CN110059374A - 一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法，该方法包括，激光测量以获得铣刀跳动参数；建立基于刀具跳动及磨损的铣削力模型，求解铣削力系数Ktc和Krc，其中，铣削力试验以获得刀具没有磨损时对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数Ktc，Krc；求解铣削力系数K′tc和K′rc，其中，铣削力试验以获得刀具已经磨损对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数K′tc和K′rc。

Description

一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法
技术领域
本发明属于铣削加工领域，特别是一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法。
背景技术
铣削加工具有优异的三维复杂曲面加工能力以及较高的材料去除率，在金属切削加工领域得到广泛应用。然后，在航空航天、模具等难加工材料铣削加工过程中，易产生加工变形、切削颤振、刀具快速磨损等加工问题，制约了铣削效率及质量的提升。智能制造是制造业发展的方向，铣削力是反映铣削加工状态的重要物理量，基于铣削力对铣削加工刀具结构及工艺路径进行优化，并实现刀具状态智能监控，是提高铣削加工水平的重要途径，因此铣削力建模是实现铣削加工过程智能检测的重要方法基础。然而目前缺少统一的考虑刀具跳动及磨损的铣削力模型，限制了真实工况下铣削力求解精度。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
铣削力是反映铣削加工过程的重要物理指标之一，通过建立铣削力预测模型，进行刀具结构优化、工艺路径优化以及刀具加工过程状态监测，是提高现代铣削加工效率的重要方式，然而目前缺少统一的考虑刀具跳动及磨损的铣削力模型，针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法包括以下步骤：
第一步骤中，激光测量以获得铣刀跳动参数；
第二步骤中，建立基于刀具跳动及磨损的铣削力模型，
其中，Ft，Fr分别为铣削加工过程中铣刀承受的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力，m为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散个数，i为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号，Ktc和Krc分别为铣刀没有磨损时的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，K’tc和K’rc分别为由于铣刀磨损引入的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，hi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削厚度，bi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削刃长度，f(rrunout，i)为在铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元处，基于刀具跳动的切削厚度求解函数；
第三步骤中，求解铣削力系数Ktc和Krc，其中，铣削力试验以获得刀具没有磨损时对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数Ktc，Krc；
第四步骤中，求解铣削力系数K’tc和K’rc，其中，铣削力试验以获得刀具已经磨损对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数K’tc和K’rc。
所述的方法中，第一步骤中，铣刀安装到机床主轴上，将激光位移传感器与刀尖对齐，转动铣刀以获得铣刀不同刀齿对应的尺寸ledge_1，ledge_2，ledge_3，……ledge_n，其中n指铣刀齿数，选取数组ledge_1，ledge_2，ledge_3，……ledge_n中的最大值和最小值，分别记为ledge_max和ledge_min，获得刀具跳动参数rrunout＝ledge_max-ledge_min。
所述的方法中，第二步骤中，铣削力试验为所述铣刀在压电式测力平台上进行直线铣削。
所述的方法中，基于对比分析加工过程中铣削力信号的变化，在线监测加工过程中刀具磨损。
有益效果
本发明提出的方法考虑了刀具跳动及刀具磨损对铣削力模型的影响，为铣削加工工艺优化及职能控制提供参考，可有效提升铣削加工工艺能力，经实际验证，该方法有效、可靠。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法的建模过程示意图；
图2是根据本发明一个实施例的基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法的预测铣削力与试验铣削力对比示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1为基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法的流程示意图，如图1所示，一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法包括以下步骤：
第一步骤S1中，激光测量以获得铣刀跳动参数；
第二步骤S2中，建立基于刀具跳动及磨损的铣削力模型，
其中，Ft，Fr分别为铣削加工过程中铣刀承受的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力，m为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散个数，i为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号，Ktc和Krc分别为铣刀没有磨损时的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，K’tc和K’rc分别为由于铣刀磨损引入的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，hi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削厚度，bi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削刃长度，f(rrunout，i)为在铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元处，基于刀具跳动的切削厚度求解函数；
第三步骤S3中，求解铣削力系数Ktc和Krc，其中，铣削力试验以获得刀具没有磨损时对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数Ktc，Krc；
第四步骤S4中，求解铣削力系数K’tc和K’rc，其中，铣削力试验以获得刀具已经磨损对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数K’tc和K’rc。
本方法通过将刀具跳动引入到切削厚度的求解，将刀具磨损表示为铣削力系数的变化，建立了考虑刀具跳动和磨损的铣削力模型。为刀具优化奠定了基础。
所述的方法的一个实施方式中，第一步骤S1中，铣刀安装到机床主轴上，将激光位移传感器与刀尖对齐，转动铣刀以获得铣刀不同刀齿对应的尺寸ledge_1，ledge_2，ledge_3，……ledge_n，其中n指铣刀齿数，选取数组ledge_1，ledge_2，ledge_3，……ledge_n中的最大值和最小值，分别记为ledge_max和ledge_min，获得刀具跳动参数rrunout＝ledge_max-ledge_min。
所述的方法的另一个实施方式中，第二步骤S2中，铣削力试验为所述铣刀在压电式测力平台上进行直线铣削。
在一个实施例中，提供一种根据建模方法对加工过程刀具磨损进行监测的方法，基于对比分析加工过程中铣削力信号的变化，在线监测加工过程中刀具磨损。
在该实施例中，将建模方法具体应用关于对加工过程刀具磨损进行监测，基于对比分析加工过程中铣削力信号的变化，在线监测加工过程中刀具磨损，达到为铣削加工工艺优化及职能控制提供参考的目的，可有效提升铣削加工工艺能力，精确地得到铣削力结果。
为了进一步理解本发明，下面结合具体实例描述本发明，本实施实例以直径为Φ20的刀具铣削钛合金，铣削试验参数为：
线速度120m/min，轴向切深15mm，径向切深0.8mm，进给速度750mm/min，铣削方式为顺铣，考虑刀具跳动和磨损的铣削力建模过程如图1所示。
步骤1：采用激光测量方式获得铣刀跳动参数，将铣刀安装到机床主轴上，将激光位移传感器与刀尖对齐，转动铣刀，获得铣刀不同刀齿对应的尺寸ledge_1＝23.831mm，ledge_2＝23.825mm，其ledge_3＝23.835mm，中ledge_4＝23.812mm，求得刀具跳动参数rrunout＝23.835mm-23.812mm＝0.023mm；
步骤2：建立考虑刀具跳动和磨损的铣削力模型：
其中，Ft，Fr分别为铣削加工过程中铣刀承受的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力，m为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散个数，i为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号，Ktc和Krc分别为铣刀没有磨损时的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，K’tc和K’rc分别为由于铣刀磨损引入的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，hi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削厚度，bi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削刃长度，f(rrunout，i)为在铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元处，考虑刀具跳动的切削厚度求解函数；
步骤3：求解铣削力系数Ktc和Krc，进行铣削力试验，获得刀具没有磨损时对应的铣削力，带入已经建立的考虑刀具跳动和磨损的铣削力模型，求解获得铣削力系数Ktc＝2123.3，Krc＝1081.6；
步骤4：求解铣削力系数K’tc和K’rc，进行铣削力试验，获得刀具已经磨损对应的铣削力，带入已经建立的考虑刀具跳动和磨损的铣削力模型，求解获得铣刀后刀面磨损量为0.02mm时对应的铣削力系数K’tc＝2774.2和K’rc＝1297.4；
建立的考虑刀具跳动和磨损的铣削力预测结果与试验获得的铣削力结果如图2所示。可见，本发明能够精确地得到铣削力结果。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (4)

1.一种基于刀具跳动及磨损的铣削力建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，激光测量以获得铣刀跳动参数；
第二步骤(S2)中，建立基于刀具跳动及磨损的铣削力模型，
其中，Ft，Fr分别为铣削加工过程中铣刀承受的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力，m为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散个数，i为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号，Ktc和Krc分别为铣刀没有磨损时的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，K’tc和K’rc分别为由于铣刀磨损引入的沿进给方向以及沿垂直于进给方向的铣削力系数，hi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削厚度，bi为铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元对应的切削刃长度，f(rrunout，i)为在铣刀刀刃沿铣刀轴向离散序号为i单元处，基于刀具跳动的切削厚度求解函数；
第三步骤(S3)中，求解铣削力系数Ktc和Krc，其中，铣削力试验以获得刀具没有磨损时对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数Ktc，Krc；
第四步骤(S4)中，求解铣削力系数K’tc和K’rc，其中，铣削力试验以获得刀具已经磨损对应的铣削力，代入所述基于刀具跳动及磨损的铣削力模型求解获得铣削力系数K’tc和K’rc。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优洗的，第一步骤(S1)中，铣刀安装到机床主轴上，将激光位移传感器与刀尖对齐，转动铣刀以获得铣刀不同刀齿对应的尺寸ledge_1，ledge2，ledge3，……ledge_n，其中n指铣刀齿数，选取数组ledge_1，ledge_2，ledge_3，……ledge_n中的最大值和最小值，分别记为ledge_max和ledge_min，获得刀具跳动参数rrunout＝ledge_max-ledge_min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步骤(S2)中，铣削力试验为所述铣刀在压电式测力平台上进行直线铣削。
4.根据权利要求1所述的建模方法对加工过程刀具磨损进行监测的方法，其特征在于，基于对比分析加工过程中铣削力信号的变化，在线监测加工过程中刀具磨损。
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