开始，对两个相邻近似槽同一位置处所测的刀具磨损特征值处理为两个径向距离h后，得到两者之差，再由后刀面磨损ΔVB与径向距离之差的关系式进行处理，便可得到该刀具在一次数控实验加工后这一位置处的刀具磨损，对各个近似槽几何形状的各个位置分别按照上述方法进行处理就可获得各位置处的刀具磨损量。

Claims (6)

1.一种基于槽切铣削轮廓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轮廓复制在复印材料上，即采用槽切铣削方式在复印材料上进给预设距离，将刀具初始轮廓复制在复印材料上；

(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，将磨损后的刀具磨损轮廓复制在复印材料上，形成一系列近似槽的几何形状；

(6)在实验方案设计的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，将刀具磨损处理为复制的刀具轮廓上一些特征值的测量，并根据特征值测量需要设计测量方案；

(7)根据测量方案在三座标测量机上对所有复制的刀具轮廓进行刀具磨损特征值的批量测量；

(8)对所测量得到的刀具磨损特征值进行简单处理，得到每组加工实验的刀具磨损值。

2.根据权利要求1所述的基于槽切铣削轮廓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所述的基于槽切铣削轮廓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所测刀具半径的最大值加20毫米作为复印材料厚度，所测刀具直径最大值的2倍加10毫米作为复印材料宽度，复印材料长度由设计的加工实验方案确定，以复印尽可能多的刀具磨损信息，又能装夹在机床工作台内为选取原则。

4.根据权利要求1所述的基于槽切铣削轮廓复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，其特征在于：刀具在复印材料上采用槽切铣削进给预设距离，为减少刀具磨损测量的误差，进给的预设距离取为所测刀具的直径，槽切的切深为所测刀具的半径，保证刀具磨损部分的信息能复制到复印材料上。

5.根据权利要求1所述的基于槽切铣削轮廓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，通过对复印材料上复制形成的复映形状沿槽切时刀具轴向划分得到一系列位置，即可确定为测量刀具磨损特征值的位置，对每一位置沿预设的进给距离均匀测量5处特征值，取其平均值作为该位置处的测量值。

6.根据权利要求1所述的基于槽切铣削轮廓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近似槽形状同一位置处所测刀具磨损特征值数据处理为径向距离后，两者径向距离之差，再由后刀面磨损与径向距离之差的关系式，便可得到该刀具在一次数控加工实验后这一位置处的刀具磨损。

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