CN109093447B - 一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，该方法包含刀具磨损变异系数、均匀磨损理论的定义以及刀轴运动的优化策略。该方法首先以机床性能和干涉条件获取刀具有效切削刃区域；然后由工件与刀具的几何特性以及加工参数求解得到刀轴姿态与刀具工件接触区的对应关系；根据均匀磨损理论可通过刀轴姿态的变化来控制实际切削刃各部位的切削时间以及对应切削参数从而降低磨损变异系数；该方法为五轴加工提供了一种新的策略，一方面有利于延长刀具寿命，减少刀具成本、控制加工误差和提高加工效率，另一方面也能更好的指导刀具的设计。

Description

一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法

技术领域 本发明涉及一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法。属于金属切削加工技术领域。

背景技术 金属切削加工过程中，刀具的磨损与破损是影响被加工零件精度和表面质量的重要因素，严重的刀具磨损还会引起切削颤振，损坏机床、刀和工具和工件。通常，刀具的磨损发生在刀具与工件的两个接触区上，由于物理或化学的作用，使刀具原有的几何角度逐渐丧失。刀具的磨损、破损及其使用寿命对加工质量、生产效率和成本影响极大。因此，实现对刀具磨损的控制对提高加工质量和效率，具有重要意义。以球头刀具为例：球头刀具中心轨迹位于被加工曲面沿着外法线方向的等距面上，编程和使用较为简单，对加工对象的适应能力强。球头铣刀用于加工复杂曲面的时候，刀具切削刃与加工工件接触区域的切削速度沿着刀具轴向方向会出现变化。越接近刀具顶点时切削速度越小，当刀具垂直加工工件表面时，刀具切削刃中心点切削速度几乎为零，不但会出现加剧刀具磨损现象，而且会使加工表面形貌出现损伤恶化。为了避免加工刀具切削刃中心点零切削速度现象，生产上会通过调整刀具轴线与工件曲面法线之间的夹角来改善出现的这种状况，而在实际加工工程中，由于加工工件曲率变化复杂，刀具切削刃上各部位实际切削参数以及参与切削的时间往往不一致，从而造成切削刃的局部集中磨损，一方面影响刀具的整体寿命，另一方面影响加工表面质量。如何避免刀具的局部集中磨损、提高刀具的形状保持性，从而改善工件的形状精度对于切削加工来说是一个急待解决的问题。因此，结合先进数控技术和数值分析理论，通过控制刀轴运动规律来改变切削刃各位置的实际切削时间以及实际切削参数，从而达到优化刀具均匀磨损程度的目的，对工程实践具有重要的意义。

发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，弥补现有加工方式下刀具磨损区域较为集中的不足，有利于均匀刀具的磨损，从而延长刀具寿命，提高加工表面的一致性，也有利于更好的指导刀具、刀轨的设计。

2、本发明一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，内容如下：

2.1磨损变异系数：

将切削刃上磨损值V表示如下：

其中V_i(i＝1,2…,n)为切削刃上各点的磨损值大小，在实际运用中可根据加工情况判断主要磨损的具体物理含义，可以是后刀面磨损值亦或前刀面磨损值等其他磨损量。

此处定义磨损变异系数C_V作为均匀磨损程度的评价标准，变异系数越小则表示磨损越均匀，刀具形状保持性越好。表示如下：

其中σ为磨损值V的标准差，μ为磨损值V的平均值。即:

从而磨损变异系数表达如下：

2.2均匀磨损理论：

根据刀具加工过程中刀具磨损规律可知，如图3所示，刀具磨损量随加工时间的发展而变化，且在不同的切削条件下，增长的快慢不同。此外加工过程中刀具的磨损程度也与切削参数相关，即对于刀具上任意点，磨损满足：

其中t为切削时间，C为切削参数相关量。

结合上述磨损变异系数的定义，为了使刀具保持均匀磨损，必须保证刀具切削刃上每点具有相同或相近的磨损量即：

V₁≈V₂≈…≈V_n (5)

从而刀具对应磨损变异系数C_V减小。通过刀具与工件的相对运动，对刀具在切削过程中的磨损情况进行分析，通过改变切削刃各点与工件接触时间，以及调整对应切削参数的方法来使刀具产生均匀磨损，以保证刀具的几何精度，可更好的进行磨损补偿，这就是刀具均匀磨损理论。

2.3优化策略

根据均匀磨损理论，为实现均匀磨损程度最大化，可通过改变各点切削参数和调整各点切削时间的方法来控制刀具上各点的磨损程度。但切削参数的改变会引起表面质量的不均匀，故采用控制各点实际切削时间的方法。在同样的切削参数下，(1)式则可表示为：

V_i＝f(t_i) (6)

此外，在同样切削参数的情况下，刀轴与工件接触区的变化将影响实际参与切削的切削刃区域。因此通过控制刀轴的运动可实现切削区域的规律变化，从而优化磨损变异系数。

根据刀具的工作条件，可划分出切削刃有效区域，设有效长度L；在等切深、切宽的条件下，实际参与切削的刃长为定值Δl；刀具与工件接触点的变化可以给出运动函数g(t)，如图1所示，对切削刃上一点A分析，设t₁时刻进入切削区，t₂时刻离开，即满足以下方程：

代入(1)式：

V_i＝f(Δt_i) (8)

在一个零件的加工过程中刀具的摆动往往需要往复运动，则可写为如下所示：

∑ΔV_i＝f(∑Δt_i) (9)

因此为实现有效区域的均匀磨损，可通过移动切削刃的方式来控制实际参与切削的切削刃的切削时间长短，使各点累计切削时间相近，从而使得各位置的磨损均匀。值得注意的是当各点切削参数与切削点所在位置相关时(如球刀)，则需要额外控制参数C使其保持不变。

附图说明

图1是本发明一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法使用流程图。

图2是本发明球刀磨损变异系数示意图

图3是本发明刀具磨损曲线示意图

图4是本发明刀具接触区域变化示意图

图5是本发明示例球头刀具摆角示意图

图6是本发明示例球刀拉铣加工平面应用示意图

图7是本发明示例球刀加工平面刀轨流程图

图8是本发明示例球刀拉铣加工凹面应用示意图

图中符号说明如下：

R：刀具半径

r：切削接触点有效半径

l：曲面半径

α：切削刃接触区在进给平面内对应角

θ₀：刀轴与工件法向量初始夹角

工件法矢量与竖直轴夹角

Φ：刀轴可摆动范围夹角

β：刀轴最小切削偏角

v_f：进给速度

f_z：每齿进给速度

a_p：切深

具体实施方式

本发明一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，该方法示例应用如下：

示例1球刀拉铣平面

球刀拉铣平面示意图如图5所示，由于球刀的对称性，可将其简化为二维模型，因此刀具坐标系下以刀具中心为坐标原点，刀具方程：

ρ＝R (10)

此外由于球头刀的几何特性，在相同转速下越接近刀具顶点切削速度越小，为避免发生零速度切削的现象，则需要避开靠近中心点的切削刃进入切削区域，并结合实际加工时的干涉条件，可获取球刀实际有效切削刃长度如图2所示。各点速度满足：

由上式可知，不同切削区域切削时切削速度差异较大，因此根据优化策略为保证切削一致，需要通过改变转速来保证速度一致。满足：

如图6所示，切削刃接触点的起始点坐标A(R,θ₀+α)，B(R,θ₀)，其中：

切削刃长度AB＝Rα，取决于切深a_p，而与摆角大小无关。

假设刀的摆角与时间以某种函数关系摆动，设：

其中ω(t)是摆动角速度与时间的关系。

取刃上与工件接触点起点坐标A(R,θ₁)，则当A转动为至点(R,θ₁+α)时离开切削区域，则满足：

在一个摆动周期内可根据均匀磨损理论，切削刃上各点磨损值满足：

V_A1≈V_A2≈…≈V_An (16)

根据式(8)则可得：

T_A1≈T_A2≈…≈T_An (17)

可求得当ω＝ω(t)＝C为常数，两式均能得到满足。因此当刀轴按照如下运动规律往复摆动是实现均匀磨损的一种有效措施。刀轨流程图如图7所示。

示例2凹面拉铣

由于曲面微分为多个斜面的合成，因此可将凹面拉铣转化为法矢量按某种规律变化的平面拉铣，如图8所示，可添加方程如下：

根据均匀磨损理论，使工件表面法矢量与刀轴矢量的夹角随时间变化线性变化：θ＝at+b代入得：

为避免没有速度的顶点进入切削区域，可使a＞0，即

因此当刀轴按照上述运动规律摆动是实现均匀磨损的一种有效措施。

Claims (1)

1.一种基于均匀磨损理论的刀轨设计方法，特征在于：

该方法的具体步骤如下：

步骤一：划定一个范围作为有效切削区域，根据刀具与工件避免干涉所获得的最大摆角以及根据机床性能以及切削速度要求获取的最小摆角，确定夹角对应区域；

步骤二：求解刀轴姿态与刀具工件接触区以及对应切削速度的关系；

步骤三：设定以切削时间为自变量，刀具工件接触区位置变动速度以及接触区位置坐标为函数值的刀轴姿态变化规律；结合均匀磨损理论，使切削刃各点实际切削参数一致，通过改变切削时间来控制各点磨损值；求解运动规律,沿着切削刃方向取切削刃微元，根据各切削刃微元实际切削时间的等式关系，获取刀轴姿态随时间变化的方程；

步骤四：结合磨损变异系数和有效切削区域实现刀具优化设计；根据实际有效切削区域以及磨损变异系数的限制，将无效区域去除，实现刀具的结构优化；

所述磨损变异系数C_V是在切削区域内采样点磨损量标准差与平均值的比，变异系数越小则表示磨损越均匀；

其中V_i为切削刃上各点的磨损值大小，根据实际加工情况判断磨损的具体评判值，后刀面磨损值亦或前刀面磨损值；

刀具磨损函数定义:

式中t——同一切削条件下刀具的切削时间；

C——切削速度；

i＝1,2…,n；

均匀磨损即刀具在磨损后各点磨损值相等，仍能保持原有的几何精度。

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