CN107553218A - 一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其技术要点：选取试件、实验机床和刀具；在机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层切削方式，沿试件轴向多次重复切削左螺纹面和右螺纹面；测量左切削刃和右切削刃的刀具整体振动加速度信号；停机检测左切削刃和右切削刃的后刀面磨损宽度数据；重复切削、检测，获取多个等切削行程的后刀面磨损宽度数据；构建刀具振动行为序列和基于切削刃上多个测量点的刀具后刀面磨损宽度的行为序列；揭示刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的关联矩阵。本发明全面揭示刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性及左、右切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响差异性。

Description

一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响 特性的检测方法

技术领域：

本发明属于刀具切削加工领域，具体涉及一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法。

背景技术：

大螺距内螺纹车削加工具有低速、高进给、大切深特点。在车削大螺距螺纹过程中，受内螺纹结构的约束，刀杆细且长，承受切削力能力差，易发生振动。刀具振动引起左切削刃和右切削刃切削姿态发生改变，使得刀具与工件接触关系处于不断变化之中。由于刀具左切削刃后刀面和右切削刃后刀面直接与螺纹面已加工表面相接触，刀具振动会对左切削刃后刀面和右切削刃后刀面磨损产生影响，影响螺纹表面质量和刀具使用寿命。因此研究在车削大螺距内螺纹过程中，刀具振动对刀具后刀面磨损宽度的影响十分有意义。

已有的刀具振动与后刀面磨损的测试方法，是利用刀具振动时域信号中的振幅和切削刃指定位置处后刀面磨损宽度之间的对应关系，来揭示刀具振动对后刀面磨损的影响特性的，该测试方法适用于小切削深度和小进给量条件下，车削内孔的单切削刃刀具振动和后刀面磨损宽度的测试。而车削大螺距内螺纹时，刀具带有左切削刃和右切削刃两个切削刃，分别以轴向分层切削方式沿轴向重复多次切削左螺纹面和右螺纹面，其径向切深与内螺纹槽深相等，参与切削的切削刃长度是内孔车削的数十倍，切削刃不同位置处的后刀面磨损宽度存在较大差异性，已有的刀具振动和后刀面磨损宽度的测试方法无法揭示出车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度的影响特性。

发明内容：

本发明为克服上述技术问题，提供了一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其提出车削大螺距内螺纹刀具振动与刀具后刀面磨损宽度的实验方案与测量方案；构建车削左螺纹面与右螺纹面的刀具振动行为序列和基于切削刃上多个测量点的刀具后刀面磨损宽度行为序列；采用改进灰色关联分析方法，构建刀具振动特征参数与刀具左切削刃后刀面磨损宽度和刀具右切削刃后刀面磨损宽度的关联矩阵，揭示出刀具振动特征对切削刃不同位置处刀具后刀面磨损宽度的影响特性，对比左切削刃和右切削刃上对应的各测量点处的关联度，揭示出左切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度的影响与右切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响的差异性。

本发明的车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽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、选取大螺距内螺纹试件和实验机床；选定与大螺距内螺纹试件结构参数相匹配的刀具，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；

二、在实验机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层切削方式，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；

三、测量刀具的左切削刃和右切削刃在切削时的刀具整体振动的加速度信号；

四、停机检测刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度数据；检测完成后按步骤二的切削方式重复切削、再次停机检测刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度，获取多个等切削行程的刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度数据；

五、构建车削试件左螺纹面与右螺纹面时的刀具振动行为序列和基于切削刃上多个测量点的刀具后刀面磨损宽度的行为序列；

六、揭示刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的关联矩阵。

作为本发明的进一步改进，步骤二中，通过100次轴向分层切削完成车削大螺距螺纹刀具磨损实验，左螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm，右螺面纹总的轴向去除余量为2.5mm，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。

作为本发明的进一步改进，步骤三中，在每次检测刀具后刀面磨损宽度前，利用安装在刀具上的振动加速度传感器，提取每次停机检测前左切削刃和右切削刃最后一次切削的刀具沿试件坐标系在径向切深、切削速度、轴向进给三个方向的振动加速时域信号中的有效值和峭度。

作为本发明的进一步改进，步骤四中，刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度数据获取方法为：以切削刃刀尖为原点，在切削刃参与切削的长度范围内等间距选取多个测量点，检测该点处的后刀面磨损宽度。

作为本发明的进一步改进，步骤四中，刀具左切削刃和右切削刃上测量点处的后刀面磨损宽度测量方法为：沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，以此为基准，沿该直线垂直方向，测量后刀面磨损宽度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤五包括以下步骤：

一、构建刀具振动特征参数行为序列

根据刀具振动特征参数数据，构建左切削刃和右切削刃切削过程中刀具振动特征参数随切削行程变化的行为序列；

二、构建刀具后刀面磨损宽度行为序列

根据提取出的刀具后刀面磨损宽度数据，构建刀具左切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化的行为序列和刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化的行为序列。

作为本发明的进一步改进，所述步骤六包括以下步骤：

一、采用区间值像的方法对刀具振动特征参数行为序列和刀具后刀面磨损宽度行为序列进行无量纲化处理；

二、将无量纲化处理后的刀具振动特征参数行为序列作为比较序列，将无量纲化处理后的刀具后刀面磨损宽度行为序列作为参考序列；采用改进的灰色关联分析算法进行计算，建立刀具后刀面磨损宽度与刀具振动特征参数的关联矩阵；

三、评判刀具振动对刀具左切削刃后刀面磨损宽度和刀具右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性，分别对左切削刃和右切削刃的关联度进行正相关性和负相关性筛选，正相关的关联度按值的大小进行排序，负相关的关联度按绝对值大小进行排序，得出刀具振动对刀具左切削刃后刀面磨损宽度和刀具右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性和显著程度。

作为本发明的进一步改进，步骤六中的步骤三中，当左切削刃上选取第m个点作为磨损测量点时，对应的在右切削刃上选取第m个点作为磨损测量点，比较刀具左切削刃和刀具右切削刃对应磨损测量点处的正关联度和负关联度的排序。

作为本发明的进一步改进，步骤四中切削行程的计算方式为：

以大螺距螺纹的中径为基准将螺纹面展开，整个螺纹面长度为每次轴向分层切削的切削行程，即单次切削行程，记为Y₀：

式中，t为螺纹轴向长度，

刀具左切削刃和右切削刃切削时的累积切削行程为：

Y_s＝Y₀×N×S (2)

式中，S为磨损和振动的测量次数，S＝1,2,3,...,S_T；N为切削刃每次停机检测刀具后刀面磨损宽度时的切削次数，N＝1,2,3,...,N_T；Y_S为第S次磨损测量时切削刃的累积切削行程。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法。为揭示刀具振动加速度信号在径向切深方向、切削速度方向、轴向进给方向的有效值和峭度，在不同切削行程下对沿切削刃不同位置处刀具后刀面磨损宽度的影响，提出了刀具振动与刀具后刀面磨损宽度的实验方案和测量方案。构建左螺纹面与右螺纹面的刀具振动行为序列和基于切削刃上多个测量点的刀具后刀面磨损宽度行为序列，揭示刀具振动特征参数与刀具后刀面磨损宽度随切削行程的变化特性。采用改进灰色关联分析方法，构建刀具振动特征参数与刀具左切削刃后刀面磨损宽度和刀具右切削刃后刀面磨损宽度的关联矩阵，揭示出刀具振动特征参数对切削刃不同位置处刀具后刀面磨损宽度的影响特性。对比左切削刃和右切削刃上对应的各测量点处的关联度，揭示出左切削刃切削时刀具振动特征参数对刀具后刀面磨损宽度的影响与右切削刃切削时刀具振动特征参数对刀具后刀面磨损宽度影响的差异性。

本发明选取代表能量的有效值和代表冲击的峭度，代替已有的振幅作为刀具振动特征参数，同时选取切削刃上多个位置作为磨损测量点，构建刀具振动加速度信号中有效值和峭度与左切削刃和右切削刃上各个磨损测量点处的后刀面磨损宽度的关联矩阵，能更加全面地揭示刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响的特性以及左切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度的影响与右切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响的差异性，为延长刀具使用寿命提供方法。

附图说明：

图1为轴向分层切削方式的示意图；

图2为刀具振动测试方案的示意图，图中x为刀具径向切深方向、y为切削速度的方向、z为轴向进给方向；

图3为图2的侧视图，图中v_c为切削速度；

图4为振动加速度传感器的安装位置示意图；

图5为x方向的振动加速度信号时域波形图；

图6为y方向的振动加速度信号时域波形图；

图7为z方向的振动加速度信号时域波形图。

图8为切削刃上磨损测量点的选取示意图；

图9为后刀面磨损宽度测量示意图。

具体实施方式：

本发明的车削大螺距内螺纹刀具振动与刀具后刀面磨损宽度的实验方案为：

一、选取螺距大于4mm的大螺距内螺纹试件，本实施例中大螺距螺纹车削实验所用试件材料为球墨铸铁，结构为右旋梯形内螺纹，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，螺纹牙型角为30°，螺旋升角为2°5'，螺纹槽宽为6.5mm；实验结束后，螺纹槽宽为11.5mm。选取CAX6140机床作为实验机床。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。

二、利用CAX6140机床采用轴向分层切削方式切削右旋梯形内螺纹，在CAX6140机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层切削方式，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，具体切削方案为：通过100次轴向分层切削完成车削大螺距螺纹刀具磨损实验；左螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm，右螺面纹总的轴向去除余量为2.5mm。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。

表1轴向分层切削方式中参数含义

图1中，径向切深、左切削刃和右切削刃的轴向加工余量及其刀具进给速度分别为：

a_p＝H (1)

Z_li＝Z_2j (2)

v_f1＝v_f2＝v_f (3)

式中：v_f为刀具进给速度。

三、刀具的左切削刃和右切削刃以相同的重复切削次数，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后，停机检测刀具后刀面磨损宽度；检测完成后按上述方法重复切削、检测，获取多个等切削行程的刀具左切削刃和右切削刃的后刀面磨损宽度数据。其中切削行程的计算公式如下：

以大螺距螺纹的中径为基准将螺纹面展开，整个螺纹面长度为每次轴向分层切削的切削行程(单次切削行程)，记为Y₀：

式中，t为螺纹轴向长度，d为大螺距螺纹中径，P为螺距。

Y_s＝Y₀×S×N (5)

式中，S为磨损和振动的测量次数，S＝1,2,3.......,S_T；N为切削刃每次停机时的切削次数，N＝1,2,3.........,N_T。Y_S为第S次磨损测量时切削刃的切削行程。

经计算，整个螺纹面长2.201m，即单次切削行程Y₀为2.201m。实验分别在左切削刃和右切削刃的行程为11.005m、22.010m、33.015m、44.020m、55.025m、66.030m、77.035m、88.040m、99.045m和110.05m时停刀，整个实验共计测量10次磨损，如表2所示。

表2切削方案

本发明的刀具振动与刀具后刀面磨损宽度的测量方案为：

一、刀具振动测量方案

刀具振动加速度信号测量的是左切削刃和右切削刃切削时刀具整体的振动，每次检测刀具后刀面磨损宽度前，利用安装在刀具上的振动加速度传感器，提取每次停机检测前左切削刃和右切削刃最后一次切削的刀具沿试件坐标系在径向切深、切削速度、轴向进给三个方向的振动加速时域信号中的有效值和峭度。即提取切削为8.804m～11.005m、19.809m～22.01m、30.814m～33.015m、41.819m～44.02m、52.824m～55.025m、63.829m～66.03m、74.834m～77.035m、85.839m～88.04m、96.844m～99.045m、107.849m～110.05m的振动加速度信号的时域波形。刀具振动测试方案如图2至图4所示。

采用DH5922瞬态信号测试分析系统对所采集的振动加速度信号进行数据提取与分析。振动加速度信号的时域波形如下图5至图7所示：

实验共计测量10次振动，提取每一次测量磨损前，最后一次轴向分层切削的振动加速度信号在径向切深、切削速度、轴向进给三个方向的有效值和峭度如表3～表6所示。

表3切削行程为11.005～55.025m时左切削刃切削时刀具振动特征参数检测结果

表4切削行程为66.030～110.05m时左切削刃切削时刀具振动特征参数检测结果

表5切削行程为11.005～55.025m时右切削刃切削时刀具振动特征参数检测结果

表6切削行程为66.030～110.05m时右切削刃切削时刀具振动特征参数检测结果

二、刀具后刀面磨损宽度测量方案

刀具左切削刃和右切削刃的后刀面磨损宽度数据获取方法为：以切削刃刀尖为原点，在切削刃参与切削的长度范围内等间距选取多个测量点，具体如图8所示，检测该点处的后刀面磨损宽度，表7为切削刃上磨损测量点的选取中的参数含义。

表7切削刃上磨损测量点的选取中的参数含义

图8中，左切削刃和右切削刃上相邻两个测量点间距为：

ΔL₁＝L₁/(T₁+1) (6)

ΔL₂＝L₂/(T₂+1) (7)

刀具左切削刃上第m个测量点与刀具左切削刃刀尖点O₁距离L_m1为：

刀具右切削刃上第m个测量点与刀具右切削刃刀尖点O₂距离L_m2为：

其中L₁＝L₂＝L＝8.0mm，T₁＝T₂＝9，ΔL₁＝ΔL₂＝0.8mm；刀具磨损测量点分别为距刀尖距离0.8mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm、4.0mm、4.8mm、5.6mm、6.4mm、7.2mm处。

刀具左切削刃和右切削刃上测量点处的后刀面磨损宽度测量方法如图9所示。

具体测量方法为：沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，以此为测量基准线，沿该基准线垂直方向，测量后刀面磨损宽度。

采用图9所示测量方法获得刀具后刀面磨损宽度，结果如表8～11所示。

表8切削行程为11.005～55.025m时刀具左切削刃后刀面磨损宽度数据(单位：μm)

表9切削行程为66.030～110.05m时刀具左切削刃后刀面磨损宽度数据(单位：μm)

表10切削行程为11.005～55.025m时刀具右切削刃后刀面磨损宽度数据表(单位：μm)

表11切削行程为66.030～110.05m时刀具右切削刃后刀面磨损宽度数据表(单位：μm)

本发明的车削左螺纹面与右螺纹面的刀具振动行为序列和基于切削刃上多个测量点的刀具后刀面磨损宽度行为序列为：

一、构建刀具振动特征参数行为序列

根据提取出的刀具振动特参数数据，构建左切削刃切削过程中刀具振动特征参数随切削行程变化的行为序列和右切削刃切削过程中刀具振动特征参数随切削行程变化的行为序列。

左切削刃刀具振动特征参数行为序列如下所示：

U_1x＝{u_1x(1),u_1x(2),...,u_1x(S),...,u_1x(S_T)} (10)

U_1y＝{u_1y(1),u_1y(2),...,u_1y(S),...,u_1y(S_T)} (11)

U_1z＝{u_1z(1),u_1z(2),...,u_1z(S),...,u_1z(S_T)} (12)

W_1x＝{w_1x(1),w_1x(2),...,w_1x(S),...,w_1x(S_T)} (13)

W_1y＝{w_1y(1),w_1y(2),...,w_1y(S),...,w_1y(S_T)} (14)

W_1z＝{w_1z(1),w_1z(2),...,w_1z(S),...,w_1z(S_T)} (15)

右切削刃刀具振动特征参数行为序列如下所示：

U_2x＝{u_2x(1),u_2x(2),...,u_2x(S),...,u_2x(S_T)} (16)

U_2y＝{u_2y(1),u_2y(2),...,u_2y(S),...,u_2y(S_T)} (17)

U_2z＝{u_2z(1),u_2z(2),...,u_2z(S),...,u_2z(S_T)} (18)

W_2x＝{w_2x(1),w_2x(2),...,w_2x(S),...,w_2x(S_T)} (19)

W_2y＝{w_2y(1),w_2y(2),...,w_2y(S),...,w_2y(S_T)} (20)

W_2z＝{w_2z(1),w_2z(2),...,w_2z(S),...,w_2z(S_T)} (21)

表12刀具左切削刃和右切削刃行为序列参数含义

二、构建刀具后刀面磨损宽度行为序列

根据提取的刀具后刀面磨损宽度数据，构建刀具左切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化的行为序列和刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化的行为序列。

刀具左切削刃后刀面磨损宽度行为序列如下式：

式中，为刀具左后刀面磨损宽度的行为序列；为第S次刀具磨损测量时，在左切削刃上m点处测得的刀具后刀面磨损宽度的数值。

式中，为刀具右切削刃后刀面磨损宽度的行为序列；为第S次刀具磨损测量时，在右切削刃上m点处测得的刀具后刀面磨损宽度的数值。

本发明的用于揭示刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的关联矩阵为：

一、特征参数无量纲化处理的方法

对特征参数进行无量纲化处理，由于实验获得的振动特征参数与刀具后刀面磨损宽度的量纲和数量级不一致，为保证关联度分析结果的可靠性，需要在不改变各特征参数变化趋势的前提下进行无量纲化处理，具体处理方法为：

采用区间值像的方法对刀具振动特征参数行为序列和刀具后刀面磨损宽度行为序列进行无量纲化处理，以序列为例，区间值像方法的公式如下所示。

式中，为无量纲化处理后的第S次刀具磨损测量时，在左切削刃上m点处测得的刀具后刀面磨损宽度的数值。

刀具振动行为序列和刀具后刀面磨损宽度行为序列无量纲化处理结果如表13～20所示。

表13切削行程为11.005～55.025m时左切削刃切削时刀具振动特征参数的区间值像

表14切削行程为66.030～110.05m时左切削刃切削时刀具振动特征参数的区间值像

表15切削行程为11.005～55.025m时右切削刃切削时刀具振动特征参数的区间值像

表16切削行程为66.030～110.05m时右切削刃切削时刀具振动特征参数的区间值像

表17切削行程为11.005～55.025m时刀具左切削刃后刀面磨损宽度的区间值像

表18切削行程为66.030～110.05m时刀具左切削刃后刀面磨损宽度的区间值像

表19切削行程为11.005～55.025m时刀具右切削刃后刀面磨损宽度的区间值像

表20切削行程为66.030～110.05m时刀具右切削刃后刀面磨损宽度的区间值像

二、关联矩阵的构建

将无量纲化处理后的刀具振动特征参数行为序列作为比较序列，将无量纲化处理后的刀具后刀面磨损宽度行为序列作为参考序列。采用改进的灰色关联分析算法进行计算，建立刀具振动特征参数与刀具后刀面磨损宽度的关联矩阵。

改进的灰色关联分析算法

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进行车削大螺距内螺纹刀具振动与刀具后刀面磨损宽度的灰色关联分析。

以参考序列和比较序列U_1x为例，

U_1x＝{u_1x(1),u_1x(2),...,u_1x(S),...,u_1x(S_T)} (26)

参考序列与比较序列在区间[k-1，k](k＝2,3,…,S,…,S_T)上的斜率，构成序列和

k_1x(S-1)＝u_1x(S)-u_1x(S-1) (28)

K_1x＝{k_1x(1),k_1x(2),...,k_1x(S-1),...,k_1x(S_T-1)} (30)

计算序列和K_1x在区间[k-1，k](k＝2,3,…,S,…,S_T)上的斜率比值，形成序列

计算序列的变异系数

式中：

计算的广义变异系数

式中：

计算序列和U_1x的灰色关联度

为参考序列在区间[S-1,S]的斜率、k_1x(S-1)为比较序列在区间[S-1，S]的斜率。为序列K_m的平均值、为序列的平均值。

三、评判刀具振动特征参数对刀具左切削刃后刀面磨损宽度的影响特性

为探究各振动特征参数对刀具左切削刃后刀面不同位置处磨损宽度的影响机制，采用上述改进的灰色关联分析方法，构建关联矩阵如式(39)，对刀具左切削刃后刀面不同位置处磨损宽度与振动参数进行关联分析。

表21刀具左切削刃关联矩阵中参数含义

由式(39)可得刀具左切削刃后刀面沿切削刃不同位置处磨损宽度与振动特征参数之间的关联度排序，如表22所示。

表22刀具左切削刃后刀面磨损宽度与振动特征参数关联度比较

正相关的关联度按值的大小进行排序，负相关的关联度按绝对值大小进行排序，获得左切削刃后刀面磨损宽度与振动特征参数灰色关联排序，如表23～24所示。

表23刀具左切削刃后刀面磨损宽度与刀具振动特征参数正相关关联度按值的大小排序

表24刀具左切削刃后刀面磨损宽度与刀具振动特征参数负相关关联度按绝对值大小排序

由表22～24可知，刀具振动加速度信号在径向切深方向的峭度与刀具左切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势的一致性最高，在径向切深、切削速度和轴向进给三个方向的有效值和轴向进给方向的峭度次之。径向切深和轴向进给方向的有效值对刀具左切削刃后刀面磨损宽度的影响程度基本一致，径向切深和轴向进给方向的有效值增加会增大刀具左切削刃后刀面磨损宽度。切削速度方向的峭度在切削刃大部分位置处与刀具左切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势相反，切削速度方向的峭度增加会降低相应部位的刀具左切削刃后刀面磨损宽度，仅在个别位置处会增大刀具左切削刃后刀面磨损宽度。而轴向进给方向的峭度则在切削刃大部分位置处与刀具左切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势相同，轴向进给方向的峭度增加会增大相应部位的刀具左切削刃后刀面磨损宽度，仅在个别位置处会降低刀具左切削刃后刀面磨损宽度。切削速度和轴向进给方向的峭度是造成刀具左切削刃后刀面磨损宽度沿切削刃方向不均匀的原因之一。因此，降低径向切深、切削速度和轴向进给三个方向的有效值和径向切深方向的峭度，可以降低刀具左切削刃后刀面磨损宽度。降低切削速度和轴向进给方向的峭度可以提高刀具左切削刃后刀面磨损宽度沿切削刃方向的一致性。

四、评判刀具振动特征参数对刀具右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性

为探究各振动特征参数对刀具右切削刃后刀面不同位置处磨损宽度的影响机制，采用与刀具左切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相同的方法，构建关联矩阵如式(40)，对刀具右切削刃后刀面切削刃不同位置处磨损宽度与振动参数进行关联分析。

表25刀具右切削刃关联矩阵中参数含义

由式(40)可得刀具右切削刃后刀面沿切削刃不同位置处磨损宽度与各振动特征参数之间的关联度排序，如表26所示。

表26刀具右切削刃后刀面磨损宽度与振动特征参数关联度比较

正相关的关联度按值的大小进行排序，负相关的关联度按绝对值大小进行排序，获得右后刀面磨损宽度与振动特征参数灰色关联排序，如表27～28所示。

表27刀具右切削刃后刀面磨损宽度与刀具振动特征参数正相关关联度按值的大小排序

表28刀具右切削刃后刀面磨损宽度与刀具振动特征参数负相关关联度按绝对值的大小排序

由表26～28可知，刀具振动加速度信号在切削速度方向的峭度与刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势的一致性最高，径向切深和轴向进给方向的峭度次之。轴向进给方向的有效值与刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势的一致性最低，径向切深、切削速度方向的有效值增加会降低刀具右切削刃后刀面磨损宽度；轴向进给方向的有效值在切削刃前段与刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势相反，轴向进给方向的有效值增加会降低相应部位的刀具后刀面磨损宽度，轴向进给方向的有效值在切削刃中段和后段与刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化趋势相同，轴向进给方向的有效值增加会增大相应部位的刀具右切削刃后刀面磨损宽度，所以轴向进给方向的有效值是造成刀具右切削刃后刀面磨损宽度沿切削刃方向不均匀的原因之一。因此，降低径向切深、切削速度和轴向进给三个方向的峭度，提高径向切深、切削速度方向的有效值可以降低刀具右切削刃后刀面磨损宽度，降低轴向进给方向的有效值可以提高刀具右切削刃后刀面磨损宽度沿切削刃方向的一致性。

五、左切削刃的刀具振动对后刀面磨损宽度和右切削刃的刀具振动对后刀面磨损宽度的差异性分析

当左切削刃上选取m₁点作为磨损测量点时，对应的在右切削刃上选取m₂点作为磨损测量点。比较刀具左切削刃和刀具右切削刃对应磨损测量点处的正关联度和负关联度的排序；当左切削刃和右切削刃的正关联度和负关联度排序相同时，则说明在该点处左切削刃和右切削刃切削过程中刀具振动加速度信号中的有效值和峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响相近；当正、负关联性相反是，则说明在该点处左切削刃和右切削刃切削过程中刀具振动加速度信号中的有效值和峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性相反；当正、负关联性相同但是正关联度和负关联度的排序不同时，则说明在该点处左切削刃和右切削刃切削过程中振动加速度信号中的有效值和峭度对刀具后刀面磨损宽度影响的程度不同。

根据表23、表24与表27、表28的对比，分析左切削刃切削时刀具振动特征参数对刀具后刀面磨损宽度的影响与右切削刃切削时刀具振动特征参数对刀具后刀面磨损宽度的影响的差异性。

在第一个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关；右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关；说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第二个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值、切削速度方向的有效值和轴向进给方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，右切削刃上径向切深方向的有效值、切削速度方向的有效值和轴向进给方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，说明这三个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；左切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，右切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，说明这个刀具特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第三个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值、切削速度方向的有效值和轴向进给方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，右切削刃上径向切深方向的有效值、切削速度方向的有效值和轴向进给方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，说明这三个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；左切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，右切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，说明这个刀具特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第四个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关；右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关；说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第五个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；左切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，右切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，说明这个刀具特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第六个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；左切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，右切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，说明这个刀具特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第七个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关；右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关；说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第八个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；左切削刃上切削速度方向的峭度和轴向进给方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，右切削刃上切削速度方向的峭度和轴向进给方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，说明这两个刀具特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

在第九个测量点处，左切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，右切削刃上径向切深方向的有效值和切削速度方向的有效值对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，说明这两个刀具振动特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；左切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成负相关，右切削刃上切削速度方向的峭度对刀具后刀面磨损宽度的影响特性成正相关，说明这个刀具特征参数对刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性相反；其余刀具振动特征参数与刀具左切削刃和右切削刃后刀面磨损宽度成正相关，但是影响程度不同。

通过比较刀具左切削刃和刀具右切削刃对应磨损测量点处的正关联度和负关联度的排序，揭示出左切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度的影响特性和右切削刃切削时刀具振动对刀具后刀面磨损宽度的影响特性是有差异性的。所以在研究车削大螺距内螺纹过程中，不能用左切削刃切削时刀具振动特征对刀具后刀面磨损宽度的影响特性代替右切削刃切削时刀具振动特征对刀具后刀面磨损宽度的影响特性，同样不能用右切削刃切削时刀具振动特征对刀具后刀面磨损宽度的影响特性代替左切削刃切削时刀具振动特征对刀具后刀面磨损宽度的影响特性。

Claims (9)

1.一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

一、选取大螺距内螺纹试件和实验机床；选定与大螺距内螺纹试件结构参数相匹配的刀具，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；

二、在实验机床上分别利用刀具的左切削刃和右切削刃，以轴向分层切削方式，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；

三、测量刀具的左切削刃和右切削刃在切削时的刀具整体振动的加速度信号；

四、停机检测刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度数据；检测完成后按步骤二的切削方式重复切削、再次停机检测刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度，获取多个等切削行程的刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度数据；

五、构建车削试件左螺纹面与右螺纹面时的刀具振动行为序列和基于切削刃上多个测量点的刀具后刀面磨损宽度的行为序列；

六、揭示刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的关联矩阵。

2.如权利要求1所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤二中，通过100次轴向分层切削完成车削大螺距螺纹刀具磨损实验，左螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm，右螺面纹总的轴向去除余量为2.5mm，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。

3.如权利要求1所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤三中，在每次检测刀具后刀面磨损宽度前，利用安装在刀具上的振动加速度传感器，提取每次停机检测前左切削刃和右切削刃最后一次切削的刀具沿试件坐标系在径向切深、切削速度、轴向进给三个方向的振动加速时域信号中的有效值和峭度。

4.如权利要求1所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤四中，刀具左切削刃和刀具右切削刃的后刀面磨损宽度数据获取方法为：以切削刃刀尖为原点，在切削刃参与切削的长度范围内等间距选取多个测量点，检测该点处的后刀面磨损宽度。

5.如权利要求4所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤四中，刀具左切削刃和右切削刃上测量点处的后刀面磨损宽度测量方法为：沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，以此为基准，沿该直线垂直方向，测量后刀面磨损宽度。

6.如权利要求1所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：所述步骤五包括以下步骤：

一、构建刀具振动特征参数行为序列

根据刀具振动特征参数数据，构建左切削刃和右切削刃切削过程中刀具振动特征参数随切削行程变化的行为序列；

二、构建刀具后刀面磨损宽度行为序列

根据提取出的刀具后刀面磨损宽度数据，构建刀具左切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化的行为序列和刀具右切削刃后刀面磨损宽度随切削行程变化的行为序列。

7.如权利要求6所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：所述步骤六包括以下步骤：

一、采用区间值像的方法对刀具振动特征参数行为序列和刀具后刀面磨损宽度行为序列进行无量纲化处理；

二、将无量纲化处理后的刀具振动特征参数行为序列作为比较序列，将无量纲化处理后的刀具后刀面磨损宽度行为序列作为参考序列；采用改进的灰色关联分析算法进行计算，建立刀具后刀面磨损宽度与刀具振动特征参数的关联矩阵；

三、评判刀具振动对刀具左切削刃后刀面磨损宽度和刀具右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性，分别对左切削刃和右切削刃的关联度进行正相关性和负相关性筛选，正相关的关联度按值的大小进行排序，负相关的关联度按绝对值大小进行排序，得出刀具振动对刀具左切削刃后刀面磨损宽度和刀具右切削刃后刀面磨损宽度的影响特性和显著程度。

8.如权利要求7所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：步骤六中的步骤三中，当左切削刃上选取第m个点作为磨损测量点时，对应的在右切削刃上选取第m个点作为磨损测量点，比较刀具左切削刃和刀具右切削刃对应磨损测量点处的正关联度和负关联度的排序。

9.如权利要求1-8的任意一项所述的一种车削大螺距内螺纹刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法，其特征在于：切削行程的计算方式为：

以大螺距螺纹的中径为基准将螺纹面展开，整个螺纹面长度为每次轴向分层切削的切削行程，即单次切削行程，记为Y₀：

<mrow> <msub> <mi>Y</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>t</mi> <mi>P</mi> </mfrac> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，t为螺纹轴向长度，

刀具左切削刃和右切削刃切削时的累积切削行程为：

Y_s＝Y₀×N×S (2)

式中，S为磨损和振动的测量次数，S＝1,2,3,...,S_T；N为切削刃每次停机检测刀具后刀面磨损宽度时的切削次数，N＝1,2,3,...,N_T；Y_S为第S次磨损测量时切削刃的累积切削行程。