CN107160239A - 球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法 - Google Patents

球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法，用于解决现有多轴加工方法刀具浪费严重的技术问题。技术方案是首先建立球头刀与工件接触区域和刀轴方向之间的关系；再根据刀具磨损速率确定每一个刀具倾角对应的切削刃的寿命，计算每把刀所能加工曲面的最长轨迹；最后通过所得到的切削刃寿命，计算实际加工中刀轴方向变化点，并计算一把刀具可以加工曲面的数量。本发明通过改变刀轴方向，充分利用球头刀的各部分刀刃区域进行加工，减少了球头刀因局部磨损而造成的失效，从而提高了刀具的使用寿命。

Description

球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法
技术领域
本发明涉及一种多轴加工方法，特别是涉及一种球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法。
背景技术
钛合金，镍基高温合金等材料具有较好耐高温、耐腐蚀性能以及优异的机械性能，因此被广泛的运用于航空航天零件中。但是这类材料的机械加工性能较差，属于典型的难加工材料，在切削该类材料时，刀具磨损速度较快。在某些情况下，刀具的使用寿命只有数十分钟。刀具的磨损不仅会影响工件的几何精度，而且会造成工件(如叶片，机匣)关键部位的表面质量缺陷，而这些关键部位的精度和表面质量缺陷对提高工件的气动性能和使用寿命具有巨大的作用。因此，刀具磨损过快是大量使用难加工材料的航天航空工业中的重大挑战。
为此，研究者们对刀具磨损投入了大量的时间和精力。以往研究的主要关注点为切削参数的优化和刀具磨损的监测。针对刀具的磨损，现有的常用方法有：优化切削参数，进行冷却和润滑处理，使用刀具涂层等。E.G.Ng等人在The Effect of CuttingEnvironments When High Speed Ball Nose End Milling Inconel 718,in:Intermetallics and Superalloys,Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,2000,pp.71-76.提到，当加工钛镍合金718时，当进给速度为90m/min，在高压冷却液的条件下(70帕，26L/min)，刀具的使用寿命相比于其他切削参数可以提升到123％。H.R.Krain等人在Optimisation of tool life and productivity when end milling Inconel 718TM,Journal of Materials Processing Technology,189(2007)153-161.中指出，增大浸深比将导致刀具寿命的降低。
在刀具寿命的研究中，通过优化刀具与工件的接触区域来增加刀具使用寿命的方式研究较少。在多轴加工过程中，固定刀轴方向以产生固定的刀具与工件接触区域，这有利于刀具轨迹的规划，但是这种方法使得整个刀刃只有固定的一小部分参与切削，因此只有刀刃的部分区域出现磨损现象，刀刃上没有参与切削的大部分区域依然保持完整，这样就造成了刀具严重的浪费。
发明内容
为了克服现有多轴加工方法刀具浪费严重的不足，本发明提供一种球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法。该方法首先建立球头刀与工件接触区域和刀轴方向之间的关系；再根据刀具磨损速率确定每一个刀具倾角对应的切削刃的寿命，计算每把刀所能加工曲面的最长轨迹；最后通过所得到的切削刃寿命，计算实际加工中刀轴方向变化点，并计算一把刀具可以加工曲面的数量。本发明通过改变刀轴方向，充分利用球头刀的各部分刀刃区域进行加工，减少了球头刀因局部磨损而造成的失效，从而提高了刀具的使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法，其特点是包括以下步骤：
第一步、建立球头刀与工件接触区域和刀轴方向之间的关系，确定给定切削深度和刀轴方向下，球头刀参与切削的切削刃长度。
第二步、根据刀具磨损速率确定每一个刀具倾角对应的切削刃的寿命，计算每把刀所能加工曲面的最长轨迹；对于球头刀球头部分的刀刃，在相同的主轴转速下，切削刃不同区域的切削速度不同，即刀尖处切削速度为零，沿刀刃方向逐步增大，到圆柱刀刃处达到最大，切削速度Vg表达为：
其中，n为主轴转速，r为刀具半径，g表示切削刃到刀尖的轴向距离。
针对特定的刀具和工件，刀具使用寿命Tt表示为：
其中，V为切削速度，fz为每齿进给率，Ct,p和q为给定材料的刀具和工件的常数。
采用公式(3)计算刀具磨损率vVB。
根据公式(3)计算出球头刀上不同切削刃位置的最大切削长度如公式(4)所示，其中，Z表示刀齿数量。
l＝nZfzTt (4)
得到球头刀所有部分都参加切削时的最大切削长度Lmax，如公式(5)所示：
其中，mc表示刀轴总的变换次数。
第三步、通过第二步计算所得到的切削刃寿命，计算实际加工中刀轴方向变化点，并计算一把刀具加工曲面的数量；在实际加工时，根据第二步公式(3)计算每个刀轴方向对应的切削轨迹的长度，确定每个加工区域的刀轴方向，进而确定刀轴的变化点；根据待加工区域确定球头刀加工的刀具轨迹以及公式(5)计算球头刀所能切削的最长轨迹。在规划球头刀加工的刀具轨迹时，采用等残留高度或等参数线法规划切触点轨迹，并计算出切削轨迹的总长度由此，一把刀具可以加工的曲面数量的计算方法如公式(6)所示：
刀具与被加工表面法线方向的夹角为10°～80°。
本发明的有益效果是：该方法首先建立球头刀与工件接触区域和刀轴方向之间的关系；再根据刀具磨损速率确定每一个刀具倾角对应的切削刃的寿命，计算每把刀所能加工曲面的最长轨迹；最后通过所得到的切削刃寿命，计算实际加工中刀轴方向变化点，并计算一把刀具可以加工曲面的数量。本发明通过改变刀轴方向，充分利用球头刀的各部分刀刃区域进行加工，减少了球头刀因局部磨损而造成的失效，从而提高了刀具的使用寿命。
由于刀轴方向的变化，使得球头刀的刀刃得到有效的利用，这样，由原来单一固定的切削区域到多个切削区域，刀具的使用寿命在同样切削参数下得到了巨大的提升。
本发明方法不会影响加工表面质量和表面完整性。
本发明提高了刀具的使用寿命，减少了换刀时间，在一定程度上提高了加工效率。
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
具体实施方式
本发明球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法具体步骤如下：
第一步：建立球头刀与工件接触区域和刀轴方向之间的关系；其作用是：由于使用球头刀进行切削加工时，刀轴方向的变化会引起刀具与工件接触区域的变化，因此通过建立刀具接触区域与刀轴方向的关系，可以确定给定切削深度和刀轴方向下，球头刀参与切削的切削刃长度，从而可以确定。
第二步：根据刀具磨损速率确定每一个刀具倾角对应的切削刃的寿命，计算每把刀所能加工曲面的最长轨迹；其作用是：对于球头刀球头部分的刀刃，在相同的主轴转速下，切削刃不同区域的切削速度不同，即刀尖处切削速度为零，沿刀刃方向逐步增大，到圆柱刀刃处达到最大，具体可以表达为：
其中，Vg为切削速度，n为主轴转速，r为刀具半径，g表示切削刃到刀尖的轴向距离。
针对特定的刀具和工件，刀具的使用寿命可以表示为：
其中Tt为刀具寿命，V为切削速度，fz为每齿进给率，Ct,p和q为给定材料的刀具和工件的常数，可以通过实验获得。
从公式(2)可以看出，刀具的使用寿命和刀刃的切削速度成反比关系。然而对于球头刀，不同的刀轴方向对应刀具不同区域的切削刃参与切削，不同区域的切削刃的切削速度不同，因此在相同的主轴转速下，球头到不同区域的切削刃的寿命不同；
刀具磨损速率反映了其在切削过程中的磨损的快慢，典型的刀具磨损过程可以分为初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。本发明采用公式(3)计算刀具的磨损率，假设刀具具有一定的初期磨损，且刀具的磨损速率为定值。
其中vVB表示刀具磨损率。
从刀具磨损率公式(3)可以看出，刀具磨损率与切削速度密切相关，即在相同的主轴转速下，球头刀球头部分不同位置的刀刃的磨损率有较大的差异；本发明采用公式(3)所示的刀具磨损率公式预测球头刀上各部分刀刃的磨损量，根据刀具磨损量判断刀刃的磨损状态，进而可以确定刀轴变换点以及变化策略。
根据公式(3)可以计算出球头刀上不同切削刃位置的最大切削长度如公式(4)所示，其中Z表示刀齿数量。
l＝nZfzTt (4)
从而可以得到球头刀所有部分都参加切削时的最大切削长度，如公式(5)所示：
其中mc表示刀轴总的变换次数。
第三步：通过第二步计算所得到的切削刃寿命，计算实际加工中刀轴方向变化点，并计算一把刀具可以加工曲面的数量；其作用是：在实际加工时，根据第二步公式(3)所提出的刀具磨损计算方法，计算每个刀轴方向对应的切削轨迹的长度，确定每个加工区域的刀轴方向，进而确定刀轴的变化点；根据待加工区域确定球头刀加工的刀具轨迹以及公式(5)刀具最长切削轨迹的计算方法，计算球头刀所能切削的最长轨迹。在规划球头刀加工的刀具轨迹时，可以采用等残留高度或等参数线法规划切触点轨迹，并计算出切削轨迹的总长度由此，一把刀具可以加工的曲面数量的计算方法如公式(6)所示：
本发明所提出的球头刀变刀轴方向的多轴加工方法限定刀具的倾角(刀具与被加工表面法线方向的夹角)范围为10°～80°，其主要原因在于：球头刀刀尖位置的回转半径为0，因此在实际加工时的切削速度为0，即刀尖在切削时一直处于挤压状态导致刀尖部分磨损较快；因此为了避免刀尖过度磨损而导致刀具损坏，在刀轴变化时限定刀轴方向范围大于10°，同时为了避免加工自由曲面时，刀具刀柄与工件发生干涉，限定刀轴方向小于80°。
本发明所提出的球头刀变刀轴方向的多轴加工方法主要实用与工件铣削的精加工和半精加工过程，其主要原因在于：在精加工和半精加工过程，切削深度一般较小，在同等切削条件下，刀具与工件之间的接触区域较小，可改变刀轴方向的范围较大，可以拥有更多的倾角设定，这对使用本发明提升刀具的使用寿命提供了更大的提升空间。
为了验证本发明专利所提出的球头刀变刀轴方向的多轴加工方法的有效性，设计相关实验进行验证。本次实验采用的工件材料是镍基高温合金GH4169,使用的刀具为未加涂层的硬质合金刀具，刀具的直径为10mm，实验中规定最大磨损量为0.2mm。对于不同的加工方式，在同样的刀轴方向的情况下，顺铣和逆铣所对应的刀具切削区域是不同的。为了简化本次实验分析，本实验选用顺铣方式，同时采用公式(5)计算刀具达到磨损极限的最大切削长度。
实验结果如表所示。
表1切削实验不同参数下刀具寿命
利用表中数据，可以得到公式(2)中刀具切削寿命常数，Ct＝2.4·106，p＝3.08，q＝0.55。针对给定的主轴转速和每齿进给量，可得每把切削刀具的最大切削轨迹值，实验过程通过公式(3)可预测刀具磨损量，确定刀轴变化点。
为了更清晰的表明实验结果，本次实验采取了对比实验。主轴转速为1910rpm，每齿进给量为0.08mm。刀具的直径为10mm，切削深度为0.3mm，加工同样的自由曲面，该曲面的刀具接触点轨迹总长为22180mm，所有的切削过程采用切削液进行冷却。首先，采用固定倾角进行加工，刀具与工件表面的倾角为50°，处刀具轨迹模式为z型刀轨。作为对比，变倾角加工方式采用20°，40°，60°三种倾角状态。
实验结果表明，固定倾角加工，加工2个曲面后，平均刀具磨损为124μm，最大的刀具磨损为143μm，而变倾角加工的加工方法，加工5个曲面后，刀具的平均磨损为140μm，最大的刀具磨损发生在靠近刀尖的位置，磨损量为223μm，刀具的大部分刀具磨损小于0.2mm。在发生相似的刀具磨损下，固定倾角加工只能加工2个曲面，而变倾角的加工方式可以完成5个曲面的加工。

Claims (1)

1.一种球头刀变刀轴方向控制刀具磨损的多轴加工方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、建立球头刀与工件接触区域和刀轴方向之间的关系，确定给定切削深度和刀轴方向下，球头刀参与切削的切削刃长度；
第二步、根据刀具磨损速率确定每一个刀具倾角对应的切削刃的寿命，计算每把刀所能加工曲面的最长轨迹；对于球头刀球头部分的刀刃，在相同的主轴转速下，切削刃不同区域的切削速度不同，即刀尖处切削速度为零，沿刀刃方向逐步增大，到圆柱刀刃处达到最大，切削速度Vg表达为：
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其中，n为主轴转速，r为刀具半径，g表示切削刃到刀尖的轴向距离；
针对特定的刀具和工件，刀具使用寿命Tt表示为：
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其中，V为切削速度，fz为每齿进给率，Ct,p和q为给定材料的刀具和工件的常数；
采用公式(3)计算刀具磨损率vVB；
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根据公式(3)计算出球头刀上不同切削刃位置的最大切削长度如公式(4)所示，其中，Z表示刀齿数量；
l＝nZfzTt (4)
得到球头刀所有部分都参加切削时的最大切削长度Lmax，如公式(5)所示：
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其中，mc表示刀轴总的变换次数；
第三步、通过第二步计算所得到的切削刃寿命，计算实际加工中刀轴方向变化点，并计算一把刀具加工曲面的数量；在实际加工时，根据第二步公式(3)计算每个刀轴方向对应的切削轨迹的长度，确定每个加工区域的刀轴方向，进而确定刀轴的变化点；根据待加工区域确定球头刀加工的刀具轨迹以及公式(5)计算球头刀所能切削的最长轨迹；在规划球头刀加工的刀具轨迹时，采用等残留高度或等参数线法规划切触点轨迹，并计算出切削轨迹的总长度由此，一把刀具可以加工的曲面数量的计算方法如公式(6)所示：
刀具与被加工表面法线方向的夹角为10°～80°。
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