CN111753433A - 曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法 - Google Patents

曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，本发明首先通过端面车削实验，对其刀具磨损形式及磨损规律进行研究，发现后刀面上存在的显著主沟槽磨损与副沟槽磨损是限制刀具寿命的因素；然后对比分析球壳车削和端面车削的磨损形式以及刀具运动轨迹，基于主沟槽磨损与副沟槽磨损理论位置的移动建立球壳车削时后刀面磨损带形成机制的数学模型。本发明建立的数学模型可解释了曲面切削时后刀面磨损带形成机制，还可判定刀具的磨损区域范围和最大磨损区，这对于曲面车削过程中刀具刃口退化规律及机制的研究具有理论指导意义，并将潜在地对于研究刀具磨损对于曲面几何轮廓精度的影响奠定基础。

Description

曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法
技术领域
本发明涉及刀具磨损领域，具体涉及曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法。
背景技术
大量复杂曲面零件广泛应用于能源、动力、航空航天、国防军工等领域中，而加工由典型的高塑性、高韧性材料(如高温合金、低碳钢、纯铁等材料)制成的曲面零件时，加工硬化严重、切削变形大、刀-屑和刀-工接触区域摩擦剧烈、极易形成积屑瘤，从而导致严重的刀具磨损。
快速的刀具磨损降低了产品的制造精度，因此有必要针对此类零件加工过程中刀具磨损形式、磨损规律以及磨损机理展开研究，这将对于提高零件加工精度和表面质量具有重要意义。
大量实验研究表明切削此类材料一个典型刀具磨损特征是后刀面上的沟槽磨损。Brandt G等切削镍基合金718时主、副切削刃上都存在沟槽磨损，Bushlya等也发现主切削刃上切削深度处的主沟槽和以及副切削刃副沟槽，认为刀工接触边界高的应力梯度和温度梯度以及切削毛刺导致主沟槽磨损，已加工表面上的侧向流动和塑性流动增加工件表面粗糙度，导致刀具与工件接触摩擦加剧，从而导致副切削刃上副沟槽磨损产生。孔金星等切削纯铁材料也在刀工接触边界发现了主沟槽磨损和副沟槽磨损，并对其形成机理展开分析。上述均是针对高韧性和高塑性材料外圆车削时的刀具磨损加以研究，结果都发现了显著的沟槽磨损存在。但鲜有对于关于曲面车削过程中刀具磨损展开研究。于是，需在对车削端面时沟槽磨损研究的基础上，根据刀具运动轨迹，研究曲面车削时后刀面磨损形成机制。
发明内容
本发明的目的在于提供曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，通过本发明所构建的模型能够解释车削曲面时后刀面磨损带形成机制以及预测刀具的磨损区域范围和最大磨损区域。
本发明通过下述技术方案实现：
曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，包括以下步骤：
S1、进行端面车削实验，超景深显微镜观测端面车削的刀具磨损形式，获得刀具磨损形式为主沟槽磨损、副沟槽磨损和平均后刀面磨损的磨损，并获得主沟槽磨损、副沟槽磨损和平均后刀面磨损的磨损演化规律；
S2、采用与端面车削的相同切削参数进行球壳车削试验，对比分析球壳车削与端面车削刀具的移动轨迹，将球壳车削可等效为由无数个端面车削组成；
S3、以球壳球心为O'点，机床主轴方向为X'轴，垂直于机床主轴方向为Y'轴建立X'O'Y'坐标系，以刀具刀尖圆弧圆心为O点，平行于X'轴方向为X轴，平行于Y'为Y轴建立XOY坐标系，依据球壳车削试验中具体的刀具参数、工件参数、切削参数分别建立主沟槽与副沟槽位置的移动轨迹模型；
S4、基于主沟槽的移动轨迹模型和副沟槽的移动轨迹模型获得刀具后刀面磨损区域移动模型。
通过本发明所构建的模型能够解释车削曲面时后刀面磨损带形成机制以及预测刀具的磨损区域范围和最大磨损区域，还对于曲面车削过程中刀具刃口退化规律及机制的研究具有理论指导意义，并将潜在地对于研究刀具磨损对于曲面几何轮廓精度的影响奠定基础。
进一步地，步骤S3所述刀具参数为刀尖圆弧半径。
进一步地，步骤S3所述工件参数为球壳外圆轮廓半径。
进一步地，步骤S3所述切削参数为切削深度、进给量。
进一步地，刀具后刀面磨损区域移动模型适用于高塑性、高韧性材料制成的曲面零件。
进一步地，高塑性、高韧性材料为高温合金、低碳钢或纯铁。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过本发明所构建的模型能够解释车削曲面时后刀面磨损带形成机制以及预测刀具的磨损区域范围和最大磨损区域，还对于曲面车削过程中刀具刃口退化规律及机制的研究具有理论指导意义，并将潜在地对于研究刀具磨损对于曲面几何轮廓精度的影响奠定基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1端面车削的刀具磨损形貌图；
图2为端面车削磨损表征量的刀具磨损规律图；
图3为球壳车削的刀具磨损形貌图；
图4为端面车削和球壳车削的原理示意图；
图5为求解主、副沟槽理论位置移动模型的坐标图；
图6为主沟槽与副沟槽理论位置的移动轨迹图；
图7为球壳车削和端面车削的后刀面磨损量对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
以车削纯铁端面和纯铁球壳时的硬质合金刀具磨损为研究对象，建立车球壳车削的磨损区域移动模型，包括以下步骤：
工件材料是直径为160mm、厚度为20mm的纯铁圆盘和半径为100mm、壁厚为10mm的纯铁球壳，切削参数：主轴转速为200r/min、进给量为0.08mm/r、切削深度为0.1mm，硬质合金型号为DCGT11T302 HP KC5010。用硬质合金按上述参数切削纯铁端面，用一把新刀具每切削两次纯铁端面后，再利用超景深显微镜观测刀具后刀面磨损形貌图，如图1所示。根据磨损形貌以主沟槽磨损量、副沟槽磨损量和平均后刀面磨损量来表征刀具磨损程度，并且获得了主沟槽磨损、副沟槽磨损和平均后刀面磨损随时间的演化规律，如图2所示。从图1,2可看出主沟槽磨损和副沟槽磨损都大于平均后刀面磨损，故车削纯铁端面时主沟槽磨损和副沟槽决定刀具寿命。由大量关于沟槽磨损的试验研究可知主沟槽磨损与副沟槽磨损发生在刀具与工件的接触边界处，主沟槽发生于主切削刃上，而副沟槽发生于副切削刃上。
以相同切削参数来进行球壳车削试验，获得刀具磨损形貌，如图3所示。车削纯铁球壳时严重的沟槽磨损消失，在后刀面仅形成磨损带。端面车削中刀具进给方向是直线运动，曲面车削中刀具进给方向是曲线运动。切削端面时刀具与工件接触位置并未发生改变，而切削球壳过程中由于刀具的曲线移动，刀具参与切削的位置发生了改变。正如图4所示，端面车削时刀具上的A点和B点始终在固定位置参与切削，而球壳车削时刀具上的C点和D点位置不断发生移动。在每转进给量内接触区域是不变的，于是可将球壳车削可等效为由无数个端面车削组成。因此，可推测球壳车削时主沟槽磨损与副沟槽磨损必将随着刀具的移动而不断沿着刀具后刀面磨损。
为求解主沟槽与副沟槽的移动数学模型，建立为求解主、副沟槽理论位置移动模型的坐标图，如图5所示，其中刀-工接触边界的M点和N点分别是主、副沟槽理论发生位置。
首先求解主沟槽理论位置，即M点的位置：
xoy坐标系与x′o′y′坐标系之间的坐标变换公式：
Figure BDA0002568631650000031
其中，r0为刀尖圆弧半径，R为走一刀半径为R1球壳初始外圆后球壳半径，θ为过刀尖圆弧圆心和球壳球心的直线与X'轴的夹角。
半径为R1球壳初始外圆和半径为r0为刀尖圆弧在xoy坐标系中的方程：
Figure BDA0002568631650000041
Figure BDA0002568631650000042
联立方程(2)与(3)，取其中有效一解得：
Figure BDA0002568631650000043
其中
Figure BDA0002568631650000044
(x1,y1)即为在xoy坐标系中主沟槽磨损的理论位置，可知主沟槽位置随着切削位置θ改变的变化情况。
其次求解副沟槽理论位置，即N点的位置：
在x′o′y′坐标系中，刀尖圆弧方程：
Figure BDA0002568631650000045
过两个刀尖圆弧相交点N与坐标原点的直线在x′o′y′坐标系中的方程为：
Figure BDA0002568631650000046
联立方程(5)与(6)，并结合式(7)得
Figure BDA0002568631650000047
Figure BDA0002568631650000048
(x′,y′)即为在x′o′y′坐标系中副沟槽磨损的理论位置，为简化方程，令
Figure BDA0002568631650000049
将其带入x′,y′中得
Figure BDA00025686316500000410
根据公式(1)坐标变换，在xoy坐标系中主沟槽理论位置为：
Figure BDA0002568631650000051
(x,y)即为在xoy坐标系中副沟槽磨损的理论位置
主沟槽和副沟槽位于刀-工接触边界，主、副沟槽之间的后刀面磨损区域是平均后刀面磨损带区，平均后刀面磨损带也随着主沟槽与副沟槽的位置移动。主沟槽与副沟槽磨损理论位置方程和相关参数(r0＝0.2mm；R1＝100mm；R＝99.9mm)输入MATLAB中，得到主沟槽与副沟槽的移动情况直观图，如图6所示。从图6中可看出主沟槽与副沟槽有重叠区域，而由端面车削可知主沟槽磨损与副沟槽磨损是导致刀具失效的主要因素，且主沟槽与副沟槽之间的后刀面磨损也在此处重叠，故此重叠区域即为车削球壳时的硬质合金刀具最大磨损区域。图7中可看到测量车削后刀面磨损量大于车削端面的平均后刀面磨损量，这表明沟槽磨损必然参与了车削球壳的磨损带形成，且图4也可看出磨损带中间部位磨损量稍大。故此模型与实际的刀具磨损基本吻合，证明了此模型的正确性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行端面车削实验，超景深显微镜观测端面车削的刀具磨损形式，获得刀具磨损形式为主沟槽磨损、副沟槽磨损和平均后刀面磨损的磨损，并获得主沟槽磨损、副沟槽磨损和平均后刀面磨损的磨损演化规律；
S2、采用与端面车削的相同切削参数进行球壳车削试验，对比分析球壳车削与端面车削刀具的移动轨迹，将球壳车削可等效为由无数个端面车削组成；
S3、以球壳球心为O'点，机床主轴方向为X'轴，垂直于机床主轴方向为Y'轴建立X'O'Y'坐标系，以刀具刀尖圆弧圆心为O点，平行于X'轴方向为X轴，平行于Y'为Y轴建立XOY坐标系，依据球壳车削试验中具体的刀具参数、工件参数、切削参数分别建立主沟槽与副沟槽位置的移动轨迹模型；
S4、基于主沟槽的移动轨迹模型和副沟槽的移动轨迹模型获得刀具后刀面磨损区域移动模型。
2.根据权利要求1所述的曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，其特征在于，步骤S3所述刀具参数为刀尖圆弧半径。
3.根据权利要求1所述的曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，其特征在于，步骤S3所述工件参数为球壳外圆轮廓半径。
4.根据权利要求1所述的曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，其特征在于，步骤S3所述切削参数为切削深度、进给量。
5.根据权利要求1-4任一项所述的曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，其特征在于，所述刀具后刀面磨损区域移动模型适用于高塑性、高韧性材料制成的曲面零件。
6.根据权利要求5所述的曲面车削过程中刀具后刀面磨损区域移动模型的构建方法，其特征在于，所述高塑性、高韧性材料为高温合金、低碳钢或纯铁。
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