CN107414601B - 内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法 - Google Patents
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Abstract
内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其技术要点包括以下步骤：一、确定车削大螺距内螺纹刀具磨损与加工表面粗糙度实验方案；二、确定刀具磨损与加工表面粗糙度测量方案；三、构建基于多把刀具的刀具磨损行为序列和基于多个试件的加工表面粗糙度行为序列；四、揭示刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的关联矩阵。本发明分别以试件加工表面粗糙度与刀具切削刃刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度的关联度作为刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的评价指标，识别刀具磨损特征参数对加工表面粗糙度的影响程度，识别对加工表面粗糙度影响较大的刀具磨损特征参数，为获得大螺距内螺纹高表面质量提出一种有效参考手段。
Description
技术领域：
本发明涉及刀具切削技术领域，具体涉及一种车削大螺距内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法。
背景技术：
大螺距内螺纹零件作为大型压力机、核电件等制造装备中起传递扭矩和精度作用的关键零部件，其左螺纹面和右螺纹面的加工表面粗糙度直接影响大螺距内螺纹零件的工作性能。大螺距螺纹轴向尺寸和径向尺寸均很大，其螺纹面展开长度远大于轴向长度，车削大螺距螺纹采用低速、大切深、高进给的工艺方案，导致刀具在切削过程中受到较大冲击，易造成刀具切削刃的变形和剧烈磨损，引起刀具切削刃结构的改变，引起螺纹面加工表面粗糙度的改变。因此，揭示车削大螺距内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度的影响特性，有利于提高大螺距内螺纹零件的工作性能。
刀具左切削刃和右切削刃的刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度是影响大螺距内螺纹左螺纹面和右螺纹面加工表面粗糙度的重要因素。已有的刀具磨损与加工表面粗糙度的检测方案，通过单切削刃车削单个试件加工表面实验，建立刀具磨损与加工表面粗糙度的关系，该方法无法揭示出刀具左切削刃和右切削刃磨损对大螺距内螺纹左螺纹面和右螺纹面加工表面粗糙度影响的差异性；同时，大螺距内螺纹批量加工中，通常采用多把刀具分别车削多个试件的螺纹面，采用该方法无法揭示大螺距内螺纹实际加工中的刀具磨损对加工表面粗糙度的影响特性。
发明内容：
本发明为克服上述问题，提出了一种车削大螺距内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其以大螺距内螺纹左螺纹面和右螺纹面达到高表面质量要求为目的，分别以试件加工表面粗糙度与刀具切削刃刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度的关联度作为刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的评价指标，可准确识别出刀具的磨损特征参数对加工表面粗糙度的影响程度，识别出对加工表面粗糙度影响较大的刀具磨损特征参数，为获得大螺距内螺纹较高的表面质量提出了一种有效参考手段。
本发明的车削大螺距内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：
一、确定车削大螺距内螺纹刀具磨损与加工表面粗糙度的实验方案，
(1)、选定多个具有相同材料和相同结构参数的大螺距内螺纹试件和实验机床；选定与大螺距内螺纹试件数量相等的刀具，且每把刀具均有左、右对称分布的两条切削刃，和连接左切削刃与右切削刃的顶刃；
(2)、在实验机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层车削方式，沿试件轴向多次重复切削大螺距内螺纹的左螺纹面和右螺纹面；
二、确定刀具磨损与螺纹面加工表面粗糙度的测量方案，
(1)、切削大螺距内螺纹试件完成后，在刀具的左切削刃和右切削刃上，选定与大螺距内螺纹试件左螺纹面和右螺纹面中径处相对应的点，检测该点处的刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度；
(2)、切削大螺距内螺纹试件完成后，沿试件轴向等间距检测大螺距内螺纹试件左螺纹面和右螺纹面中径位置处的加工表面粗糙度，并分别计算试件左螺纹面和右螺纹面的加工表面粗糙度的平均值；
三、构建基于多把刀具的刀具磨损行为序列和基于多个试件的加工表面粗糙度行为序列，
(1)、刀具磨损行为序列构建方式为：采用N把刀具分别加工相同数量的试件，分别构建刀具左切削刃和右切削刃的刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列；
(2)、加工表面粗糙度行为序列构建方式为：采用N把刀具分别加工相同数量的试件，提取N个试件的加工表面粗糙度，建立加工表面粗糙度行为序列；
四、揭示刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的关联矩阵，
(1)、采用区间值像的方式对刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列和试件加工表面粗糙度行为序列进行无量纲化处理；
(2)、将无量纲化处理后的刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列作为比较序列，将无量纲化处理后的试件加工表面粗糙度行为序列作为参考序列；
(3)、采用改进的灰色关联分析算法进行计算，建立试件加工表面粗糙度与刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度的关联矩阵；
(4)、评判刀具磨损对加工表面粗糙度的影响特性。
作为本发明的进一步改进，步骤二中(1)步的检测方式为：沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，以此为塑性变形、后刀面磨损宽度测量基准线，沿该基准线垂直方向，测量塑性变形和后刀面磨损宽度。
作为本发明的进一步改进，步骤一中(2)步在每次切削时保持刀具径向切深与试件内螺纹槽深一致，并保持试件转速和刀具进给速度不变。
作为本发明的进一步改进，步骤四中的(4)步是对试件左螺纹面与刀具左切削刃和试件右螺纹面与刀具右切削刃的关联度进行排序分析。
作为本发明的进一步改进，步骤一中的(1)步分别采用四把刀具在干切削条件下切削球墨铸铁试件，四次车削实验的试件均为右旋梯形内螺纹，头数为1，螺纹长度为80mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙型半角为15°，螺纹槽宽为8mm；所用刀具为用于车削螺距16mm梯形内螺纹的可换刀头式刀具，刀具材料为高速钢W18Cr4V。
作为本发明的进一步改进，四次车削实验的左、右分层车削的进给量均为0.05mm、试件转速为16rpm、刀具进给速度为0.256m/min、刀具径向切深8mm。
本发明的有益效果是：本发明的检测方法采用多把刀具分别加工多个试件，提取多把刀具左切削刃和右切削刃的刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度作为比较序列，提取多个试件左螺纹面和右螺纹面的加工表面粗糙度作为参考序列，根据区间值像的方法对刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列和试件加工表面粗糙度行为序列进行无量纲化处理，采用改进的灰色关联分析算法进行计算，建立试件加工表面粗糙度与刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度的关联矩阵。
该方法对试件左螺纹面与刀具左切削刃和试件右螺纹面与刀具右切削刃的关联度正负相关性进行筛选，关联度大于0的集合代表试件螺纹面与刀具切削刃呈正相关性，关联度小于0的集合代表试件螺纹面与刀具切削刃呈负相关性，对关联度绝对值进行排序，关联度绝对值小于0.6的忽略不计，关联度绝对值大于0.6的按正负相关性进行排序，关联度绝对值从大到小的排序就是关联性由强到弱的顺序，得出刀具磨损对试件加工表面粗糙度的影响特性。
附图说明：
图1为刀具左切削刃和右切削刃磨损特征参数测量方案的示意图；
图2为试件加工表面粗糙度的测量方案的示意图。
具体实施方式：
一、确定车削大螺距内螺纹刀具磨损与加工表面粗糙度的实验方案；
(1)、选定多个具有相同材料和相同结构参数的大螺距内螺纹试件和实验机床；选定与大螺距内螺纹试件数量相等的刀具，每把刀具均有左、右对称分布的两条切削刃，和连接左切削刃与右切削刃的顶刃；
分别采用四把刀具在干切削条件下，切削球墨铸铁试件，四次车削实验的试件均为右旋梯形内螺纹，头数为1，螺纹长度为80mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙型半角为15°。实验结束后，螺纹槽宽为8mm。选取CAX6140机床。
磨制出一把用于车削螺距16mm梯形内螺纹的可换刀头式刀具，刀具材料为高速钢W18Cr4V，该刀具的结构特点为带有左、右两条对称的切削刃，中间由一条顶刃相连接。
(2)、在实验机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层车削方式，沿试件轴向多次重复切削大螺距内螺纹的左螺纹面和右螺纹面；每次切削时保持刀具径向切深与试件内螺纹槽深一致，并保持试件转速、刀具进给速度不变。
实验采用左切削刃和右切削刃轴向分层切削方式，四次实验的左、右分层车削的进给量均为0.05mm、试件转速为16rpm、刀具进给速度为0.256m/min、刀具径向切深8mm，每次实验所用的刀具整体结构尺寸如表1所示，每把刀具左切削刃和右切削刃结构参数如表2所示，刀具左切削刃和右切削刃累计扩宽次数及其对应的切削行程如表3所示。
表1四把刀具整体结构尺寸
表2四把刀具左切削刃和右切削刃结构参数
表3左切削刃和右切削刃累计切削次数与切削行程
二、确定刀具磨损与螺纹面加工表面粗糙度测量方案；
(1)、切削大螺距内螺纹试件完成后，在刀具的左切削刃和右切削刃上，选定与大螺距内螺纹试件左螺纹面和右螺纹面中径处相对应的点，检测该点处的刀具刃口半径、塑性变形宽度及后刀面磨损宽度，测量方案如图1所示。
根据图1，可得图1中的参数及参数含义如表4所示：
表4图1中的参数含义表
具体测量方法为：沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，以此为塑性变形、后刀面磨损宽度测量基准线，沿该基准线垂直方向，测量塑性变形和后刀面磨损宽度。
根据刀具左切削刃和右切削刃磨损特征参数检测方法，取N＝4，得到刀具左切削刃和右切削刃的刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度的数据，如表5所示。
表5四把刀具左切削刃和右切削刃的刀具磨损参数
(2)、切削大螺距内螺纹试件完成后，沿试件轴向等间距检测大螺距内螺纹试件左螺纹面和右螺纹面中径位置处的加工表面粗糙度，并分别计算试件左螺纹面和右螺纹面的加工表面粗糙度的平均值；其中，左螺纹面和右螺纹面加工表面粗糙度的测量方案如图2所示。
根据图2，可得图2中的参数及参数含义如表6所示：
表6图2中的参数含义表
图2中，螺距为：
zm-z1＝mp (1)
zm'-z1'＝mp (2)
左螺纹面和右螺纹面的加工表面粗糙度平均值为：
表7式(3)和式(4)中的参数含义表
本发明中N＝4，m＝8，试件左螺纹面和右螺纹面加工表面粗糙度的数据，如表8所示。
表8四个试件左螺纹面和右螺纹面加工表面粗糙度的平均值
三、构建基于多把刀具的刀具磨损行为序列和基于多个试件的加工表面粗糙度行为序列；
(1)、刀具磨损行为序列构建方法
采用N把刀具分别加工相同数量的试件，分别构建刀具左切削刃和右切削刃的刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列。
其中，刀具左切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列和右切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列分别为：
B1l＝(b1l(1),b1l(2),…b1l(N)) (5)
B2l＝(b2l(1),b2l(2),…b2l(N)) (6)
B3l＝(b3l(1),b3l(2),…b3l(N)) (7)
B1r＝(b1r(1),b1r(2),…b1r(N)) (8)
B2r＝(b2r(1),b2r(2),…b2r(N)) (9)
B3r＝(b3r(1),b3r(2),…b3r(N)) (10)
表9刀具左切削刃和右切削刃行为序列中参数含义
本发明N＝4，根据刀具磨损行为序列构建方法，刀具左切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列和右切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列分别为：
B1l＝(b1l(1),b1l(2),…b1l(4))＝(65.41,54.93,37.41,38.32) (11)
B2l＝(b2l(1),b2l(2),…b2l(4))＝(18.12,33.47,34.92,14.36) (12)
B3l＝(b3l(1),b3l(2),…b3l(4))＝(112.42,88.15,70.69,52.60) (13)
B1r＝(b1r(1),b1r(2),…b1r(4))＝(48.75,43.84,30.09,36.42) (14)
B2r＝(b2r(1),b2r(2),…b2r(4))＝(50.05,20.04,21.46,9.51) (15)
B3r＝(b3r(1),b3r(2),…b3r(4))＝(157.20,101.18,86.43,48.19) (16)
(2)、加工表面粗糙度行为序列构建方法
采用N把刀具分别加工相同数量的试件，提取N个试件的加工表面粗糙度，建立加工表面粗糙度行为序列，其中，左螺纹面的加工表面粗糙度行为序列和右螺纹面的加工表面粗糙度行为序列分别为：
表10左螺纹面和右螺纹面加工表面粗糙度行为序列中参数含义
本发明N＝4，根据加工表面粗糙度行为序列构建方法，其中，试件左螺纹面的加工表面粗糙度行为序列和右螺纹面的加工表面粗糙度行为序列分别为：
四、揭示刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的关联矩阵。
(1)、采用区间值像的方法对刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列和试件加工表面粗糙度行为序列进行无量纲化处理；
(2)、本发明研究的是刀具磨损对试件加工表面粗糙度的影响，故把无量纲化处理后的刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列作为比较序列，把无量纲化处理后的试件加工表面粗糙度行为序列作为参考序列；
以序列B1l(N)为例，区间值像方法的公式如下所示。
式中：b1l'(N)为在无量纲化处理后的刀具磨损测量时，刀具左切削刃上测得的刀具刃口半径。
根据步骤四提供的无量纲化处理方法对刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度和试件加工表面粗糙度进行处理得到数据，如表11、12所示。
表11刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度的区间值像
表12试件加工表面粗糙度的区间值像
(3)、采用改进的灰色关联分析算法进行计算来建立试件加工表面粗糙度与刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度的关联矩阵；
改进的灰色关联分析算法不仅能反映序列曲线之间变化趋势的接近程度，还能通过各段斜率比值的算术平均值的符号来反应曲线之间的正、负相关性；若各段的斜率比值越集中在1附近，则关联性越强；反之，则关联性越差。因此，采用改进的关联分析算法对车削大螺距内螺纹刀具磨损与加工表面粗糙度进行关联分析。
以参考序列Ral和比较序列B1l为例。
B1l＝(b1l(1),b1l(2),…b1l(N)) (23)
参考序列与比较序列在区间[k-1，k](k＝2,3,…,N,)上的斜率，构成序列和K1l。
k1l(N-1)＝B1l(N)-B1l(N-1) (25)
K1l＝{k1l(1),k1l(2),...,k1l(N-1),...,k1l(N)} (27)
计算序列和K1l在区间[k-1，k](k＝2,3,…,N)上的斜率比值，形成序列
计算序列的变异系数δ(Ral)：
式中：
计算的广义变异系数ξ(Ral/B1l)：
式中：
计算序列Ral和B1l的灰色关联度γ(Ral,B1l)：
为参考序列在区间[N-1，N]上的斜率、K1l(N-1)为比较序列在区间[N-1，N]上的斜率。为序列的平均值、为序列的平均值。
根据步骤四中提供的灰色关联分析方法得到试件左螺纹面加工表面粗糙度与刀具左切削刃刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度关联矩阵如式(36)所示。
γl＝[γ(Ral,B1l) γ(Ral,B2l) γ(Ral,B3l)]＝[0.792,0.803,0.916] (36)
试件右螺纹面加工表面粗糙度与刀具右切削刃刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度关联矩阵如式(37)所示。
γr＝[γ(Rar,B1r) γ(Rar,B2r) γ(Rar,B3r)]＝[0.767,0.798,0.924] (37)
表13刀具左切削刃与试件左螺纹面和刀具右切削刃与试件右螺纹面关联矩阵中参数含义
(4)、评判刀具磨损对加工表面粗糙度的影响特性
根据步骤四中得出的数据对试件左螺纹面与刀具左切削刃和试件右螺纹面与刀具右切削刃的关联度进行排序分析。
其中，对试件左螺纹面和刀具左切削刃关联度进行比较有：
γ(Ral,B3l)＞γ(Ral,B2l)＞γ(Ral,B1l)＞0.6 (38)
对试件右螺纹面关联度和刀具右切削刃进行比较有：
γ(Ral,B3l)＞γ(Ral,B2l)＞γ(Ral,B1l)＞0.6 (39)
由式(38)和(39)可知，对试件左螺纹面和刀具左切削刃的关联度进行比较可知，刀具后刀面磨损宽度与试件加工表面粗糙度的关联性最强，塑性变形宽度与试件加工表面粗糙度的关联性次之，刃口半径与试件加工表面粗糙度的关联性最差，刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度与试件加工表面粗糙度的关联度均大于0.6，所以，刀具左切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度对加工表面粗糙度均有影响且呈正相关；对试件右螺纹面和刀具右切削刃的关联度比较可知，刀具后刀面磨损宽度与试件加工表面粗糙度的关联性最强，塑性变形宽度与试件加工表面粗糙度的关联性次之，刃口半径与试件加工表面粗糙度的关联性最差，刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度与试件加工表面粗糙度的关联度均大于0.6，所以，刀具右切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度对加工表面粗糙度均有影响且呈正相关。
Claims (6)
1.内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
一、确定车削大螺距内螺纹刀具磨损与加工表面粗糙度的实验方案，
(1)、选定多个具有相同材料和相同结构参数的大螺距内螺纹试件和实验机床；选定与大螺距内螺纹试件数量相等的刀具，且每把刀具均有左、右对称分布的两条切削刃，和连接左切削刃与右切削刃的顶刃；
(2)、在实验机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层车削方式，沿试件轴向多次重复切削大螺距内螺纹的左螺纹面和右螺纹面；
二、确定刀具磨损与螺纹面加工表面粗糙度的测量方案，
(1)、切削大螺距内螺纹试件完成后，在刀具的左切削刃和右切削刃上，选定与大螺距内螺纹试件左螺纹面和右螺纹面中径处相对应的点，检测该点处的刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度；
(2)、切削大螺距内螺纹试件完成后，沿试件轴向等间距检测大螺距内螺纹试件左螺纹面和右螺纹面中径位置处的加工表面粗糙度，并分别计算试件左螺纹面和右螺纹面的加工表面粗糙度的平均值；
三、构建基于多把刀具的刀具磨损行为序列和基于多个试件的加工表面粗糙度行为序列，
(1)、刀具磨损行为序列构建方式为：采用N把刀具分别加工相同数量的试件，分别构建刀具左切削刃和右切削刃的刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度行为序列；
(2)、加工表面粗糙度行为序列构建方式为：采用N把刀具分别加工相同数量的试件，提取N个试件的加工表面粗糙度，建立加工表面粗糙度行为序列；
四、揭示刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的关联矩阵，
(1)、采用区间值像的方式对刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列和试件加工表面粗糙度行为序列进行无量纲化处理；
(2)、将无量纲化处理后的刀具刃口半径、塑性变形宽度、后刀面磨损宽度行为序列作为比较序列，将无量纲化处理后的试件加工表面粗糙度行为序列作为参考序列；
(3)、采用改进的灰色关联分析算法进行计算，建立试件加工表面粗糙度与刀具刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度的关联矩阵；
(4)、评判刀具磨损对加工表面粗糙度的影响特性。
2.如权利要求1所述的内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤二中(1)步的检测方式为：沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，以此为塑性变形、后刀面磨损宽度测量基准线，沿该基准线垂直方向，测量塑性变形和后刀面磨损宽度。
3.如权利要求1所述的内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤一中(2)步在每次切削时保持刀具径向切深与试件内螺纹槽深一致，并保持试件转速和刀具进给速度不变。
4.如权利要求1所述的内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤四中(4)步是对试件左螺纹面与刀具左切削刃和试件右螺纹面与刀具右切削刃的关联度进行排序分析。
5.如权利要求1-4的任意一项所述的内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤一中(1)步分别采用四把刀具在干切削条件下切削球墨铸铁试件，四次车削实验的试件均为右旋梯形内螺纹，头数为1，螺纹长度为80mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙型半角为15°，螺纹槽宽为8mm；所用刀具为用于车削螺距16mm梯形内螺纹的可换刀头式刀具，刀具材料为高速钢W18Cr4V。
6.如权利要求5所述的内螺纹刀具磨损对加工表面粗糙度影响特性的检测方法，其特征在于：四次车削实验的左、右分层车削的进给量均为0.05mm、试件转速为16rpm、刀具进给速度为0.256m/min、刀具径向切深8mm。
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