CN105729241B - 测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法 - Google Patents

测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法 Download PDF

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Abstract

测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法，具体涉及刀具左右后刀面磨损差异性检测方法。本发明为了解决现有刀具后刀面磨损差异方法测得的结果会导致刀具超期使用或刀具浪费的问题。本发明包括第一步、建立刀具左右切削刃受力模型；第二步、进行左右后刀面磨损差异性识别；第三步、设计车削刀具磨损测试方案，通过刀具切削实验，检测出刀具左右后刀面磨损差异性。本发明检测出刀具后角、刃口半径和切削润滑条件对刀具左右后刀面磨损差异性的影响，可准确评价出不同条件下刀具使用寿命，该方法为高效、精确车削大螺距螺纹刀具和工艺优化设计提供了一种有效的评价手段。

Description

测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法
技术领域
本发明涉及一种测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法。
背景技术
已有的大螺距螺纹车削工艺及刀具，为了刀具定位和数控加工编程方便，通常采用同一把刀具加工左右螺纹面，刀具采用左右切削刃对称式结构，但由于在进行左右分层切削时刀具左右后刀面受力组成不同，导致刀具左后刀面的磨损状况远比刀具右后刀面剧烈；同时，在车削大螺距螺纹时，由于工件转速慢、刀具磨损带加长、所受载荷加大，导致刀具后刀面磨损带的不均匀性大大增加，刀具左右切削刃后刀面磨损差异性进一步增大；刀具左右切削刃后刀面磨损差异性不仅直接决定刀具使用寿命，而且是影响加工表面质量的重要因素；
已有的方法采用刀具后刀面平均磨损宽度或刀具后刀面宽度的最大值，评价刀具使用寿命；这两种方法在评价左右后刀面磨损差异性较大的刀具时，会获得多个不同结果，其主要原因在于未能全面揭示出刀具左右后刀面磨损状况，获得的结果会导致刀具超期服役或刀具浪费等问题，车削大螺距螺纹刀具磨损测试方法上存在不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有刀具后刀面磨损差异方法测的的结果会导致刀具超期使用或刀具浪费的问题，进而提供测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法。
本发明的技术方案是：为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：
第一步、建立刀具左右切削刃受力模型；
分别采用左切削刃和右切削刃，沿轴向分层切削的方法车削大螺距螺纹左右螺纹面；利用左右切削刃的前、后刀面与螺纹面待加工表面、已加工表面的几何和运动关系，建立刀具左右切削刃的前、后刀面所受的摩擦力和正压力与水平方向进给力之间的平衡力系，获得左右切削刃水平方向所受合力公式；
第二步、进行左右后刀面磨损差异性识别；
依据第一步获得的左右切削刃水平方向所受合力公式，进行左、右切削刃进给方向与已加工表面法矢量的正反向识别，确定左、右后刀面所受正压力和摩擦力方向；利用左、右前刀面上的切屑运动方向不同，确定左、右前刀面所受摩擦力方向；依据上述结果，区分刀具左、右切削刃与已加工表面摩擦接触位置和受力的不同，识别出轴向分层切削刀具左右后刀面磨损条件上的差别；
第三步、设计车削刀具磨损测试方案，通过刀具切削实验，检测出刀具左右后刀面磨损差异性；
设计并制备两把材料为W18Cr4V用于车削大螺距外螺纹的实验刀具，在干切和润滑条件下，切削35CrMo试件；分别计算两把刀具左、右切削刃的理论磨损长度，并与实际测量的左、右切削刃的磨损长度进行对比，利用刀具1和刀具2每次磨损测量获得的后刀面磨损状态和磨损宽度，及其随切削次数和切削行程变化上的不同，检测每把刀具左右后刀面磨损差异性
进一步地，第一步中所述的左右切削刃水平方向所受合力公式为；
左切削刃水平方向所受合力为：
Fx1＝Ffα1·sinθ+Fα1·cosθ-Fγ1·sinγf1+Ffγ1·cosγf1 (1)
右切削刃水平方向所受合力为：
Fx2＝Ffα2·sinθ-Fα2·cosθ+Fγ2·sinγf2-Ffγ2·cosγf2 (2)
式中，θ为螺纹的螺旋升角，Fx1为左切削刃水平方向所受的合力，Fγ1为左切削刃前刀面所受压力，Ffγ1为左切削刃前刀面所受的摩擦力，Fα1为左切削刃后刀面所受压力，Ffα1为左切削刃后刀面所受摩擦力，γf1为左切削刃在假定工作平面内侧前角，Fx2为右切削刃左切削刃水平方向所受的合力，Fγ2为左切削刃前刀面所受压力，Ffγ2为右切削刃前刀面所受的摩擦力，Fα2为右切削刃后刀面所受压力，Ffα2为右切削刃后刀面所受摩擦力，γf2为右切削刃在假定工作平面内侧前角。
进一步地，第三步所述的两把用于车削大螺距外螺纹的实验刀具，该两把刀具具有不同刃口半径和后角。
进一步地，第三步中所述的两把材料为W18Cr4V用于车削大螺距外螺纹的实验刀具，在干切和润滑条件下，切削35CrMo试件，两次车削实验的试件均为螺距16mm的右旋螺纹，头数为1，牙型角为26°，螺旋升角为2°36'，螺纹加工长度为均为160mm，外径120mm，内径104mm。
进一步地，第三步中所述的两把用于车削大螺距外螺纹的实验刀具沿轴向单侧逐层切削的方式，保持刀具径向切深与梯形外螺纹的槽深相一致，两次实验的左、右分层车削的进给量为0.05mm、转速为10rpm；
本发明的有益效果为：本发明提供了一种测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法；该方法利用建立的左右切削刃水平方向所受合力公式，揭示出刀具左、右切削刃与已加工表面摩擦接触位置和受力的不同，识别出轴向分层切削刀具左右后刀面磨损条件上的差别，不仅大大减少了实验测试工作量，节约工艺成本，而且为车削大螺距螺纹刀具和工艺方案设计提供了理论依据；采用本发明提供的方法，检测出刀具后角、刃口半径和切削润滑条件对刀具左右后刀面磨损差异性的影响，可准确评价出不同条件下刀具使用寿命，该方法为高效、精确车削大螺距螺纹刀具和工艺优化设计提供了一种有效的评价手段；
附图说明
图1为左切削刃受力分析图；
图2为右切削刃受力分析图；
图3为实验用具有不同刃口半径和后角的刀具结构图；
图4为刀具1左后刀面磨损宽度随切削行程的变化特性图；
图5为刀具1右后刀面磨损宽度随切削行程的变化特性图；
图6为刀具1左后刀面中段磨损状态图(图中a是行程14088mm下左后刀面中段磨损状态图，b是行程49308mm下左后刀面中段磨损状态图)；
图7为刀具2左后刀面中段磨损状态图(图中c是行程17610mm下左后刀面中段磨损状态图，d是行程49308mm下左后刀面中段磨损状态图)；
图8为刀具1左后刀面磨损宽沿切削刃长度方向的变化曲线图；
图9为刀具2左后刀面磨损宽沿切削刃长度方向的变化曲线图；
图10为刀具1右后刀面中段磨损状态图(图中e是行程52830mm下右后刀面中段磨损状态图，f是行程81006mm下右后刀面中段磨损状态图)；
图11为刀具2右后刀面中段磨损状态图(图中g是行程45786mm下右后刀面中段磨损状态图，h是行程73962mm下右后刀面中段磨损状态图)；
图12为刀具1右后刀面磨损宽沿切削刃长度方向的变化曲线图；
图13为刀具2右后刀面磨损宽沿切削刃长度方向的变化曲线图；
图14为测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法的步骤图。
具体实施方式
实施实例1：左右切削刃受力模型构建与实验刀具设计
(1)采用轴向分层切削方法加工大螺距螺纹过程中，左右切削刃前刀面上的切屑运动方向不同，左切削刃进给方向与已加工表面法矢量方向相反，右切削刃进给方向与已加工表面法矢量方向相同，导致其受力明显不同，如图1、图2所示；
图中：vc为切削速度，vf为刀具轴向进给速度，θ为螺纹的螺旋升角，ac为切削厚度，v1为左切削刃相对于螺纹面的总移动速度，Fx1为左切削刃水平方向所受的合力，Fγ1为左切削刃前刀面所受压力，Ffγ1为左切削刃前刀面所受的摩擦力，Fα1为左切削刃后刀面所受压力，Ffα1为左切削刃后刀面所受摩擦力，γf1为左切削刃在假定工作平面内侧前角，v2为右切削刃相对于螺纹面的总移动速度，Fx2为右切削刃左切削刃水平方向所受的合力，Fγ2为左切削刃前刀面所受压力，Ffγ2为右切削刃前刀面所受的摩擦力，Fα2为右切削刃后刀面所受压力，Ffα2为右切削刃后刀面所受摩擦力，γf2为右切削刃在假定工作平面内侧前角。
由图1、图2，刀具左后刀面水平方向受力Fx1与右后刀面水平方向受力Fx2明显不同；
左切削刃水平方向所受合力为：
Fx1＝Ffα1·sinθ+Fα1·cosθ-Fγ1·sinγf1+Ffγ1·cosγf1 (1)
右切削刃水平方向所受合力为：
Fx2＝Ffα2·sinθ-Fα2·cosθ+Fγ2·sinγf2-Ffγ2·cosγf2 (2)
左右切削刃采用相同的名义前角时，受右旋螺旋升角影响，左切削刃为正前角切削，其进给方向与已加工表面法矢量在进给方向的分量方向相反，切削刃与已加工表面接触位置处于左后刀面上；右刃为负前角切削，其进给方向与已加工表面法矢量在进给方向的分量方向相同，切削刃与已加工表面接触位置则处于右切削刃刃口圆弧处；刀具左右切削刃与已加工表面摩擦接触位置和受力明显不同；
该结果表明，车削右螺纹面时，刀具前刀面承受较大的摩擦力作用，后刀面承受的摩擦力则较小，其后刀面磨损主要集中在靠近刀具刃口处；由此可知，轴向分层切削左右螺纹面刀具后刀面最大磨损位置和磨损程度明显不同；
(2)为验证上述分析结果，设计具有不同刃口半径和后角的刀具1和刀具2，材料为W18Cr4V，其结构和角度如图3和表1所示；
图中，Pre为基面，Pse1为左切削刃切削平面，Pse2为右切削刃切削平面；
表1刀具几何参数
实施实例2：刀具左右后刀面磨损实验方法
(1)为揭示不同工况下刀具左右后刀面磨损差异性，实验分别采用表1中的两把车刀在干切和润滑条件下，切削35CrMo试件，两次车削实验的试件均为螺距16mm的右旋螺纹，头数为1，牙型角为26°，螺旋升角为2°36'，螺纹加工长度为均为160mm，外径120mm，内径104mm；
(2)实验采用刀具沿轴向单侧逐层切削的方式，保持刀具径向切深与梯形外螺纹的槽深相一致。两次实验的左、右分层车削的进给量为0.05mm、转速为10rpm；其中，刀具1全程采用干切削；刀具2采用切削液和油润滑两种方式；
(3)依据企业车削大螺距螺纹工艺和加工质量要求，确定具体实验方案如表2所示；
表2左右后刀面磨损切削实验方案
(4)采用上述实验方案，计算刀具左、右切削刃的理论磨损长度均为8265.66μm，而实际测量的刀具1左右切削刃的磨损长度分别为：8066.67μm和8252.66μm，略小于理论测量值，因此，在测量刀具磨损量时，以刀尖为原点，每隔0.80mm取一点，在刀具的左右切削刃上分别选取9个等间距的点，进行磨损宽度的测量；
刀具2左右切削刃的磨损长度分别为：8261.79μm和8296.72μm，和理论磨损长度基本一致。因此，在测量刀具磨损量时，以刀尖为原点，每隔0.83mm取一点，在刀具的左右切削刃上分别选取9个等间距的点测量；
实施实例3：刀具左右后刀面磨损宽度差异性
(1)采用表2中的刀具1实验方案进行切削实验，每次刀具磨损测量时左右切削刃切削次数和切削行程如表3所示；
表3刀具1左右切削刃切削行程
(2)获得距刀尖不同距离处后刀面磨损宽度随切削行程的变化特性，如图4、图5所示；
(3)由图3可知，随切削行程增大，刀具1的左右后刀面磨损宽度存在明显差异；同时发现，在初期磨损阶段，左右后刀面磨损宽度随切削行程变化相近，但其沿切削刃方向存在差别；在中后期磨损阶段，左右后刀面磨损宽度随切削行程变化差异性逐渐增大，沿切削刃长度方向上分布的差异性尤为明显；左右后刀面磨损宽度的这种差异性，直接缩短了刀具整体使用寿命；
实施实例4：刀具左后刀面磨损
(1)采用表2中的刀具2实验方案进行切削实验，选取与刀具2切削行程相近的刀具1磨损检测结果，对比分析表1中两把刀具的左后刀面磨损状态，如图6、图7所示；
(2)由图6、图7可知，刃口半径和后角的增大和冷却润滑条件的改善，使两把刀具左后刀面磨损明显不同；
(3)利用刀具磨损实验测量结果，分析图6、图7中两把刀具左后刀面磨损宽度沿切削刃长度方向上分布，如图8、图9所示；
(4)由图图8和图9发现，刀具刃口半径和后角的增大以及冷却润滑条件的改善，使刀具2左后刀面初期磨损宽度明显小于刀具1；两把刀具左切削刃均经历14次切削，切削行程达到49308mm时，刀具2左后刀面磨损宽度最大值与刀具1相近，但其切削刃长度方向上分布的不均匀性明显大于刀具1；
(5)该结果表明，刀具左后刀面磨损上存在的差异性在切削刃长度方向上表现的更为明显，改变刃口半径、后角和冷却润滑条件，并没有达到改善左后刀面磨损的目的；
实施实例5：刀具右后刀面磨损分析
(1)采用表2中的刀具1和刀具2切削实验获得的两把刀具右后刀面磨损测量结果，进行刀具右后刀面磨损分析，如图10、图11所示；
(2)由图10、图11可知，刀具1右切削刃在初期磨损阶段产生明显塑性变形；随着切削行程增大，其右后刀面磨损趋于正常磨损状态。刀具2右后刀面磨损则为正常磨损状态，其磨损宽度明显小于刀具1；
(3)分析图10、图11中两把刀具右后刀面磨损宽度沿切削刃长度方向上分布，如图12、图13所示；
(4)由图12和图13可知，两把刀具右后刀面磨损宽度沿切削刃长度方向上分布明显不同；刀具1右后刀面磨损最严重的部位为切削刃的后半部分，其磨损宽度沿切削刃长度方向逐渐增大，且切削行程的增加没有改变这一分布特性；刀具2右后刀面磨损最严重的部位则靠近刀尖处，其切削刃的中后部分磨损宽度较小，且沿切削刃长度方向呈现一定波动性，切削行程的增加改变了切削刃的中后部分磨损宽度的分布特性。

Claims (5)

1.测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、建立刀具左右切削刃受力模型；
分别采用左切削刃和右切削刃，沿轴向分层切削的方法车削大螺距螺纹左右螺纹面；利用左右切削刃的前、后刀面与螺纹面待加工表面、已加工表面的几何和运动关系，建立刀具左右切削刃的前、后刀面所受的摩擦力和正压力与水平方向进给力之间的平衡力系，获得左右切削刃水平方向所受合力公式；
第二步、进行左右后刀面磨损差异性识别；
依据第一步获得的左右切削刃水平方向所受合力公式，进行左、右切削刃进给方向与已加工表面法矢量的正反向识别，确定左、右后刀面所受正压力和摩擦力方向；利用左、右前刀面上的切屑运动方向不同，确定左、右前刀面所受摩擦力方向；依据上述结果，区分刀具左、右切削刃与已加工表面摩擦接触位置和受力的不同，识别出轴向分层切削刀具左右后刀面磨损条件上的差别；
第三步、设计车削刀具磨损测试方案，通过刀具切削实验，检测出刀具左右后刀面磨损差异性；
设计并制备两把材料为W18Cr4V用于车削大螺距外螺纹的实验刀具，在干切和润滑条件下，切削35CrMo试件；分别计算两把刀具左、右切削刃的理论磨损长度，并与实际测量的左、右切削刃的磨损长度进行对比，利用刀具1和刀具2每次磨损测量获得的后刀面磨损状态和磨损宽度，及其随切削次数和切削行程变化上的不同，检测每把刀具左右后刀面磨损差异性。
2.根据权利要求1所述的测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法，其特征在于：第一步中所述的左右切削刃水平方向所受合力公式为；
左切削刃水平方向所受合力为：
Fx1＝Ffα1·sinθ+Fα1·cosθ-Fγ1·sinγf1+Ffγ1·cosγf1 (1)
右切削刃水平方向所受合力为：
Fx2＝Ffα2·sinθ-Fα2·cosθ+Fγ2·sinγf2-Ffγ2·cosγf2 (2)
式中，θ为螺纹的螺旋升角，Fx1为左切削刃水平方向所受的合力，Fγ1为左切削刃前刀面所受压力，Ffγ1为左切削刃前刀面所受的摩擦力，Fα1为左切削刃后刀面所受压力，Ffα1为左切削刃后刀面所受摩擦力，γf1为左切削刃在假定工作平面内侧前角，Fx2为右切削刃左切削刃水平方向所受的合力，Fγ2为左切削刃前刀面所受压力，Ffγ2为右切削刃前刀面所受的摩擦力，Fα2为右切削刃后刀面所受压力，Ffα2为右切削刃后刀面所受摩擦力，γf2为右切削刃在假定工作平面内侧前角。
3.根据权利要求1所述的测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法，其特征在于：第三步所述的两把用于车削大螺距外螺纹的实验刀具，该两把刀具具有不同刃口半径和后角。
4.根据权利要求1所述的测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法，其特征在于：第三步中所述的两把材料为W18Cr4V用于车削大螺距外螺纹的实验刀具，在干切和润滑条件下，切削35CrMo试件，两次车削实验的试件均为螺距16mm的右旋螺纹，头数为1，牙型角为26°，螺旋升角为2°36'，螺纹加工长度为均为160mm，外径120mm，内径104mm。
5.根据权利要求1所述的测试刀具左右后刀面磨损差异性的实验方法，其特征在于：第三步中所述的两把用于车削大螺距外螺纹的实验刀具沿轴向单侧逐层切削的方式，保持刀具径向切深与梯形外螺纹的槽深相一致，两次实验的左、右分层车削的进给量为0.05mm、转速为10rpm。
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