CN112720062B - 一种测量微钻各部分载荷分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量微钻各部分载荷分布的方法，属于钻削加工中的切削力测量领域。本发明方法为：第一步：将实验钻刀分为两类，一种是完好刀具，一种是磨削掉一条主切削刃的刀具，磨削厚度不小于主切削刃每转进给量；第二步：搭建钻削测力系统，并对其校正；第三步：测量两类钻刀的轴向推力，计算钻尖的载荷分布，分析进给量对钻尖各部分的影响程度，用于改善工艺参数；第四步：测量两类钻刀在磨损状态下的轴向推力，按照第三步的方法计算载荷分布；第五步：计算两类钻刀在磨损状态下的犁耕载荷分布和所占比重，从而分析刀具磨损度对钻削工艺质量的影响以及需要采取的解决措施。

Description

一种测量微钻各部分载荷分布的方法

技术领域

本发明涉及一种测量微钻各部分载荷分布的方法，属于钻削加工中的切削力测量领域。

背景技术

传统钻削刀具的切削刃是呈微小的圆弧刃，在切削过程中往往被忽略，而微钻刀具的钻削尺寸在毫米级甚至微米级，使得工具小型化，尤其是刀具连续加工后的磨损使圆刃半径增大，那么圆刃结构就应当被考虑。

传统的钻削力测量都是对整个刀具总的推力测量，是轴向的切削力与犁耕力的叠加。而刀具分为主切削刃和横刃，每部分的推力无法测量，更没法求解出两部分的犁耕力，难以揭示两部分切削刃的磨损程度。

切削刃半径的存在使刀具并非完全切削，呈现犁耕效应的挤压状态，工件发生弹性变形，这在微钻中尤其明显。随着刀具磨损造成的切削刃半径增大，犁耕力也随之增加，大量的弹性形变会增加工件表面的毛刺，不利于切削工艺的成形。因此，在微钻工艺方面，通过对犁耕力的测量，研究刀具磨损与犁耕力的对应关系，评价刀具连续加工时的磨损变化，确定刀具的保养条件，对指导微钻工艺具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量微钻各部分载荷分布的方法，该方法可以测量钻尖两部分连续作业时的受力情况，间接计算出犁耕力，建立刀刃磨损与犁耕力的映射关系，从而求解出犁耕力与刀具磨损量的解析模型，对于磨损的刀具进行全生命周期的评价，那么当犁耕力达到一定范围时，就需要对微钻刀具进行维修保养，以维持刀具的工艺质量，保障工件的加工精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种测量微钻各部分载荷分布的方法，包括如下步骤：

步骤一、两把锋利的微钻刀具，记为刀具1和刀具2。将刀具2的一条主切削刃进行磨削，磨削的厚度不小于

f为刀具进给量，

为刀具的外刃半角，使得所述磨削部分不会切削工件，横刃和另一条主切削刃保持完整。两刀具的其余尺寸参数均相同。

步骤二、微钻刀具安装在刀具夹具上，刀具夹具与机床主轴相连接；将测力仪固定在机床工作台上，工装安装在测力仪上，工装将工件两头固定；测力仪连接数据采集系统，数据采集系统与PC机相连。

步骤三、锋利刀具钻削实验。

3.1刀具1对工件进行钻削，测力计的受力平面垂直于机床的主轴。测力计从刀具钻削开始时刻进行采集，到刀具主切削刃完全钻入工件时采集停止，总的采集次数为m。根据进给量确定的刀具运动轨迹，得到整个刀具1的推力随时间的变化数据集，记为：

F₁(t_i)＝{F_1i|i＝1,2,······,m} (1)

F_1i为第i次测量的刀具1推力；

3.2刀具2对工件进行钻削，测力计的受力平面依然垂直于机床的主轴。由于刀具2只有一条主切削刃，每转进给量只有刀具1的一半，故钻削时间翻倍，采集次数为2m。根据进给量确定的刀具运动轨迹，得到刀具2沿切削方向的推力随时间的变化数据集，记为：

F₂(t_i)＝{F_2i|i＝1,2,······,2m} (2)

F_2i为第i次测量的刀具2推力；

3.3刀具的推力是横刃推力和主切削刃轴向推力之和，3.2部分测出了一条主切削刃和横刃的刀具轴向推力，3.1部分则测出了总推力，则每条主切削刃沿切削方向的推力随时间的变化数据集为：

F_mi为第i次测量的主切削刃推力；

横刃推力随时间的变化数据集：

F_c(t_i)＝2F₂(t_2i)-F₁(t_i)＝{F_ci|i＝1,2,······,m} (4)

F_ci为第i次测量的横刃推力；

3.4刀具的直径为D，横刃直径为D_c，主轴转速为n，每转进给量为f，那么刀具1的总钻削时间

分别将刀具1和刀具2的一条主切削刃均等分成n₁份，则总切削时间同样等分成n₁份，每等份时间内会有多个数据，取数据均值作为该时间段在切削方向上的推力。则主切削刃上第j段的切削载荷为第j时间段与第j-1时间段的数据之差，主切削刃上每段的切削载荷数据集表示如下：

为主切削刃上第j段的切削载荷；

将横刃同样等分成n₂份，由于每段的载荷是等同的，那么横刃的切削载荷分布为：

步骤四、磨损刀具钻削实验。

锋利的微钻的切削刃半径只有几微米，可看作是完全切削状态，切削工件时只产生塑性变形。但是当刀具磨损后，切削刃半径变大就导致了弹性变形，产生犁耕现象，故磨损刀具各段的载荷是切削载荷与犁耕载荷的叠加。

刀具在工件上重复进行钻削作业，钻削固定深度后，重复步骤三，得到磨损后微钻各部分的载荷分布。所以刀具1和刀具2主切削刃与横刃磨损后的载荷分布集为ΔF′_m(j)和ΔF′_c(j)。

步骤五、刀具犁耕负载计算

由步骤四可知，磨损刀具各部分的载荷是切削载荷和犁耕载荷的叠加，那么根据锋利刀具和磨损刀具的钻削实验产生的数据集，计算出刀具1和刀具2磨损后的主切削刃与横刃的犁耕载荷数据集为F_mp(j)＝ΔF′_m(j)-ΔF_m(j)和F_cp(j)＝ΔF′_c(j)-ΔF_c(j)。

有益效果

1.本发明只采集刀具开始钻削至钻尖完全钻入的推力，不必考虑钻削全过程。只需通过两种刀具的对比便可定量计算出钻尖两部分的负载分布，再结合不同切削参数下两种刀具的钻削实验，可探究主切削刃和横刃的负载变化，有助于优化刀具的工艺参数和几何结构。

2.本发明能根据刀具连续作业后切削力的变化，定量计算出刀具作业时各部分产生的犁耕力。可根据犁耕力在总负载中所占比例，分析出刀具各部分的磨损状况，评价刀具在连续作业中的磨损度，提高刀具的切削性能，改善钻削工艺质量。

附图说明

图1为本发明实例中钻削测力系统的结构图；

图2为本发明实例中工件-工装示意图；

图3为本发明实例中刀具切削示意图；

图4为本发明实例中锋利一类刀具的推力时变图；

图5为本发明实例中锋利二类刀具的推力时变图；

图6为本发明实例中锋利刀具主切削刃推力时变图；

图7为本发明实例中锋利刀具横刃推力时变图；

图8为本发明实例中锋利刀具载荷分布图；其中，图8(a)为主切削刃载荷分布；图8(b)为横刃载荷分布；

图9为本发明实例中钻削深度为5mm时磨损刀具各段载荷分布图；其中，图9(a)为主切削刃载荷分布；图9(b)为横刃载荷分布；

图10为本发明实例中钻削深度为5mm时磨损刀具各段犁耕载荷占比图；其中，图10(a)为主切削刃犁耕载荷占比；图10(b)为横刃犁耕载荷占比；

图11为本发明实例中钻削深度为10mm时磨损刀具各段犁耕载荷占比图；其中，图a为主切削刃犁耕载荷占比；图b为横刃犁耕载荷占比；

图12为本发明实例中钻削深度为20mm时磨损刀具各段犁耕载荷占比图；其中，图a为主切削刃犁耕载荷占比；图b为横刃犁耕载荷占比；

图13为本发明实例中钻削深度为30mm时磨损刀具各段犁耕载荷占比图；其中，图a为主切削刃犁耕载荷占比；图b为横刃犁耕载荷占比。

图中：1-机床主轴，2-刀具夹具，3-刀具，4-工件，5-工装，6-测力仪，7-锥子，8-工作台，9-数据采集器，10-PC机，11-工装底座，12-六角螺栓。

具体实施方式

为了更好的解释本发明的解决问题，下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明的钻削测力系统包括：立式机床主轴1，刀具夹具2，直径1mm的微细钻头3，2mm厚的工件4，工装5，Kistler 9257B测力仪6，固定测力仪的锥子7，机床工作台8，数据采集器9，PC机10，工装底座11，六角螺栓12。

本实例中使用的微细钻具为直柄双刃通用钻头，刀具参数如表1所示。一共准备六把刀具，分为A、B、C三组，每组两把刀具，分别编号为A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂。设定机床主轴转速n为6000r/min，三组实验中，进给量分别为f(A₁)＝0.01mm/r、f(B₁)＝0.015mm/r和f(C₁)＝0.02mm/r。

表1刀具参数

采用图1所示钻削测力系统，测量刀具主切削刃和横刃所受负载沿切削方向的分布，步骤如下：

步骤一：将刀具A₂、B₂和C₂用砂轮进行磨削，磨削的部位是刀具的一条主切削刃，其余不变，磨削的厚度不小于

使该条主切削刃始终处于空转状态，保证其在切削方向上不受力。这样实验分为两种刀具，设定A₁、B₁和C₁为一类刀具，A₂、B₂和C₂为二类刀具，所以二类刀具对应的进给量为0.005mm/r、0.0075mm/r和0.01mm/r。

步骤二：如图1所示，钻削测力系统搭建：首先将测力仪6与工装底座11以六角螺栓12安装在一起，用锥子7固定在机床工作台8上；然后用工装5将工件4的两端平面固定，如图2所示；之后用夹具2将刀具3固定在机床主轴1上；最后对刀具定心。由于工件左右两端装有夹具，刀尖圆珠分别接触夹具平面a和b，再减去与工件左右端面c和d的距离5mm，即实现X轴定心。而Y轴定心通过刀尖圆珠接触工件上下两顶点实现。

步骤三：系统完成定心后，设定切削参数，刀具开始钻削工件，测力仪6对各刀具的推力进行测量，数据采集器9采集推力数据，显示在PC机10上。切削过程如图3所示，刀具横刃接触工件开始切削，到主切削刃完全切入工件为止，总切削时间为t，则切削深度为fnt/30。根据刀具的几何结构可以计算出总切削时间为

将实例中的参数

f、n、D和D_c代入，得到三组实验中一类刀具的切削时间为：

由于按照三种不同的进给量进行钻削实验，每类刀具的推力均有三个数据集，分别记为F₁ ^A(t_i)、F₁ ^B(t_i)、F₁ ^C(t_i)和F₂ ^A(t_i)、F₂ ^B(t_i)、F₂ ^C(t_i)。将同类数据集整合后得到一类刀具的推力时变离散数据集S₁＝{F₁ ^A(t_i),F₁ ^B(t_i),F₁ ^C(t_i)|i＝1,2,···,m}和二类刀具的推力时变离散数据集S₂＝{F₂ ^A(t_i),F₂ ^B(t_i),F₂ ^C(t_i)|i＝1,2,···,2m}。由于二类刀具只有一条主切削刃，进给量是一类刀具的一半，因此两类刀具的采集样本数是m和2m。将两类刀具的数据拟合后得到推力时变图，如图4和5所示。结合式(3)和(4)，求解出主切削刃和横刃的时变规律，如图6和7所示。由图可知，随着进给量增大，刀具的推力逐渐增大，主要体现在主切削刃上，而横刃的推力较小。因此，对于微细钻刀的设计，可适当增加横刃的宽度，以此减小切削过程中的推力。

单侧主切削刃的径向长度为0.2mm，将其等分成5份，则图6中各曲线也被等分成5份，每份对应的单位切削时间为0.2t_A、0.2t_B和0.2t_C。将各单位切削时间内的载荷取均值，则主切削刃上第j段的切削载荷为第j个单位切削时间与第j-1个单位切削时间的数据之差。如图8(a)所示。随着主切削刃的不断切入，每段所受载荷呈现增大的趋势。

横刃直径为0.6mm，将其等分成15份，总载荷为图7中各数据的均值，将均值等分成15份，即为每等份的载荷，如图8(b)所示。可见进给量的增加对其整体影响不大。

步骤四：刀具钻削5mm的深度，视为已磨损。此时按照步骤三的方法测量并计算磨损后刀具各段的载荷分布，如图9所示。

步骤五：随着刀具的磨损，钻削实验中既有钻削力产生的塑性变形，也有犁耕力产生的弹性变形，产生的载荷是钻削力与犁耕力之和，而锋利刀具实验的载荷只有钻削力，所以由图8的锋利刀具载荷分布和图9的磨损刀具载荷分布，可计算出磨损刀具的犁耕载荷分布，进而求出犁耕载荷在总载荷中的占比，如图10所示。

由图10可知，随着刀具切削深度的不断增加，磨损量越来越大，而且犁耕力的变化量呈现增大的趋势，影响钻孔表面完整性。当钻削深度为5mm时，主切削刃和横刃的犁耕载荷均不超过10％，故无需对刀具进行保养和维修。

步骤六：钻削深度越深，刀具的磨损量越大，重复步骤四和步骤五，分别计算出钻削深度为10mm、20mm和30mm时，磨损刀具的犁耕载荷在总载荷中的占比，如图11、图12和图13所示。

由图11可知，当钻削深度为10mm时，主切削刃第一段的犁耕载荷超过10％，其余部分尚处在较低水平，故需对主切削刃底部进行保养和维修。

由图12可知，当钻削深度为20mm时，主切削刃各段的犁耕载荷大部分超过10％，横刃部分尚处在较低水平，故需对整个主切削刃进行保养和维修。

由图13可知，当钻削深度为30mm时，主切削刃和横刃各段的犁耕载荷大部分超过10％，故需对整个刀具进行保养和维修。

以上实例仅表明本发明的一种实施方式，所述的微细钻刀适用于钻削直径为0.7～3mm的细小孔。实例只测量了三种不同进给量和四种切削深度的磨损刀具载荷分布，而实际测量范围可以更多，测得的样本越多，越能反应加工参数和刀具磨损度对钻削工艺质量的影响。在本发明构思的框架下，做出的改进措施，都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种测量微钻各部分载荷分布的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、两把锋利的微钻刀具，记为刀具1和刀具2；将刀具2的一条主切削刃进行磨削，磨削的厚度不小于

f为刀具进给量，

为刀具的外刃半角，使得所述磨削部分不会切削工件，横刃和另一条主切削刃保持完整；两刀具的其余尺寸参数均相同；

步骤二、微钻刀具安装在刀具夹具上，刀具夹具与机床主轴相连接；将测力仪固定在机床工作台上，工装安装在测力仪上，工装将工件两头固定；测力仪连接数据采集系统，数据采集系统与PC机相连；

步骤三、锋利刀具钻削实验；

3.1刀具1对工件进行钻削，测力计的受力平面垂直于机床的主轴；测力计从刀具钻削开始时刻进行采集，到刀具主切削刃完全钻入工件时采集停止，总的采集次数为m；根据进给量确定的刀具运动轨迹，得到整个刀具1的推力随时间的变化数据集，记为：

F₁(t_i)＝{F_1i|i＝1,2,······,m} (1)

F_1i为第i次测量的刀具1推力；

3.2刀具2对工件进行钻削，测力计的受力平面依然垂直于机床的主轴；由于刀具2只有一条主切削刃，每转进给量只有刀具1的一半，故钻削时间翻倍，采集次数为2m；根据进给量确定的刀具运动轨迹，得到刀具2沿切削方向的推力随时间的变化数据集，记为：

F₂(t_i)＝{F_2i|i＝1,2,······,2m} (2)

F_2i为第i次测量的刀具2推力；

3.3刀具的推力是横刃推力和主切削刃轴向推力之和，3.2部分测出了一条主切削刃和横刃的刀具轴向推力，3.1部分则测出了总推力，则每条主切削刃沿切削方向的推力随时间的变化数据集为：

F_mi为第i次测量的主切削刃推力；

横刃推力随时间的变化数据集：

F_c(t_i)＝2F₂(t_2i)-F₁(t_i)＝{F_ci|i＝1,2,······,m} (4)

F_ci为第i次测量的横刃推力；

3.4刀具的直径为D，横刃直径为D_c，主轴转速为n，每转进给量为f，那么刀具1的总钻削时间

分别将刀具1和刀具2的一条主切削刃均等分成n₁份，则总切削时间同样等分成n₁份，每等份时间内会有多个数据，取数据均值作为该时间段在切削方向上的推力；则主切削刃上第j段的切削载荷为第j时间段与第j-1时间段的数据之差，主切削刃上每段的切削载荷数据集表示如下：

为主切削刃上第j段的切削载荷；

将横刃同样等分成n₂份，由于每段的载荷是等同的，那么横刃的切削载荷分布为：

步骤四、磨损刀具钻削实验；

锋利的微钻的切削刃半径只有几微米，可看作是完全切削状态，切削工件时只产生塑性变形；但是当刀具磨损后，切削刃半径变大就导致了弹性变形，产生犁耕现象，故磨损刀具各段的载荷是切削载荷与犁耕载荷的叠加；

刀具在工件上重复进行钻削作业，钻削固定深度后，重复步骤三，得到磨损后微钻各部分的载荷分布；所以刀具1和刀具2主切削刃与横刃磨损后的载荷分布集为ΔF′_m(j)和ΔF′_c(j)；

步骤五、刀具犁耕负载计算

由步骤四可知，磨损刀具各部分的载荷是切削载荷和犁耕载荷的叠加，那么根据锋利刀具和磨损刀具的钻削实验产生的数据集，计算出刀具1和刀具2磨损后的主切削刃与横刃的犁耕载荷数据集为F_mp(j)＝ΔF′_m(j)-ΔF_m(j)和F_cp(j)＝ΔF′_c(j)-ΔF_c(j)；

步骤六、根据步骤五所得的计算两类钻刀在磨损状态下的犁耕载荷分布和所占比重，分析刀具磨损度对钻削工艺质量的影响以及需要采取的解决措施。

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