CN111531403B - 一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，包括如下步骤：钻头仅保留一条完好的切削刃，对钻头的多余切削刃进行磨削，磨削厚度大于单齿进给量；安装测力平台；对刀后开始钻削并进行钻削力测量，采集得到X和Y方向上钻削力随时间t变化的离散数据集；根据钻头几何参数和钻削参数计算得出，初始钻削阶段钻削时间t和钻削半径r的对应关系；将钻削时间t与钻削半径的对应关系代入钻削力随时间t变化的离散数据集中，得到X和Y方向上钻削力随半径r变化的离散数据集；将刀具半径值平均分成k段，求出各段钻削力均值数据集；取各段与前一段的钻削力均值数据差值，即为主切削刃各段所受Fxy负载数据。本发明涉及金属钻削力测量技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及金属钻削力测量技术领域，特别涉及一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法。
背景技术
钻削刀具一般具有多条切削刃，尤以双刃麻花钻为例，双刃的对称性导致两条切削刃所受的背向力(径向力)相互平衡抵消。
测量金属钻削力的目的一般是定量分析刀具所受负载情况。在钻削工艺优化过程中，钻削力沿刀具主切削刃方向的负载分布情况对于分析刀具磨损有重要意义，对该材料的钻削工艺优化起指导性作用。
传统的测量钻削力方法只能获取进给力(轴向力)和由两方向相反的主钻削力(切向力)形成的转矩，属于钻削刀具在加工过程中所承受的总体负载，无法揭示刀具主切削刃沿径向的各区段所承受负载的差异，难以从机械负载的层面分析刀具磨损的原因。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，该方法能测量钻削力主切削刃所受负载沿径向分布的情况，操作简单，且有利于分析主切削刃所受负载对刀具的影响。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，包括如下步骤：钻头仅保留一条完好的切削刃，对钻头的多余切削刃进行磨削，磨削厚度大于单齿进给量；将测力计固定在机床的工作台上，将钻头夹具安装在测力计上，将电荷放大器的输入端与测力计的输出端连接，将电荷放大器的输出端与数据采集系统的输入端连接，将数据采集系统的输出端与PC机连接；将工件装夹在机床主轴的刀柄上，将钻头以对齐测力计坐标系的方式装夹在钻头夹具上；对刀后开始钻削并进行钻削力测量，采集得到X和Y方向上钻削力随时间t变化的离散数据集；根据钻头几何参数和钻削参数计算得出，初始钻削阶段钻削时间t和钻削半径r的对应关系；将钻削时间t与钻削半径r的对应关系代入钻削力随时间t变化的离散数据集中，得到X和Y方向上钻削力随半径r变化的离散数据集；将刀具半径值平均分成k段，求出各段钻削力均值数据集；取各段与前一段的钻削力均值数据差值，即为主切削刃各段所受Fxy负载数据。
作为优选的技术方案，安装钻头和钻头夹具时使钻头的主切削刃平行于测力计坐标系的XZ平面或YZ平面。
作为优选的技术方案，钻削时使用的进给量参数为单齿进给量，X和Y方向上钻削力随时间变化的离散数据集为S1＝{(ti,Fxi,Fyi)|i＝1,2,……,M}，其中ti为钻削时间，Fxi为ti时刻时X方向上的钻削力值，Fyi为ti时刻时Y方向上的钻削力值，M为采集样本总数。
作为优选的技术方案，钻削时间t和钻削半径r的对应关系函数为
其中β为钻头顶角，f为单齿进给量，n为主轴转速，D为钻头直径。
作为优选的技术方案，X和Y方向上钻削力随半径r变化的离散数据集为S2＝{(ri,Fxi,Fyi)|i＝1,2,……,N}，其中ri为ti时刻对应的钻削半径值，N为当钻削半径小于等于刀具半径时，即
时的样本总数。
作为优选的技术方案，各段钻削力均值数据集为
其中
为第j段的X方向上钻削力均值，
为第j段的Y方向上钻削力均值。
作为优选的技术方案，主切削刃各段所受Fxy负载数据为
其中
和
为第j段与第j-1段的钻削力均值数据差值。
作为优选的技术方案，初始钻削阶段为钻头未完全钻削进工件的阶段。
作为优选的技术方案，所述测力计为多分量测力计。
作为优选的技术方案，所述机床为立式铣床、立式钻床或立式加工中心。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明能定量测量钻削力主切削刃所受负载沿径向分布的情况，利于分析负载变化对主切削刃上不同部位的磨损情况的影响，有助于从工艺参数和钻削刀具几何结构方面上对钻削工艺进行优化，提高工艺切削性能。
2.本发明的测力平台操作简单，切实可行，对设备要求较小，与传统的钻削力测量方法一样，仅需要立式机床、测力计套件和夹具等辅助工具。
附图说明
图1为本发明实施例中测力平台结构示意图；
图2为本发明实施例中双刃麻花钻坐标系示意图；
图3为本发明实施例中X和Y方向上钻削力随时间t变化的离散数据集结果图。
图4为本发明实施例中钻削过程几何关系图。
图5为本发明实施例中X和Y方向上钻削力随钻削半径r变化的离散数据集结果图。
图6为本发明实施例中各段钻削力均值数据结果图。
图7为本发明实施例中主切削刃各段所受Fxy负载数据矢量结果图。
其中：1-机床主轴，2-工件，3-钻头，4-钻头夹具，5-测力计，6-电荷放大器，7-数据采集系统，8-PC机，9-主切削刃，10-主后刀面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明的测力平台包括机床主轴、工件、钻头、钻头夹具、测力计、电荷放大器、数据采集系统以及PC机。
本实施例中所使用的钻头为标准直柄双刃麻花钻，直径D为8mm，顶角β为118°。柱状工件的直径为20mm。钻削参数：机床主轴转速n为600RPM，进给量为0.10mm/rev，则单齿进给量f为0.05mm/rev。
使用图1所示测力平台，测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，包括以下步骤：
步骤1：钻头仅保留一条完好的切削刃，对钻头的多余切削刃进行磨削，磨削厚度略大于单齿进给量f。使用金刚砂轮磨削掉双刃麻花钻的一条主切削刃，保证钻头测力过程仅测一条切削刃的受力，排除双刃麻花钻对称性的影响。
步骤2：安装测力平台：将测力计固定在机床的工作台上，将钻头夹具安装在测力计上，将电荷放大器的输入端与测力计的输出端连接，将电荷放大器的输出端与数据采集系统的输入端连接，将数据采集系统的输出端与PC机连接。将工件装夹在机床主轴的刀柄上，机床主轴带动柱状工件旋转，使钻头坐标系和测力计坐标系保持一致。将钻头以对齐测力计坐标系的方式装夹在钻头夹具上，如图2所示，使钻头后主刀面的主切削刃平行于测力计坐标系的XZ平面或YZ平面。
步骤3：对刀后开始钻削并进行钻削力测量，钻削时使用的进给量参数为单齿进给量，采集得到X和Y方向上钻削力随时间t变化的离散数据集为S1＝{(ti,Fxi,Fyi)|i＝1,2,……,M}，其中ti为钻削时间，Fxi为ti时刻时X方向上的钻削力值，Fyi为ti时刻时Y方向上的钻削力值，M为采集样本总数。S1数据结果如图3所示。
步骤4：如图4中的几何关系所示，钻头尖部与Z轴零点之间的距离可表示为
钻头主切削刃与工件上表面的相交点横坐标值可设为r。当钻头还未完全钻削进入工件材料中时，有几何关系为
移项即可得钻削时间与钻削半径之间的映射关系为
需要注意的是，当钻头完全钻削进入工件之后，钻头主切削刃轨迹线不再与工件上表面相交，钻削时间t与钻削半径r不再存在函数映射关系。
代入本实施例中β、f、n的数值，计算得出本实施例中钻削时间t和钻削半径r的对应关系
保留小数点后两位。
步骤5：将钻削时间t与钻削半径r的对应关系代入钻削力随时间t变化的离散数据集S1中，得到X和Y方向上钻削力随半径r变化的离散数据集S2＝{(ri,Fxi,Fyi)|i＝1,2,……,N}，其中ri为ti时刻对应的钻削半径值，N为当钻削半径小于等于刀具半径时，即
时的样本总数。S2数据集的结果如图5所示。
步骤6：将刀具半径值平均分成8段，求出各段钻削力均值数据集
其中
为第j段的X方向上钻削力均值，
为第j段的Y方向上钻削力均值。S3数据集的结果如图6所示。
步骤7：取各段与前一段的钻削力均值数据差值，即为主切削刃各段所受Fxy负载数据
其中
和
为第j段与第j-1段的钻削力均值数据差值。S4数据结果如图7所示。由图7可知，主切削刃越靠近轴心的部位所承受负载越大。此外，远离轴心的主切削刃，其负载的方向显示该部位的材料趋向于被斜向外侧推离刀具。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
钻头仅保留一条完好的切削刃，对钻头的多余切削刃进行磨削，磨削厚度大于单齿进给量；
将测力计固定在机床的工作台上，将钻头夹具安装在测力计上，将电荷放大器的输入端与测力计的输出端连接，将电荷放大器的输出端与数据采集系统的输入端连接，将数据采集系统的输出端与PC机连接；将工件装夹在机床主轴的刀柄上，将钻头以对齐测力计坐标系的方式装夹在钻头夹具上；
对刀后开始钻削并进行钻削力测量，采集得到X方向和Y方向上钻削力随时间t变化的离散数据集；
根据钻头几何参数和钻削参数计算得出，初始钻削阶段钻削时间t和钻削半径r的对应关系；
将钻削时间t与钻削半径r的对应关系代入钻削力随时间t变化的离散数据集中，得到X方向和Y方向上钻削力随半径r变化的离散数据集；
将刀具半径值平均分成k段，求出各段钻削力均值数据集；
取各段与前一段的钻削力均值数据差值，即为主切削刃各段所受Fxy负载数据。
2.根据权利要求1所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，安装钻头和钻头夹具时使钻头的主切削刃平行于测力计坐标系的XZ平面或YZ平面。
3.根据权利要求2所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，钻削时使用的进给量参数为单齿进给量，X方向和Y方向上钻削力随时间变化的离散数据集为S1＝{(ti,Fxi,Fyi)|i＝1,2,……,M}，其中ti为钻削时间，Fxi为ti时刻时X方向上的钻削力值，Fyi为ti时刻时Y方向上的钻削力值，M为采集样本总数。
4.根据权利要求3所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，钻削时间t和钻削半径r的对应关系函数为
其中β为钻头顶角，f为单齿进给量，n为主轴转速，D为钻头直径。
5.根据权利要求4所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，X方向和Y方向上钻削力随半径r变化的离散数据集为S2＝{(ri,Fxi,Fyi)|i＝1,2,……,N}，其中ri为ti时刻对应的钻削半径值，N为当钻削半径小于等于刀具半径时，即
时的样本总数。
6.根据权利要求5所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，各段钻削力均值数据集为
其中
为第j段的X方向上钻削力均值，
为第j段的Y方向上钻削力均值。
7.根据权利要求6所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，主切削刃各段所受Fxy负载数据为
其中
和
为第j段与第j-1段的钻削力均值数据差值。
8.根据权利要求1所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，初始钻削阶段为钻头未完全钻削进工件的阶段。
9.根据权利要求1所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，所述测力计为多分量测力计。
10.根据权利要求1所述的一种测量刀具主切削刃所受负载沿径向分布的方法，其特征在于，所述机床为立式铣床、立式钻床或立式加工中心。
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