CN104175178A - 一种定量测量钻削刀具切削力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量测量钻削刀具切削力的方法，该方法包括以下步骤：S1：将钻削刀具的一条主切削刃和1/2条横刃沿轴向或径向进行n等分，n≥3，等分点自中心轴向外依次计为：1，2……n，n+1；S2：测量各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值；S3：将各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值进行线性回归分析，计算出钻削刀具主切削刃和横刃上单独产生的切削力数值。该方法可实现定量测量钻削刀具各切削刃上单独产生的切削力数值、不增加额外的成本、操作简单、切实可行。

Description

一种定量测量钻削刀具切削力的方法

技术领域

本发明涉及金属钻削切削力测量方法，尤其涉及定量测量钻削刀具切削力的方法。

背景技术

在金属钻削领域，麻花钻(包括直槽钻)广泛应用于实孔钻削，属于半封闭切削，其受力状况非常复杂。通过市场上成熟的切削力测量设备，只可以获得切削过程中加载在主切削刃、横刃和副切削刃上的切削力总值。当需要单独测量麻花钻上述三部分切削刃的切削力时，由于切削过程中各部分切削刃交互作用，不能完全剥离，无法实现直接测量各部分切削刃单独产生的切削力值。

从可查询的文献和资料来看，对麻花钻主切削刃产生的切削力的建模和仿真等理论研究较多，很少涉及到横刃和副切削刃。加拿大Yusuf Altintas教授在《ManufacturingAutomation——Metal Cutting Mechanics，Machine Tool Vibrations，and CNC Design》中指出，在对横刃进行分析时，不能采用切削定理，而要用挤压机理。但是，将横刃产生的切削力近似为简单的挤压对精确分析钻削力是不可靠的，横刃的几何关系和挤压机理是相当复杂的，需要进行详细的几何建模和对各种经验因素的实验标定。

在实际工程测试中，尚未有实验方法可定量测量麻花钻主切削刃、横刃和副切削刃上单独产生的切削力数值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可实现定量测量钻削刀具各切削刃上单独产生的切削力数值、不增加额外的成本、操作简单、切实可行的定量测量钻削刀具切削力的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种定量测量钻削刀具切削力的方法，包括以下步骤：

S1：将钻削刀具的一条主切削刃和1/2条横刃沿轴向或径向进行n等分，n≥3，等分点自中心轴向外依次计为：1，2……n，n+1；

S2：测量各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值；

S3：将各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值进行线性回归分析，计算出钻削刀具主切削刃和横刃上单独产生的切削力数值。

在进行步骤S3时，以切削力数值F为因变量Y，背吃刀量Ap与钻头半径R的比值：Ap/R为自变量X，得线性回归方程所述线性回归分析方程中，所述系数为所述主切削刃单独切削产生的切削力数值F_主切削刃；截距为钻削刀具横刃单独切削产生的切削力数值F_横刃。

还可进一步测算钻削刀具副切削刃同时参与切削时产生的切削力数值F_副切削刃，先测量轴向切削深度H_n对应的主切削刃和横刃的总切削力F_主切削刃+F_横刃，再测量钻削刀具副切削刃同时参与切削时的总切削力F_总，F_副切削刃＝F_总-(F_主切削刃+F_横刃)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的定量测量钻削刀具切削力的方法，独创性定量测量钻削刀具主切削刃、横刃和副切削刃上单独产生的切削力数值，有利于钻削刀具几何结构设计和改进，评价各种切削力数值建模和仿真等理论分析的可靠性，提升钻削刀具在实际应用中的切削性能；不需要专用的设备，利用市场上常用的切削力测量设备即可测量，不增加额外的成本，操作简单，切实可行；可通过Excel等数据分析软件以图形的形式直观、简洁地显示数据分析结果。

附图说明

图1为钻削刀具的一条主切削刃和1/2条横刃沿其径向n等分的示意图。

图2为钻削刀具切削过程中切削力测量示意图。

图3为本发明具体实施方式的轴向切削力随背吃刀量Ap/R比值变化的散点图。

图4为本发明具体实施方式的轴向切削力随背吃刀量Ap/R比值变化的线性回归分析图形显示结果。

图5为本发明具体实施方式的各部分切削刃上单独产生的切削力数值。

图6为本发明具体实施方式的各部分切削刃上单独产生的切削力数值与总切削力的比值。

图7为本发明定量测量钻削刀具切削力的方法的流程图。

图中各标号表示：

1、柄部；2、横刃；3、外刃；4、内刃；5、主切削刃；6、螺旋槽；7、导屑槽；8、副切削刃；9、工作部分；10、工件；11、测力仪器。

具体实施方式

图1至图7示出了本发明的一种定量测量钻削刀具切削力的方法实施例，其中图1示出了本实施例中所需要使用的一种钻削刀具主视图，该钻削刀具为麻花钻，该麻花钻具有装夹在机床上的柄部1和用于切削加工的麻花钻工作部分9。工作部分9具有对称结构：两条对称的主切削刃5，由外刃3和内刃4组成，外刃由螺旋槽6形成，为改善切削性能，横刃2经“减薄”处理，此时，在横刃2和外刃3之间增加了两条由导屑槽7形成的内刃4。另外，图1中，省略了麻花钻工作部分9和柄部1的轴向长度的图示。此外，本实施方式使用的麻花钻为硬质合金基体，表面披覆一层经PVD涂层的TiAlN物质。但是，也不一定限于此，基体可以是陶瓷，PCBN和PCD等超硬材料，也可以是高速工具钢和合金工具钢，涂层也可以是其它物质，甚至可以不进行表面处理。

本实施例的定量测量钻削刀具切削力的方法按图7所示流程进行，包括以下步骤：

S1：将钻削刀具的一条主切削刃5和1/2条横刃2沿轴向或径向进行n等分，n≥3，等分点自中心轴向外依次计为：1，2……n，n+1。

各等分点对应的背吃刀量A_p分别为0，和R，各等分点对应的轴向切削深度H分别为0，H₁，……，H_n-1和H_n。

本实施例的麻花钻半径R＝5mm，钻尖角ψ＝140°，n＝5，各等分点对应的背吃刀量Ap与半径R的比值以及轴向切削深度H分别如表2所示，保留小数点后两位。

表1 背吃刀量Ap/半径R的比值和轴向切削深度H

等分点	1	2	3	4	5	6
							背吃刀量Ap/半径R	0	0.20	0.40	0.60	0.80	1.00
轴向切削深度H(mm)	0	0.36	0.73	1.09	1.46	1.82

S2：测量各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值。

当背吃刀量A_p(轴向切削深度H)为0时，麻花钻的横刃2与工件10刚刚接触，理论上，此时麻花钻承载的切削力F₀全部由横刃2生成，然而，在实际操作中，无法实现切削力F₀的直接测量。通过切削力测量设备测量背吃刀量A_p分别为和R(或轴向切削深度为H₁，H₂，……H_n-1和H_n)时的切削力数值，测量结果如表1所示。

表2 切削力测量结果

等分点

1

2

3

……

n

n+1

背吃刀量Ap(mm)

0

R/n

2×R/n

……

(n-1)×R/n

R

轴向切削深度H(mm)

0

H1

H2

……

Hn-1

Hn

切削力Fz(N)

F0

F1

F2

……

Fn-1

Fn

图2为本实施方式的切削力测量示意图。工件10材料为合金结构钢42CrMo(35HRC)，测力仪器11为Kistler公司的9257B型三向测力仪。通过上述测力仪器11测量麻花钻横刃2刚接触工件10瞬间至主切削刃5完全切入工件10过程中，各等分点对应的轴向切削力Fz(包括F₁－F₅，F₀除外)，结果如表3所示。

表3切削力测量数据

X＝背吃刀量Ap/半径R	0.20	0.40	0.60	0.80	1.00
						Y＝轴向切削力Fz(N)	342.91	421.42	510.95	628.35	652.28

S3：将各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值进行线性回归分析，计算出钻削刀具主切削刃5和横刃2上单独产生的切削力数值。

在进行步骤S3时，以切削力数值F为因变量Y，背吃刀量Ap与钻头半径R的比值：Ap/R为自变量X，得线性回归方程所述线性回归分析方程中，所述系数为所述主切削刃5单独切削产生的切削力数值F_主切削刃；截距为钻削刀具横刃2单独切削产生的切削力数值F_横刃。

图3为因变量Y(轴向切削力Fz)和自变量X(背吃刀量Ap与半径R的比值)的散点图，根据表3所示数据，经计算可得表4。

表4数据计算结果

将表4中所得数据代入公式得：

${\widehat{\mathrm{\β}}}_1=\frac{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2}=\frac{5\×1698.52-3.00\×2555.70}{5\×2.20-3.00\×3.00}=\frac{825.50}{2.00}=412.75$

${\widehat{\mathrm{\β}}}_0=\stackrel{\‾}{Y}-{\widehat{\mathrm{\β}}}_1\×\stackrel{\‾}{X}=511.14-412.75\×0.6=263.49$

由此得到回归方程为：Y＝263.49+412.75×X

其中系数为切削过程中麻花钻主切削刃5单独产生的轴向切削力数值F_主切削刃＝412.75(N)，常数为切削过程中麻花钻横刃2单独产生的轴向切削力数值F_横刃＝263.49(N)。

图4为EXCEL数据分析软件中，因变量Y(轴向切削力F_z)和自变量X(背吃刀量Ap与半径R的比值)的线性回归分析显示的结果，其中，可决定系数 $R^2={\widehat{\mathrm{\β}}}_1^2\frac{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}{{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}=412.75\×412.75\×\frac{0.4}{69982.412}=0.97.$ 可决定系数R²的值越接近1，变量间的线性关系越显著，可以看出，轴向切削力F_z关于背吃刀量A_p与半径R的比值(A_p/R)的线性关系非常显著。

本实施例还进一步测算了钻削刀具副切削刃8同时参与切削时产生的切削力数值F_副切削刃，先测量轴向切削深度H_n对应的主切削刃5和横刃2的总切削力F_主切削刃+F_横刃，再测量钻削刀具副切削刃88同时参与切削时的总切削力F_总，F_副切削刃＝F_总-(F_主切削刃+F_横刃)。

当轴向钻削深度30mm时，轴向切削力总值F_总＝784.65(N)，此时，其值与主切削刃5完全切入工件10瞬间(轴向钻削深度H₅)的主切削刃5和横刃2总切削力数值F_主切削刃+F_横刃＝652.28(N)之差即为副切削刃88单独产生的轴向切削力数值F_副切削刃，即F_副切削刃＝F_总-(F_主切削刃+F_横刃)＝784.65－652.28＝132.37(N)。图5和图6对比了各部分切削刃单独产生的轴向切削力数值及其占轴向切削力总值的比例。

本发明的定量测量钻削刀具切削力的方法，独创性定量测量钻削刀具主切削刃5、横刃2和副切削刃8上单独产生的切削力数值，有利于钻削刀具几何结构设计和改进，评价各种切削力数值建模和仿真等理论分析的可靠性，提升钻削刀具在实际应用中的切削性能；不需要专用的设备，利用市场上常用的切削力测量设备即可测量，不增加额外的成本，操作简单，切实可行；可通过Excel等数据分析软件以图形的形式直观、简洁地显示数据分析结果。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种定量测量钻削刀具切削力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将钻削刀具的一条主切削刃(5)和1/2条横刃(2)沿轴向或径向进行n等分，n≥3，等分点自中心轴向外依次计为：1，2……n，n+1；

S2：测量各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值；

S3：将各等分点对应轴向切削深度H_n时的切削力数值进行线性回归分析，计算出钻削刀具主切削刃(5)和横刃(2)上单独产生的切削力数值。

2.根据权利要求1所述的定量测量钻削刀具切削力的方法，其特征在于：在进行步骤S3时，以切削力数值F为因变量Y，背吃刀量Ap与钻头半径R的比值：Ap/R为自变量X，得线性回归方程所述线性回归分析方程中，所述系数为所述主切削刃(5)单独切削产生的切削力数值F_主切削刃；截距为钻削刀具横刃(2)单独切削产生的切削力数值F_横刃。

3.根据权利要求1所述的定量测量钻削刀具切削力的方法，其特征在于：还可进一步测算钻削刀具副切削刃(8)同时参与切削时产生的切削力数值F_副切削刃，先测量轴向切削深度H_n对应的主切削刃(5)和横刃(2)的总切削力F_主切削刃+F_横刃，再测量钻削刀具副切削刃(8)同时参与切削时的总切削力F_总，F_副切削刃＝F_总-(F_主切削刃+F_横刃)。