CN114918483B - 一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法。该基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，包括以下步骤：一、对拉刀的前角、槽底圆弧半径和后角进行选优。二、进行多齿切屑观测评估。本发明随时观察到切削及切屑过程，实现对整个过程的可控性，直观地观测到切屑型态。使用高速相机可以更加清晰地观测整个切屑过程。此外，本发明设置变切深以及变切速两种切屑方式，可实现对切削过程的可调节，分析刀齿几何尺寸和切削速度对切屑型态的影响。在此基础上，本发明观测及拉刀拉削过程中容屑槽对切屑型态的影响，从而优化拉削刀具几何参数，同时合理设计容屑槽尺寸，减少切屑划伤已加工表面或刀具表面。

Description

一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法

技术领域

本发明属于刀具优化设计技术领域，尤其是一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法。

背景技术

拉削工艺主要用于复杂型面成型加工中，在航空航天核心零部件等领域获得广泛应用。相比其他切削形式，拉削刀具通常采用多齿连续进行切削且整个加工过程中，切屑无法排出容屑槽。因此，若容屑槽尺寸设计不合理，会导致硬化的切屑划伤已加工表面或者刀具表面。现行的拉削刀具设计方法主要还是基于经验参数，但在加工一些难加工材料和高附加值材料时，由于没有经验模型或经验模型不准确，导致所设计的几何尺寸限制了拉削性能。如何直观地观测及分析拉刀拉削过程中容屑槽对切屑型态的影响，进而优化拉削刀具几何参数显得尤为重要。

目前，针对切屑观测有一些较为成熟的测试方法及装置。

如申请专利号为CN201510411894.8的发明专利公开了一种高速切削变形场瞬态测量装置及使用方法，可以连续实时捕捉切削过程中切屑根部显微图像，得到高速切削过程中的切屑根部变形场，能够实现高速切削瞬态变形场的非接触式测量,测量过程安全可靠。如申请专利号CN201710069479.8的发明专利公开了一种超高应变率的金属材料力学性能测试方法，解决了金属在超高应变率范围内的力学性能测试困难的问题,提出了与快速落刀实验相比更简单、可靠也易于实现的高速直角切削方法。建立基于剪切滑移距的高速直角切削模型,表征实验工件的力学性能；采用热导反求法,求得刀屑接触界面温度；最终实现对金属超高应变率下的剪切应力、应变、应变率和变形温度的表征。如申请专利号为CN201911120855.7的发明专利公开了一种单刃正交切削切屑与切屑根部的加工与收集装置不需要采用快速落刀技术就能完成对切屑和切屑根部的收集,通过将片状工件加工成带有细长缝和边缘带有特殊形状的结构,能够保证切屑不至卷曲成团,边缘的特殊结构能够专门用于获得切屑和切屑根部,而且这种特殊形状的结构可以从最终获得的切屑中有效识别出切屑根部,显著降低了切屑样本获取难度和观测难度。如申请专利号为CN202110864165.3的发明专利公开了一种测量切屑变形的方法,能够系统测量切屑的纵收缩系数、横收缩系数和弯曲曲率,特别是提出了一种简易的测量切屑曲率半径的方法，将金属切屑的变形转化为图案的变形,在金属材料表面绘制同心圆形图案,同心圆形的结构简单，更能直观地反映出金属加工切屑的形变，而且更容易测量和计算。

但上述测试方法及装置都无法观测到在拉削过程中的真实切屑型态，也无法进一步评价和优化拉削刀具的几何尺寸。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过实际观测切屑型态，评估切屑曲率半径与刀具几何尺寸、切削参数的相关性，从而寻找满足指定拉削工况的容屑槽最优尺寸的方法；该方法需要用到模块化拉削刀齿切削及切屑观测装置，该装置设置了切屑型态观测窗口，可通过搭配高速相机，实现观测切屑在容屑槽中的成型过程，还可以设置变切深和变切速的切削方式，实现观测和分析刀齿几何尺寸和切削速度对切屑型态的影响；此外，还可以通过在容屑槽堆积切屑状态下的二次切削，实现测试及分析容屑槽的极限性能。

该基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，包括以下步骤：

步骤1、对拉刀的前角γ、槽底圆弧半径r和后角α进行选优。

1-1.设定候选的若干个切削深度h、拉削速度v、前角γ、槽底圆弧半径r和后角α。

1-2.准备各个候选的前角γ对应的候选刀齿；设定拉削进给量为工件长度的1/5，针对各候选刀齿分别进行拉削试验。

拉削试验的过程如下：

以切削深度h、拉削速度v对工件进行拉削；达到预设的拉削进给量后，刀齿立即以3倍的拉削速度v回退到初始位置，使切屑型态保持原状。针对候选的各个切削深度h、拉削速度v的所有组合，仅进行多次重复拉削。

根据拉削试验中的切削力F、拉削后的工件表面粗糙度Ra，构建经验公式如下：

式中，γ₀为前角初始值；α₁，α₂，β₁，β₂，β₃，τ₁，τ₂，τ₃均为拟合系数。

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下；按照切削力F与拉削后的工件表面粗糙度Ra平方和从小到大对不同的前角γ进行排序。

1-3.准备各个候选的槽底圆弧半径r对应的候选刀齿；设定拉削进给量为工件长度的1/2，针对各候选刀齿分别进行拉削试验。

根据拉削试验中的所得切屑的曲率半径均值ρ和长度L，构建经验公式如下：

式中，r₀为槽底圆弧半径的初始值，k₁，k₂，λ₁，λ₂，λ₃，σ₁，σ₂，σ₃为均拟合系数。

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下；按照曲率半径均值ρ和长度L的和从小到大对不同的槽底圆弧半径r进行排序。

1-4.准备各个候选的后角α对应的候选刀齿；设定拉削进给量为工件长度的4/5，针对各候选刀齿分别进行拉削试验。记录拉削试验中每次拉削后产生的切屑的鳞刺生成面积N。

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下；按照鳞刺面积N与切削深度h的比值从小到大对不同的后角α进行排序。

步骤2、进行多齿切屑观测评估

2-1.根据前角γ、槽底圆弧半径r和后角α不同候选值的排序情况，优先排序靠前的若干个前角γ、槽底圆弧半径r和后角α，进行任意组合，得到多种参数不完全相同的候选刀齿。

2-2.针对每种候选刀齿均进行多齿的拉削试验。分别测量每种候选刀齿拉削得到的工件表面的表面粗糙度。表面粗糙度越小，说明候选刀齿的几何参数越优异。

作为优选，步骤2-2中，多齿的拉削试验具体为使用三个相同的刀齿依次排列来进行拉削试验。

作为优选，步骤2执行后，执行步骤3，具体如下：

步骤3、进行多齿变间距测试。

3-1选取多个齿间距的候选值，并以不同的齿间距候选值分别进行多齿的耐用试验。

耐用试验的过程如下：使用多个刀齿持续进行拉削作业，直到刀齿的刃带宽部分，记录拉削次数；拉削作业过程中，工件的被切削面与拉削方向倾斜设置；刀齿在切入工件的位置的切削深度比切出工件的位置的切削深度小5μm。

3-2.按照拉削次数从大到小对不同的齿间距的候选值排序，筛选出最佳的齿间距。

作为优选，步骤3执行后，执行步骤4，具体如下：

步骤4、进行多齿变槽深测试。选取多个容屑槽槽深的候选值，设定拉削进给量为完整拉削工件，针对不同容屑槽槽深的刀齿分别进行多齿的拉削试验。根据不同容屑槽槽深的刀齿加工后工件被加工表面的表面粗糙度和拉削力，确定容屑槽槽深的最优值。

作为优选，该优化方法采用的模块化拉削刀齿切削及切屑观测装置，包括一体化夹具模块、刀齿安装模块、X轴驱动模块、高速相机模块、底座和龙门架。龙门架和X轴驱动模块均安装在底座上。所述的刀齿安装模块安装在X轴驱动模块上，用于安装一个或多个进行性能测试的刀齿。X轴驱动模块用于驱动刀齿安装模块水平移动，实现刀齿的拉削运动。一体化夹具模块安装在龙门架上，且位于X轴驱动模块的正上方，用于装夹被拉削的工件。一体化夹具模块能够调节被拉削工件的高度和角度。

所述刀齿安装模块包括滑移平台、限位压紧块、刀齿安装块、通用底板和三向力传感器。通用底板通过三向力传感器安装在滑移平台上。限位压紧块固定在通用底板上。通用底板上安装有沿滑移平台运动方向依次排列的多个刀齿安装位。刀齿安装位用于安装刀齿安装块。刀齿安装块与刀齿安装位通过螺栓连接，且能够沿滑移平台运动方向调节位置。限位压紧块用于对位于首端的刀齿安装块进行限位。所述的高速相机模块固定在龙门架的侧部，且朝向刀齿安装模块上的刀齿安装块，用于记录拉削的动态过程。

作为优选，所述的龙门架由顶部横梁和两个支座组成。支座由支撑梁和两根立柱组成。两根立柱的底端均与底座固定；两根立柱的顶端与支撑梁的两端分别固定。两个支座上的支撑梁的中部与顶部横梁的两端分别固定。

作为优选，所述的一体化夹具模块包括夹块、角度微调模块、转接板、Z轴精密滑台、气动夹具模块。Z轴精密滑台安装在龙门架上。角度微调模块通过转接板安装在Z轴精密滑台的滑移板上。气动夹具模块安装在角度微调模块的角度调节块上。气动夹具模块采用夹持气缸。夹持气缸的两个夹持部与两个夹持块分别固定。Z轴精密滑台调节工件在竖直方向上的位置。角度微调模块调节工件的角度。

作为优选，所述的X轴驱动模块包括基座、第一端板、第二端板、滑块、导轨、驱动电机和丝杠。第一端板、第二端板分别固定在基座的两端。两根导轨均固定在基座上，且位于第一端板与第二端板之间。两根导轨上均滑动连接有滑块。刀齿安装模块中的滑移平台与各滑块固定。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明随时观察到切削及切屑过程，实现对整个过程的可控性，直观地观测到切屑型态。使用高速相机可以更加清晰地观测整个切屑过程。

2、本发明设置变切深以及变切速两种切屑方式，可实现对切削过程的可调节，分析刀齿几何尺寸和切削速度对切屑型态的影响。

3、本发明观测及拉刀拉削过程中容屑槽对切屑型态的影响，从而优化拉削刀具几何参数，同时合理设计容屑槽尺寸，减少切屑划伤已加工表面或刀具表面。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中一体化夹具模块的结构示意图。

图3为本发明中刀齿安装模块的结构示意图。

图4为本发明中多个刀齿间隔安装的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种模块化拉削刀齿切削及切屑观测装置，包括一体化夹具模块700、刀齿安装模块800、X轴驱动模块、高速相机模块5、底座1和龙门架。龙门架和X轴驱动模块均安装在底座1上。龙门架由顶部横梁6和两个支座组成。支座由支撑梁4和两根立柱3组成。两根立柱3的底端均与底座1固定；两根立柱3的顶端与支撑梁4的两端分别固定。两个支座上的支撑梁4的中部与顶部横梁6的两端分别固定。

如图2所示，一体化夹具模块700包括夹块701、角度微调模块702、转接板703、Z轴精密滑台704、气动夹具模块705。Z轴精密滑台704安装在龙门架上。角度微调模块702通过转接板703安装在Z轴精密滑台704的滑移板上。气动夹具模块705安装在角度微调模块702的角度调节块上。气动夹具模块705采用夹持气缸。夹持气缸的两个夹持部与两个夹持块701分别固定。两个夹持块701用于夹持工件；Z轴精密滑台704调节工件在竖直方向上的位置，从而调节切削深度。角度微调模块702调节工件绕Y轴的角度。

如图3所示，刀齿安装模块800安装在X轴驱动模块上，用于安装一个或多个进行性能测试的刀齿。X轴驱动模块用于驱动刀齿安装模块800水平移动，实现刀齿的拉削运动。一体化夹具模块安装在龙门架上，且位于X轴驱动模块的正上方，用于装夹被拉削的工件。一体化夹具模块能够调节被拉削工件的高度和角度。

所述X轴驱动模块采用丝杠螺母机构配合伺服电机实现横向驱动。X轴驱动模块的滑移平台与刀齿安装模块800之间安装有三向力传感器。X轴驱动模块在安装时通过大理石平台调平，使其安装方向与龙门架保持垂直。

X轴驱动模块包括基座、第一端板2、第二端板9、滑块10、导轨11、驱动电机12和丝杠。第一端板2、第二端板9分别固定在基座的两端。两根导轨均固定在基座上，且位于第一端板2与第二端板9之间。两根导轨11上均滑动连接有滑块10。刀齿安装模块800中的滑移平台801与各滑块10固定。

所述刀齿安装模块800包括滑移平台801、限位压紧块802、刀齿安装块803、通用底板804和三向力传感器805。通用底板804通过三向力传感器805安装在滑移平台801上。限位压紧块802固定在通用底板804上。通用底板804上安装有沿滑移平台801运动方向依次排列的多个刀齿安装位。刀齿安装位用于安装刀齿安装块803。刀齿安装块803与刀齿安装位通过螺栓连接，且能够沿滑移平台801运动方向调节位置。限位压紧块802用于对位于首端的刀齿安装块803进行限位。

高速相机模块5固定在龙门架的侧部，且朝向刀齿安装模块800上的刀齿安装块803，用于记录拉削的动态过程。

利用上述的一种模块化拉削刀齿切削及切屑观测装置进行拉刀几何参数优化的方法，能够根据工件在拉削后的加工参数，确定拉刀的前角、后角、切削槽槽底圆弧半径、槽深、齿间距。该方法包括单齿切屑观测评估阶段、变前后角及槽底圆弧半径的多齿切屑观测评估阶段、变齿间距的多齿切屑观测评估阶段和槽深的多齿切屑观测评估阶段。

该方法的具体步骤如下：

步骤1.单齿切屑观测评估阶段

1-1.预处理及装夹，先将单个刀齿通过螺栓固定到刀齿安装块803上，再通过螺栓将单个刀齿安装块803固定在通用底板804上，在刀齿安装块803紧固前安装限位压紧块，并通过限位压紧块确保安装精度后，再紧固刀齿安装块803；将被切削的试验工件进行打磨和抛光，去除表面的氧化层并使表面光亮后，将试验工件放置于两个夹块之间，启动气动夹具模块使两个夹块相向运动，夹持试验工件；通过对照千分表刻度调整角度微调模块，使试验工件保持水平；启动X轴驱动模块，使刀齿和工件运动到试验初始位置并待机。

1-2.切入阶段表面质量对比分析，预设Z轴下降位移、X轴移动速度和位移，其中，Z轴的位移需确保初始切削深度h为5μm，拉削进给量设定需确保只切削到工件长度的1/5处；调整高速相机模块，使拍摄焦点对准试验工件表面；进行拉削试验，并实时记录切削力数据和切屑形成过程。

拉削试验的过程如下：

X轴驱动模块带动刀齿以预设的切削深度h，拉削速度v和拉削进给量对工件进行拉削；拉削进给量达到预设值时，刀齿立即以3倍的拉削速度v回退到初始位置，使切屑型态保持原状；之后，Z轴位置不变，并取出工件留存。

当试验次数达到预设重复试验次数N后，更新Z轴位置，多次将切削深度增加5μm并重复上述过程，直至最终切削深度h为20μm。

改变X轴移动速度后，再次重复上述过程。其中，拉削速度v分别设定为5m/min，10m/min，30m/min，60m/min。

初选切削前角的变化范围10°至20°，分别选择前角γ＝10°，12°，14°，16°，18°，20°。重复上述试验过程。

以N次重复试验为一个试验步骤单元，经过四个不同切削深度h、四个不同拉削速度v、六个不同前角的试验，共计进行96次试验步骤单元，得到96组切削力均值和表面粗糙度均值数据。

得到不同前角的刀齿在不同工况下的切削力F(γ,h,v)，对保留的试验工件切削后的表面进行粗糙度测量，得到不同工况下切入阶段的工件表面粗糙度Ra(γ,h,v)。切削力F(γ,h,v)和工件表面粗糙度Ra(γ,h,v)均取同一试验步骤单元中N次重复试验的实验结果的均值。

此后，分别拟合粗糙度和切削力的经验公式，

式中，γ、h、v分别为前角、切削深度、拉削速度；γ₀为前角初始值；α₁，α₂，β₁，β₂，β₃，τ₁，τ₂，τ₃均为拟合系数。

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下，基于上述经验公式，以Ra为坐标横轴(X轴)，F为坐标纵轴(Y轴)，代入不同的刀具前角数值后做坐标云图；对刀具前角γ进行排序，越接近坐标轴原点的刀具前角排序越靠前。因为越接近坐标轴原点，意味着切削力越低，切削耗能更少；同时粗糙度越低，切削加工表面质量更好。先优选出不同工况对应的前角排序后，再进行最优前角的适应性优选，即选择综合排序最靠前的为最优前角。

1-3.切中阶段切屑曲率半径对比分析。

X轴的位移设定为切削到工件长度的1/2处时，刀齿立即以3倍的切削速度回退到初始位置，调整高速相机模块的视场，使其能基本覆盖工件表面的被切削区域。

初选槽底圆弧半径r，变化范围如1.5～6mm，分别选择槽底圆弧半径r＝1.5mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm。以四个不同切削深度h、四个不同拉削速度v、六个不同槽底圆弧半径r分别进行拉削试验；四个不同切削深度h、四个不同拉削速度v的取值与步骤1-2相同；取拉削试验后切屑保持完整且与工件主体连接稳定的工件，沿切屑根部分离切屑与工件主体，在显微镜下对各工况下取得的完整切屑进行观察，测得不同槽底圆弧半径的刀齿在不同切削速度下的切屑曲率半径均值ρ(r,h,v)及切屑长度L(r,h,v)，并分别拟合为经验公式，

式中，r为槽底圆弧半径，r₀为槽底圆弧半径的初始值，k₁，k₂，λ₁，λ₂，λ₃，σ₁，σ₂，σ₃为均拟合系数。

再根据下述关系，寻找最优的槽底圆弧半径。

S＝ρ+L

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下，基于上述经验公式，对槽底圆弧半径r进行排序，寻优参数S越接近零的槽底圆弧半径r排序越靠前。切屑曲率半径ρ越小，意味着切屑更卷曲，更容易被拉刀容屑槽所收纳，不易划伤表面；切屑长度L越小，意味着切屑变形更小，变形耗能更少；而两者之和越小，意味着切屑所占体积更小，意味着容屑空间更大。先优选出不同工况对应的槽底圆弧半径排序后，再进行最优槽底圆弧半径的适应性优选，即选择综合排序最靠前的为最优前角。

1-4、切出阶段鳞刺面积对比分析(鳞刺表面与正常切削表面相比会形成类毛刺的微翘起，鳞刺表面边缘与正常切削表面间会有较大的对比度，采用图像处理边缘检测算法获得鳞刺连通域，从而计算鳞刺面积)。

背吃刀量设定为工件长度的4/5；初选切削后角α的变化范围如3°～12°，分别选择后角α＝3°，5°，7°，9°，12°。

以四个不同切削深度h、四个不同拉削速度v、五个不同后角α分别进行拉削试验；四个不同切削深度h、四个不同拉削速度v的取值与步骤1-2相同。

取拉削试验后切屑保持完整且与工件主体连接稳定的工件，沿切屑根部分离切屑与工件主体，在显微镜下对各工况下取得的完整切屑进行观测，测得不同工况下加工得到的切屑上的表面鳞刺生成面积N；以鳞刺面积N和切削深度h的比值，再次对刀齿后角进行排序，比值越接近于零的刀具后角α排序越靠前。因为比值越接近于零，意味着在同样的切削深度下，鳞刺面积更少，加工表面质量更好；或者在同样的鳞刺面积下，切削深度更深，加工效率更高。

步骤2、变前后角及槽底圆弧半径的多齿切屑观测评估阶段

2-1.选择单齿切削观测试验时综合排序为前二的刀具前角γ₁，γ₂、刀具后角α₁，α₂、槽底圆弧半径r₁，r₂值排列组合形成新的平键单齿模块，K₁,……，K₈。对工件进行预处理，并安装三个相同的平键单齿模块。通过螺栓和限位压紧块将第一平键单齿模块固定在通用底板第一凹槽中，第一凹槽相对通用底板最高平面低5μm，安装第二平键单齿模块于通用底板第二凹槽中，第二凹槽相对通用底板最高平面低3μm，安装第三平键单齿模块时于通用底板第三凹槽中，第三凹槽相对通用底板最高平面低2μm。将待切削的试验工件进行打磨和抛光，去除表面的氧化层并使其表面光亮；再将工件放置于两个夹块之间，启动气动夹具模块使得两个夹块相向运动，夹持住工件；通过对照千分表刻度调整角度微调模块，使试验工件保持水平；启动XZ轴精密驱动模块，使刀齿和工件运动到试验初始位置并待机。

2-2.完整切削切屑型态记录，预设Z轴下降位移、X轴移动速度和位移，进给量设定为设定三个刀齿均完全切出工件；切削速度v＝30m/min；调整高速相机，使拍摄焦点对准试验工件表面；启动切削试验，并实时记录切削力数据和切屑形成过程并留存工件。

2-3.对保留的试验工件切削后的表面进行粗糙度测量，得到各平键单齿模块K₁,…，K₈加工出的工件的表面粗糙度Ra(K₁)，……，Ra(K₈)，对工件表面质量进行排序，表面粗糙度Ra(K_i)值越小，说明表面质量越好，刀具组合排序越靠前。i＝1,2,...,8

2-4.改变切削工况后重复上述实验步骤，可分别获得相应工况下的最优刀具参数组合。切削工况包括切削深度、拉削速度和进给量。

步骤3、变齿间距的多齿切屑观测评估阶段

3-1.初选齿间距λ₁＝15mm，λ₁＝20mm，λ₃＝25mm，λ₄＝30mm，调整各平键单齿模块的间距改变单齿模块齿间距，将步骤2获得的最优参数的平键单齿模块用螺栓固定在通用底板。预处理及装夹，夹持工件后，通过调节角度微调模块使得工件切入和切出部分有5μm的高度差，紧固平键单齿模块；启动XZ轴精密驱动模块，使刀齿和工件运动到试验初始位置并待机。

3-2.完整切削切屑型态记录，预设Z轴下降位移、X轴移动速度和位移；其中，Z轴的位移需确保刀齿切入阶段与工件刚好接触，不产生切屑，X轴的位移设定需确保完整切削；调整高速相机，使拍摄焦点对准试验工件表面,其中X轴移动速度v＝30m/min；启动切削试验，并实时记录切削力数据和切屑形成过程；Z轴位置不变，留存切削工件和切屑，其中需显微拍摄切屑在刀齿上的粘附状态。

3-3.更换新工件后，进行重复试验，直至平键单齿模块刃带宽部分完全消失，记试验重复次数为X(λ₁),……,X(λ₃)。通过切削次数判断刀齿耐用度，以此对齿间距λ进行排序，优选最佳加工齿间距。

步骤4、变槽深的多齿切屑观测评估阶段

4-1.选取不同容屑槽槽深L₁＝5mm，L₂＝7mm，L₃＝9mm根据最优刀齿参数制成变槽深平键单齿模块，平键单齿模块根据最佳加工齿间距参数λ安装在变间距通用底板上。通过螺栓和限位压紧块将第一单齿模块固定在通用底板第一凹槽中，第一凹槽相对通用底板最高平面低5μm，安装第二单齿模块于通用底板第二凹槽中，第二凹槽相对通用底板最高平面低3μm，安装第三单齿模块于通用底板第三凹槽中，第三凹槽相对通用底板最高平面低2μm。将待切削的试验工件进行打磨和抛光，去除表面的氧化层并使表面光亮；再将工件放置于两个夹块之间，启动气动夹具模块使得两个夹块相向运动，夹持住工件；通过对照千分表刻度调整角度微调模块，使试验工件保持水平；启动XZ轴精密驱动模块，使刀齿和工件运动到试验初始位置并待机。

4-2.完整切削切屑型态记录，预设Z轴下降位移、X轴移动速度和位移，其中Z轴的位移需确保刀齿切入阶段与工件刚好接触，不产生切屑，X轴的位移设定需确保完整切削；调整高速相机，使拍摄焦点对准试验工件表面,其中X轴移动速度v＝30m/min；取平键单齿试验时曲率半径最小的切屑(实际工况中，大的切屑容易被扫除，但一些小的切屑可能会残留在容屑槽中进入二次切削，影响被加工面表面)，添加至第一、第二、第三单齿模块中，记录填入个数为Y。启动切削试验，并实时记录切削力数据和切屑形成过程；Z轴位置不变，留存切削工件，其中需显微拍摄切屑在刀齿上的粘附状态。

4-3.对保留的试验工件切削后的表面进行粗糙度测量，得到不同槽深平键单齿模块切削后各工件表面质量均值Ra(L₁)，Ra(L₂)，Ra(L₃)，对工件表面质量进行由大到小进行排序，Ra值越小，说明表面质量越好，排序越靠前。再次依据切削时记录的切削力F(L₁)，F(L₂)，F(L₃)进行再次排序，切削力越小排名越靠前，确定最佳容屑槽深L。

步骤5、其他键齿切屑观测方法

将平键刀齿更换为花键齿模块和榫槽齿模块等进行切屑型态分析及评估，具体步骤与前述一致。

Claims (8)

1.一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、对拉刀的前角γ、槽底圆弧半径r和后角α进行选优；

1-1.设定候选的若干个切削深度h、拉削速度v、前角γ、槽底圆弧半径r和后角α；

1-2.准备各个候选的前角γ对应的候选刀齿；设定拉削进给量为工件长度的1/5，针对各候选刀齿分别进行拉削试验；

拉削试验的过程如下：

以切削深度h、拉削速度v对工件进行拉削；达到预设的拉削进给量后，刀齿立即以3倍的拉削速度v回退到初始位置，使切屑型态保持原状；针对候选的各个切削深度h、拉削速度v的所有组合，仅进行多次重复拉削；

根据拉削试验中的切削力F、拉削后的工件表面粗糙度Ra，构建经验公式如下：

式中，γ₀为前角初始值；α₁，α₂，β₁，β₂，β₃，τ₁，τ₂，τ₃均为拟合系数；

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下；按照切削力F与拉削后的工件表面粗糙度Ra平方和从小到大对不同的前角γ进行排序；

1-3.准备各个候选的槽底圆弧半径r对应的候选刀齿；设定拉削进给量为工件长度的1/2，针对各候选刀齿分别进行拉削试验；

根据拉削试验中的所得切屑的曲率半径均值ρ和长度L，构建经验公式如下：

式中，r₀为槽底圆弧半径的初始值，k₁，k₂，λ₁，λ₂，λ₃，σ₁，σ₂，σ₃为均拟合系数；

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下；按照曲率半径均值ρ和长度L的和从小到大对不同的槽底圆弧半径r进行排序；

1-4.准备各个候选的后角α对应的候选刀齿；设定拉削进给量为工件长度的4/5，针对各候选刀齿分别进行拉削试验；记录拉削试验中每次拉削后产生的切屑的鳞刺生成面积N；

在切削深度h、拉削速度v不变的情况下；按照鳞刺面积N与切削深度h的比值从小到大对不同的后角α进行排序；

步骤2、进行多齿切屑观测评估

2-1.根据前角γ、槽底圆弧半径r和后角α不同候选值的排序情况，优先排序靠前的若干个前角γ、槽底圆弧半径r和后角α，进行任意组合，得到多种参数不完全相同的候选刀齿；

2-2.针对每种候选刀齿均进行多齿的拉削试验；分别测量每种候选刀齿拉削得到的工件表面的表面粗糙度；表面粗糙度越小，说明候选刀齿的几何参数越优异。

2.根据权利要求1所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：步骤2-2中，多齿的拉削试验具体为使用三个相同的刀齿依次排列来进行拉削试验。

3.根据权利要求1所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：步骤2执行后，执行步骤3，具体如下：

步骤3、进行多齿变间距测试；

3-1选取多个齿间距的候选值，并以不同的齿间距候选值分别进行多齿的耐用试验；

耐用试验的过程如下：使用多个刀齿持续进行拉削作业，直到刀齿的刃带宽部分，记录拉削次数；拉削作业过程中，工件的被切削面与拉削方向倾斜设置；刀齿在切入工件的位置的切削深度比切出工件的位置的切削深度小5μm；

3-2.按照拉削次数从大到小对不同的齿间距的候选值排序，筛选出最佳的齿间距。

4.根据权利要求1所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：步骤3执行后，执行步骤4，具体如下：

步骤4、进行多齿变槽深测试；选取多个容屑槽槽深的候选值，设定拉削进给量为完整拉削工件，针对不同容屑槽槽深的刀齿分别进行多齿的拉削试验；根据不同容屑槽槽深的刀齿加工后工件被加工表面的表面粗糙度和拉削力，确定容屑槽槽深的最优值。

5.根据权利要求1所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：采用的模块化拉削刀齿切削及切屑观测装置，包括一体化夹具模块(700)、刀齿安装模块(800)、X轴驱动模块、高速相机模块(5)、底座(1)和龙门架；龙门架和X轴驱动模块均安装在底座(1)上；所述的刀齿安装模块(800)安装在X轴驱动模块上，用于安装一个或多个进行性能测试的刀齿；X轴驱动模块用于驱动刀齿安装模块(800)水平移动，实现刀齿的拉削运动；一体化夹具模块安装在龙门架上，且位于X轴驱动模块的正上方，用于装夹被拉削的工件；一体化夹具模块能够调节被拉削工件的高度和角度；

所述刀齿安装模块(800)包括滑移平台(801)、限位压紧块(802)、刀齿安装块(803)、通用底板(804)和三向力传感器(805)；通用底板(804)通过三向力传感器(805)安装在滑移平台(801)上；限位压紧块(802)固定在通用底板(804)上；通用底板(804)上安装有沿滑移平台(801)运动方向依次排列的多个刀齿安装位；刀齿安装位用于安装刀齿安装块(803)；刀齿安装块(803)与刀齿安装位通过螺栓连接，且能够沿滑移平台(801)运动方向调节位置；限位压紧块(802)用于对位于首端的刀齿安装块(803)进行限位；所述的高速相机模块(5)固定在龙门架的侧部，且朝向刀齿安装模块(800)上的刀齿安装块(803)，用于记录拉削的动态过程。

6.根据权利要求5所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：所述的龙门架由顶部横梁(6)和两个支座组成；支座由支撑梁(4)和两根立柱(3)组成；两根立柱(3)的底端均与底座(1)固定；两根立柱(3)的顶端与支撑梁(4)的两端分别固定；两个支座上的支撑梁(4)的中部与顶部横梁(6)的两端分别固定。

7.根据权利要求5所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：所述的一体化夹具模块(700)包括夹块(701)、角度微调模块(702)、转接板(703)、Z轴精密滑台(704)、气动夹具模块(705)；Z轴精密滑台(704)安装在龙门架上；角度微调模块(702)通过转接板(703)安装在Z轴精密滑台(704)的滑移板上；气动夹具模块(705)安装在角度微调模块(702)的角度调节块上；气动夹具模块(705)采用夹持气缸；夹持气缸的两个夹持部与两个夹持块(701)分别固定；Z轴精密滑台(704)调节工件在竖直方向上的位置；角度微调模块(702)调节工件的角度。

8.根据权利要求5所述的一种基于切屑型态观测和评估的拉刀几何参数优化方法，其特征在于：所述的X轴驱动模块包括基座、第一端板(2)、第二端板(9)、滑块(10)、导轨(11)、驱动电机(12)和丝杠；第一端板(2)、第二端板(9)分别固定在基座的两端；两根导轨均固定在基座上，且位于第一端板(2)与第二端板(9)之间；两根导轨(11)上均滑动连接有滑块(10)；刀齿安装模块(800)中的滑移平台(801)与各滑块(10)固定。