CN104128646A - 工件材料最小切削厚度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件材料最小切削厚度的确定方法。目前工件材料的最小切削厚度值获得过程中理论分析方法较繁琐、适用性差，获得的计算结果不够准确。本发明组成包括：超景深显微镜下观察工件材料铣削痕迹，将表面划分为切削区域、犁耕区域和滑擦区域，测量犁耕区域-滑擦区域的总长度l；取犁耕区域-切削区域分界面与第一刀齿于工件表面边界线的交点A，取刀具第一刀齿、第二刀齿开始切入工件材料时的中心位置为点O₁、O₂，以O₁点为坐标原点建立坐标系，过点O₂与点A做垂直于XO1Y得切削断面，获得点O₁在剖面上的投影点O₁'；再过点A做XO₁Y的垂线，垂线与切削断面下端轮廓的交点为点B，O₂B与切削断面上端轮廓的交点为点C，在三角形O₂CO₁'中采用余弦定理求得h_D＝R-|O₂C|。本发明用于刀具加工时工件材料最小切削厚度的确定。

Description

工件材料最小切削厚度的确定方法

技术领域

本发明涉及一种工件材料最小切削厚度的确定方法。

背景技术

切削刀具在制造过程中都会存在一定的切削刃钝圆半径，由于切削刃钝圆半径的存在，使得材料在加工过程中存在一个最小切削厚度，当实际加工中切削厚度小于所加工材料的最小切削厚度时，将造成刀具与工件之间主要以滑擦的形式接触却不能够正常切削，严重影响加工工件表面质量及精度，甚至造成刀具与工件的损伤，实际加工中应当避免。当切削加工中其他切削参数确定的情况下，工件材料的最小切削厚度决定着加工所能达到的最小单元，目前工件材料的最小切削厚度值是通过理论分析、切削过程仿真技术、切削实验方法来获得，其中理论分析方法较繁琐、适用性差，切削过程仿真技术方法及以往切削实验方法过程麻烦、且获得的计算结果不够准确。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有刀具切削工件材料时，无法确定加工最小切削厚度的问题，导致工件表面加工质量差，而提出一种工件材料最小切削厚度的确定方法。

一种工件材料最小切削厚度的确定方法，所述确定方法具体为，

步骤一：在数控铣床的工作台上对工件材料进行直线路径的铣削加工；

步骤二：采用超景深显微镜观察所述工件材料的铣削痕迹，依据所述铣削痕迹的表面微观形貌特征将其划分为切削区域、犁耕区域和滑擦区域，并测量犁耕区域―滑擦区域的总长度l；

步骤三：利用步骤二获得的所述犁耕区域―滑擦区域的总长度l，计算所述工件材料的最小切削厚度值h_D，具体为：

步骤三1：第一刀齿铣削所述工件材料后于表面形成边界线，取犁耕区域―切削区域分界面与所述边界线的交点A，则点A坐标表示为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-l\\ y_A=\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}\\ z_A=-\sqrt{R^2-{(l-a_e)}^2}\end{array}\right.,$ 其中，R为铣削加工时所用刀具的半径，a_e为刀具的径向切削深度；

步骤三2：取所述刀具第一刀齿开始切入所述工件材料时，所述刀具的中心位置为点O₁，取所述刀具第二刀齿开始切入所述工件材料时，所述刀具的中心位置为点O₂，以O₁点为坐标原点建立坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴方向沿刀具进给方向，X轴方向与Y-Z轴构成右手系，则O₂点坐标为(0，fz，0)，fz为所述刀具每齿进给量；

步骤三3：过点O₂与点A做垂直于XO₁Y的剖面，获得未变形切削断面，获得点O₁在所述剖面上的投影点O₁'；再过点A做XO₁Y的垂线，所述垂线与所述切削断面下端轮廓的交点为点B，连接O₂B，O₂B与切削断面上端轮廓的交点为点C，在三角形O₂CO₁'中采用余弦定理有：

已知，|O′₁O₂|＝f_zsinε， $\left|O_1^{\′}C\right|=\sqrt{R^2-{\left(f_z\cos \mathrm{\ϵ}\right)}^2},\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l}{\sqrt{l^2+{(\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}-f_z)}^2}},$

得到h_D＝R-|O₂C|；

其中，ε为O₂O₁与O₁'O₁之间的夹角，为过点O₂且与面XO₁Y垂直的垂线与O₂C之间的夹角。

本发明的有益效果为：本发明方法与以往研究工件材料最小切削厚度的试验方法相比，具有测量过程简单、计算结果准确的优点，对工件材料最小切削厚度确定所需的计算公式中，只有犁耕与滑擦的总长度为未知量，只需利用超景深显微镜的测量模块对铣削痕迹中犁耕-滑擦区域的总长度l进行测量即可。省去了人工目测、估计计算数值的过程，利用本方法确定的工件材料最小切削厚度，对于提高工件表面加工质量具有实质作用，且加工精度提高了50％～60％。

本发明方法适用于不同材质工件的最小切削厚度的确定，设定不同的切削参数：刀具每齿进给量、刀具轴向切削深度、刀具径向切削深度及刀具半径，由测得的不同犁耕区域―滑擦区域的总长度l最终均可计算得到h_D。

附图说明

图1为本发明方法对工件材料进行的铣削方案图，图中1为工件材料，2为切削区域图；

图2为图1中标号2处的局部放大图，图中a_p为刀具轴向切削深度，f_z为每个刀齿进给量；

图3为图2的俯视图，为本发明铣削加工走刀路径示意图，图中n为主轴转速，3为刀具路径，4为刀具；

图4为铣削区域表面形貌图，图中5为切削区域，6为犁耕区域，7为滑擦区域；

图5为最小切削厚度计算图，其中BC段为预求的最小切削厚度值h_D；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的工件材料最小切削厚度的确定方法，所述确定方法具体为，

步骤一：在数控铣床的工作台上对工件材料进行直线路径的铣削加工；

步骤二：采用超景深显微镜观察所述工件材料的铣削痕迹，依据所述铣削痕迹的表面微观形貌特征，将刀具旋转时远离刀尖至刀尖的区域划分为切削区域、犁耕区域和滑擦区域，并测量犁耕区域―滑擦区域的总长度l；

步骤三：利用步骤二获得的所述犁耕区域―滑擦区域的总长度l，计算所述工件材料的最小切削厚度值h_D，具体为：

步骤三1：第一刀齿铣削所述工件材料后于表面形成边界线，取犁耕区域―切削区域分界面与所述边界线的交点A，则点A坐标表示为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-l\\ y_A=\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}\\ z_A=-\sqrt{R^2-{(l+a_e)}^2}\end{array}\right.,$ 其中，R为铣削加工时所用刀具的半径，a_e为刀具的径向切削深度；

步骤三2：取所述刀具第一刀齿开始切入所述工件材料时，所述刀具的中心位置为点O₁，取所述刀具第二刀齿开始切入所述工件材料时，所述刀具的中心位置为点O₂，以O₁点为坐标原点建立坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴方向沿刀具进给方向，X轴方向与Y-Z轴构成右手系，则O₂点坐标为(0，fz，0)，fz为所述刀具每齿进给量；

步骤三3：过点O₂与点A做垂直于XO₁Y的剖面，获得未变形切削断面，获得点O₁在所述剖面上的投影点O₁'；再过点A做XO₁Y的垂线，所述垂线与所述切削断面下端轮廓的交点为点B，连接O₂B，O₂B与切削断面上端轮廓的交点为点C，在三角形O₂CO₁'中采用余弦定理有：

已知，|O′₁O₂|＝f_zsinε， $\left|O_1^{\′}C\right|=\sqrt{R^2-{\left(f_z\cos \mathrm{\ϵ}\right)}^2},\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l}{\sqrt{l^2+{(\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}-f_z)}^2}},$

得到h_D＝R-|O₂C|；

其中，ε为O₂O₁与O₁'O₁之间的夹角，为过点O₂且与面XO₁Y垂直的垂线与O₂C之间的夹角。

具体实施方式二：

本实施方式与具体实施方式一不同的是：

所述工件材料最小切削厚度的确定方法，用于铣削加工的所述工件材料为长方体。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：

所述工件材料最小切削厚度的确定方法，步骤二中所述切削区域的表面微观形貌特征为具有一组材料残留棱条，所述材料残留棱条之间的残留间距的宽度相同，所述残留间距的宽度为所述刀具的每齿进给量值。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：

所述工件材料最小切削厚度的确定方法，步骤二中所述犁耕区域的表面微观形貌特征是表面形貌光滑。

其它步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：

所述工件材料最小切削厚度的确定方法，步骤二中所述滑擦区域的表面微观形貌特征是表面排列有一组间距不相同的刀齿条纹，所述的刀齿条纹的宽度小于所述材料残留棱条的宽度。

其它步骤及参数与具体实施方式四相同。

实施例1：

工件材料选为淬火硬度为58HRC的淬硬钢Cr12MoV，工件材料尺寸为长120mm，宽60mm，高50mm，在数控铣床的工作台上对其进行直线路径的铣削加工，加工的刀具轴向切削深度a_p＝0.3mm，刀具径向切削深度a_e＝0.3mm，铣削加工完成后取下工件材料；

超景深显微镜下观察加工形成的铣削痕迹，将表面形貌为排列一组材料残留棱条的区域划分为切削区域，将表面形貌光滑区域划分为犁耕区域，将表面形貌为排列一组间距不相同的刀齿条纹的区域划分为滑擦区，超景深显微镜下测量宽度量取犁耕区域-滑擦区域的总长度l为600.12μm；

取犁耕区域-切削区域分界面与第一刀齿铣削后工件表面边界线的交点A，则点A坐标表示为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-l\\ y_A=\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}\\ z_A=-\sqrt{R^2-{(l+a_e)}^2}\end{array}\right.,$ 设定刀具半径R为10mm，每个刀齿进给量f_z为0.1mm/z，主轴转速n＝2000r/min，取刀具第一刀齿开始切入工件材料时的中心位置为点O₁，取刀具第二刀齿开始切入工件材料时中心位置为点O₂，以O₁点为坐标原点建立坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴方向沿刀具进给方向，X轴方向与Y-Z轴构成右手系，则O₂点坐标为(0，fz，0)，过点O₂与点A做垂直于XO₁Y的剖面，获得未变形切削断面，获得点O₁在剖面上的投影点O₁'；再过点A做XO₁Y的垂线，垂线与切削断面下端轮廓的交点为点B，连接O₂B，O₂B与切削断面上端轮廓的交点为点C，在三角形O₂CO₁'中采用余弦定理有：

已知，|O′₁O₂|＝f_zsinε， $\left|O_1^{\′}C\right|=\sqrt{R^2-{\left(f_z\cos \mathrm{\ϵ}\right)}^2},$

得 $\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l}{\sqrt{l^2+{(\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}-f_z)}^2}}=28.98365715,$

h_D＝R-|O₂C|＝0.0062mm。

Claims (5)

1.一种工件材料最小切削厚度的确定方法，其特征在于：所述确定方法具体为，

步骤一：在数控铣床的工作台上对工件材料进行直线路径的铣削加工；

步骤二：采用超景深显微镜观察所述工件材料的铣削痕迹，依据所述铣削痕迹的表面微观形貌特征将其划分为切削区域、犁耕区域和滑擦区域，并测量犁耕区域―滑擦区域的总长度l；

步骤三：利用步骤二获得的所述犁耕区域―滑擦区域的总长度l，计算所述工件材料的最小切削厚度值h_D，具体为：

步骤三1：第一刀齿铣削所述工件材料后于表面形成边界线，取犁耕区域―切削区域分界面与所述边界线的交点A，则点A坐标表示为： $\left\{\begin{array}{c}{x}_A=-l\\ y_A=\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}\\ z_A=-\sqrt{R^2-{(l-a_e)}^2}\end{array}\right.,$ 其中，R为铣削加工时所用刀具的半径，a_e为刀具的径向切削深度；

步骤三2：取所述刀具第一刀齿开始切入所述工件材料时，所述刀具的中心位置为点O₁，取所述刀具第二刀齿开始切入所述工件材料时，所述刀具的中心位置为点O₂，以O₁点为坐标原点建立坐标系，Z轴方向竖直向上，Y轴方向沿刀具进给方向，X轴方向与Y-Z轴构成右手系，则O₂点坐标为(0，fz，0)，fz为所述刀具每齿进给量；

步骤三3：过点O₂与点A做垂直于XO₁Y的剖面，获得未变形切削断面，获得点O₁在所述剖面上的投影点O₁'；再过点A做XO₁Y的垂线，所述垂线与所述切削断面下端轮廓的交点为点B，连接O₂B，O₂B与切削断面上端轮廓的交点为点C，在三角形O₂CO₁'中采用余弦定理有：

已知，|O′₁O₂|＝f_zsinε， $\left|O_1^{\′}C\right|=\sqrt{R^2-{\left(f_z\cos \mathrm{\ϵ}\right)}^2},\mathrm{\ϵ}=\arccos \frac{l}{\sqrt{l^2+{(\sqrt{{(l+a_e)}^2-l^2}-f_z)}^2}},$

得到h_D＝R-|O₂C|；

其中，ε为O₂O₁与O₁'O₁之间的夹角，为过点O₂且与面XO₁Y垂直的垂线与O₂C之间的夹角。

2.根据权利要求1所述工件材料最小切削厚度的确定方法，其特征在于：用于铣削加工的所述工件材料为长方体。

3.根据权利要求1或2所述工件材料最小切削厚度的确定方法，其特征在于：步骤二中所述切削区域的表面微观形貌特征为具有一组材料残留棱条，所述材料残留棱条之间的残留间距的宽度相同，所述残留间距的宽度为所述刀具的每齿进给量值。

4.根据权利要求3所述工件材料最小切削厚度的确定方法，其特征在于：步骤二中所述犁耕区域的表面微观形貌特征是表面形貌光滑。

5.根据权利要求4所述工件材料最小切削厚度的确定方法，其特征在于：步骤二中所述滑擦区域的表面微观形貌特征是表面排列有一组间距不相同的刀齿条纹，所述的刀齿条纹的宽度小于所述材料残留棱条的宽度。