CN108318140B - 一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，包括：利用热成像仪采集基体待加工区域的红外热成像图，捕捉基体待加工区域的最高点温度与设定的阀值进行比较，判断是否继续进行切削加工；同时采用刀具磨损仪采集刀具后刀面图片，及时分析输出刀具后刀面磨损量，绘制基体温度—刀具后刀面磨损量关系图，进一步分析出基体温度对刀具耐用度的影响，最终获取在增减材交替分层制造工艺进行基体表面切削时的最佳切削时机。本发明方法操作简单、易行、准确度高。
Description
技术领域
本发明属于三维打印技术领域，具体涉及一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，尤其涉及干式切削的最佳切削时机。
背景技术
三维打印中，为了保证增材在制造过程中，不受到污染，交替分层制造工艺中不允许使用冷却液，以避免高温基体材料在冷却液作用下的淬硬效应。同时为避免切削刀具过热，基体材料在局部高温状态下切削后产生过大的冷却变形，在进行干式切削之前，需要使基体材料温度降低到与切削刀具相适宜的温度值，存在最佳的切削时机。
对于切削基体温度的测量，可采用接触式测量和非接触式测量。
接触式测量主要以热电偶法为代表，但是热电偶测量过程中必须将其放在物体内，破坏物体自身的热量分布，增大测量过程中产生误差。同时传统的人工热电偶测温法对热电偶的安装、布置均有严格的要求，并且必须在工件上预先加工出符合要求的形状以及尺寸精度的小孔，一般适合于金属切削理论研究，不适合对基体的实时监测走向工程实践。此外，由于热电偶焊点大小、放置深度等不同也会产生较大的测量误差。自然热电偶法通过测量刀具和工件切削过程中产生的热电动势，从而获取温度。可研究切削条件对切削温度的影响，但是测定的是切削区域的平均温度，无法获取切削区域指定点温度、最低温度和最高温度。
非接触测量法作为一种先进的测量手段正被广泛应用在众多领域中。其主要代表为红外热成像技术，该方法具有动态响应频率高，实现动态的监控、操作简便等特点。
红外热成像技术可方便地获取大量的刀具、工件的温度场分布信息，有利于金属切削加工过程中的机理研究和异常情况的监控；但是其对刀具高速切削过程中刀具前刀面的温度获取比较困难。
发明内容
本发明提供了一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，该方法操作简便、易行、准确度高。
一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，包括以下步骤：
(1)安装红外热成像仪检测工位、刀具磨损仪检测工位；刀具磨损仪上设定时间间隔Δt，红外热成像仪上设定基体温度阀值；
(2)红外热成像仪采集增减材交替分层制造获得的基体的待加工区域的红外热成像图片；捕捉基体待加工区域的最高温度Tmax，与预先设定的阀值进行比较，若Tmax低于阀值，切削加工继续进行，在刀具切削基体过程中，每隔Δt时间间隔，刀具磨损仪采集刀具的后刀面图片；若T达到预先设定的阀值，切削加工停止，刀具切削加工任务完成；
(3)对红外热成像仪采集到的图片进行分析处理，输出基体温度，同时对刀具磨损仪采集到的刀具后刀面图片进行分析输出刀具后刀面磨损量，绘制基体温度与刀具后刀面磨损量关系图，得出在增减材交替分层制造工艺中基体表面切削时机。
本发明采用红外热成像仪进行待加工区域(或称切削区域)基体温度检测，基本原理为斯蒂芬—波尔兹曼定律，即：
E1＝ε1σT4 (1-1)
式中，E1—物体辐射单元单位面积的辐射能量(W/m2)；
ε1—物体辐射单元表面辐射率(由物体表面性质决定)；
σ—斯蒂芬—波尔兹曼常数(σ＝5.76×10-8W/(m2·K4))；
T—物体辐射单元的表面温度(K)。
当切削区域内峰值点低于刀具体耐热温度一定量后，开始启动切削过程。在增减材制造过程中，刀具切削基体时，采用红外热成像仪探测基体表面辐射单元的辐射能量，并将每个辐射单元的辐射能量转换成电子视频或者图像信号，通过对信号进行瞬时处理，以可见图像的形式进行显示，显示的热图像代表被测基体表面的二维辐射能量场。
同时对刀具磨损仪——便携式数码显微镜采集到刀具后刀面图片进行分析输出刀具后刀面磨损量，绘制基体温度与刀具后刀面磨损量关系图，进一步分析出增减材制造过程中切削基体温度对刀具耐用度影响，最终确定最佳的切削时机。
步骤(1)中，通过USB接口，连接PC机和红外热成像仪，安装好红外热成像仪检测工位，红外热成像仪安装工位的视场角垂直照射到待加工区域表面，测量时视场角不超过40°，温度衰减不超过2％，同时红外热成像仪距离测量区域不超过0.6米；同时安装好刀具磨损仪检测工位，刀具磨损仪检测工位的测量距离为50～300mm。
在综合考虑刀具切削基体到达特定温度所需的时间基础上，所述的时间间隔Δt设为0.5～2s，便于刀具切削基体每隔Δt时间间隔后，测量刀具后刀面图片，及时分析输出刀具后刀面磨损量；国际上ISO统一规定1/2切削深度处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。
采用增减材交替分层制造工艺，可以解决长刀具切削深孔的低刚性问题。交替制造分层刀具刚性有要求，在考虑切削工件材料性能和切削刀具的硬度、热硬性、耐磨性以及耐腐蚀性的基础上，优选硬质合金YG6作为切削刀具，其硬质合金的硬度高(86～93HRA，相当于69～81HRC)、热硬性好(可达900℃～1000℃，保持60HRC)、耐磨性以及耐腐蚀性好。
交替制造分层必须在满足刀具刚性要求的基础上，尽量减少交替次数以提高切削效率；同时在两次切削加工在厚度方向的重叠量设定为2～5mm，以保证不留未切削表面；采用增减材交替分层制造工艺进行基体表面切削时，分层工艺划分应在保证全局干涉的条件下，尽可能减少分层次数。
基体温度阀值的选取与切削刀具的综合承受能力有关，本发明综合考虑硬质合金YG6刀具维持切削性能最高温度范围700℃～900℃，设定3组基体温度阀值，依次为：700℃、800℃、900℃。
在切削基体温度到达每组设定的阀值前，刀具的切削用量相同，所述的切削用量包括切削速度、进给量和切削深度。
所述的切削速度为50～200m/min，进给量为0.1～0.5mm/r，切削深度为0.5～1.5mm。
本发明方法，规避了在高速切削条件下，直接对刀具前刀面温度的捕捉；而是采用间接方法，通过对切削区域基体温度测量，同时通过在刀具磨损仪上设定适当的时间间隔Δt采集刀具后刀面切削图片分析出刀具后刀面磨损量；从而大幅度降低数据采集难度，且提高了数据采集的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例1增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法的流程示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法进行具体描述，但本发明并不限于这些实施例。该领域熟练技术人员根据上述发明内容对本发明核心思想指导下做出的非本质改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
实施例1
下面结合图1流程图对本发明工作过程作进一步的说明。
(1)选定硬质合金YG6作为切削刀具；
(2)开始分层交替制造，两次切削加工在厚度方向的重叠量设定为2mm；
(3)进行增材加工，直到达到预定层为止；
(4)通过USB接口连接红外热成像仪和PC机，安装好红外热成像仪检测工位，其中尽可能使红外热成像仪的视场角垂直照射到加工区域表面，测量时视场角40°，使温度衰减为2％，同时使红外热成像仪距离测量区域为0.6米；同时安装好刀具磨损仪——便携式数码显微镜，检测工位，测量距离在80mm，在便携式数码显微镜设定一定的时间间隔Δt，Δt为0.8s，便于便携式数码显微镜及时测量刀具后刀面图片；
(5)利用PC机在线控制红外热成像仪，设定温度阀值为700℃；
(6)利用红外热成像仪在线采集待加工区域图片，同时利用便携式数码显微镜采集刀具后刀面图片；
(7)利用PC中分析软件实时捕捉切削区域中最高温度，并且与步骤(5)中设定的温度阀值进行比较，若低于阀值，切削加工继续；否则回到步骤(6)，继续执行；
(8)若切削达到基体设定的阀值时，PC机上在线控制的切削代码完成目标任务；否则回到步骤(3)，继续执行；在切削基体温度到达每组设定的阀值前，刀具的切削速度为50m/min，进给量为0.2mm/r，切削深度为0.5mm；
(9)刀具切削任务、红外热成像仪采集切削区域图片和便携式数码显微镜采集刀具后刀面图片完成；同时记录刀具切削加工完成时刻刀具后刀面图片，便于及时分析输出基体达到温度阀值时，刀具后刀面磨损量；
(10)利用PC机上的分析软件对红外热成像仪采集图片进行分析输出基体温度，同时对便携式数码显微镜采集后刀面图片进行分析输出刀具后面磨损量，从而建立基体温度—刀具后刀面磨损量两者关系图，进一步分析出增减材制造过程中切削基体温度对刀具耐用度影响，最终确定最佳的切削时机。
Claims (6)
1.一种增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，其特征在于，包括：
（1）选定硬质合金YG6作为切削刀具，并安装红外热成像仪检测工位、刀具磨损仪检测工位；刀具磨损仪上设定时间间隔∆t，红外热成像仪上设定基体温度阀值为700℃；
（2）红外热成像仪采集增减材交替分层制造获得的基体的待加工区域的红外热成像图片；捕捉基体待加工区域的最高温度Tmax，与预先设定的阀值进行比较，若Tmax低于阀值，切削加工继续进行，在刀具切削基体过程中，每隔∆t时间间隔，刀具磨损仪采集刀具的后刀面图片；若Tmax达到预先设定的阀值，切削加工停止，刀具切削加工任务完成；
（3）对红外热成像仪采集到的图片进行分析处理，输出基体温度，同时对刀具磨损仪采集到的刀具后刀面图片进行分析，输出刀具后刀面磨损量，绘制基体温度与刀具后刀面磨损量关系图，得出在增减材交替分层制造工艺中基体表面切削时机。
2.如权利要求1所述的增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，其特征在于，步骤（1）中，红外热成像仪安装工位的视场角垂直照射到待加工区域表面，测量时视场角不超过40º，温度衰减不超过2%，同时红外热成像仪距离测量区域不超过0.6米；刀具磨损仪检测工位的测量距离为50～300mm。
3.如权利要求1所述的增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，其特征在于，步骤（2）中，两次切削加工在厚度方向的重叠量为2～5mm。
4.如权利要求1所述的增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，其特征在于，所述的时间间隔∆t为0.5～2s。
5.如权利要求1所述的增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，其特征在于，在切削基体温度到达预先设定的阀值前，刀具的切削用量相同，所述的切削用量包括切削速度、进给量和切削深度。
6.如权利要求5所述的增减材制造工艺中基体表面切削时机的获取方法，其特征在于，所述的切削速度为50～200m/min，进给量为0.1～0.5mm/r，切削深度为0.5～1.5mm。
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