一種振動作用下的高速銑刀刀齒磨損差異性檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種高速銑刀磨損的檢測方法，具體涉及一種振動作用下的高速銑刀 刀齒磨損差異性檢測方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 高速銑削過程中，斷續(xù)載荷沖擊作用下的受迫振動初期磨損差異性影響著刀具的 受力狀態(tài)。實際加工中，刀具磨損劇烈、刀具振動明顯、已加工表面質(zhì)量不高、刀具破損嚴(yán) 重、刀具使用效率與使用壽命下降等問題比較普遍，這嚴(yán)重增加了銑刀失效的不確定性，并 制約了銑刀的安全性以及高效銑削在重要零部件加工等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0003] 與普通銑削不同，高效銑削采用的切削參數(shù)一般比較大，而由此帶來的后果是刀 具磨損迅速，甚至容易出現(xiàn)微崩刃、破損的情況，可見，刀具磨損是影響切削過程的重要因 素之一，高速切削過程中刀具磨損行為是多因素綜合作用的結(jié)果。在此條件下，進行大型曲 面高速、高效切削加工，其后果是銑刀超期服役，安全可靠性迅速下降，不僅無法保證加工 精度和加工表面質(zhì)量，而且直接導(dǎo)致銑刀失效，引發(fā)多種安全性問題，已有研究表明，伴隨 高速、激烈摩擦而產(chǎn)生的刀具磨損，其形態(tài)及形成機理不僅與摩擦副化學(xué)、物理、機械性能 相關(guān)，而且與振動引起的摩擦副變化密切相關(guān)。
[0004] 銑刀高速切入工件材料時將使整個系統(tǒng)受到強烈沖擊，由于銑削力和離心力的作 用銑刀處于一種受迫振動狀態(tài)。受迫振動將改變銑刀的整體位移，由于銑刀整體對各刀齒 切削刃的影響存在差異性，導(dǎo)致各刀齒的位移增量不同，改變了銑刀各刀齒與工件的接觸 關(guān)系，銑刀各刀齒的接觸應(yīng)力大小、分布特性發(fā)生變化，產(chǎn)生受迫振動初期刀具磨損差異 性。同時現(xiàn)場調(diào)查表明，由于多齒銑刀換刀片時多采用各個刀齒刀片同時更換的方式，刀齒 差異磨損造成了現(xiàn)場約有11%的刀片存在切削刃未被完全使用的現(xiàn)象，這將不利于縮短工 件的加工周期和成本的降低，增加預(yù)期的生產(chǎn)成本。
[0005] 高速面銑刀在銑削過程中，刀齒磨損差異問題使得刀齒之間的受力狀態(tài)發(fā)生變 化，增大切削載荷波動，刀齒受振動影響其摩擦接觸狀態(tài)發(fā)生改變，振動對各個刀齒影響的 差異性造成振動作用下各刀齒的摩擦接觸狀態(tài)不同，各刀齒在切削周期內(nèi)摩擦接觸點位置 和摩擦點的摩擦速度差異性，最終導(dǎo)致了后刀面磨損寬度的差異性。
[0006] 已有的降低銑刀振動磨損方法是通過考慮切削參數(shù)等外在因素，以降低銑刀振動 為手段來達到抑制單個刀齒的磨損的目的。這種方法是通過減小切削參數(shù)，以降低生產(chǎn)效 率為代價達到抑制刀齒磨損的目的，并且，僅是解決單個刀齒的磨損問題，沒有考慮多個刀 齒磨損差異性問題，不能實現(xiàn)多個刀齒磨損的協(xié)同控制，無法解決多個刀齒磨損不均勻?qū)?致銑刀使用壽命縮短的問題。已有的研究沒有揭示振動對刀工接觸關(guān)系的具體影響機制， 缺乏安全性原型刀具的研究，需要彌補銑刀宏觀結(jié)構(gòu)安全可靠設(shè)計上的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 本發(fā)明針對高速銑刀銑削過程中存在的刀齒后刀面磨損差異性問題，提供了一種 振動作用下的高速銑刀刀齒磨損差異性檢測方法，其為減輕不均勻磨損、削弱波動載荷激 勵提供依據(jù)，為高速銑刀高效、高精度切削提供初始樣刀。
[0008]本發(fā)明的振動作用下的高速銑刀刀齒磨損差異性檢測方法，為實現(xiàn)上述目的所采 用的技術(shù)方案在于其由以下步驟構(gòu)成：
[0009 ] -、建立振動作用下的高速銑刀刀齒切削運動速度和刀工接觸關(guān)系
[0010]選取切削刃上磨損寬度最大位置作為基點，當(dāng)銑刀的一個刀齒開始與工件接觸、 切入工件時，刀齒與y軸的夾角Θ。滿足式(2)，刀齒在切削速度和進給速度的影響下繼續(xù)順 時針進行切削，刀齒轉(zhuǎn)動角度Θi滿足式（1 )、銑刀切削接觸角0q滿足式(3)、刀齒的切削速度 V。與y向的夾角滿足式(4)，
[0015]在振動的作用下，進給平面的振動速度Vxy、豎直方向的速度分量Vz、合成速度<與 X軸的夾角紀(jì)如式：
[0021] 上述各式中：Vf為刀齒的進給速度(m/s)、v。為刀齒的切削速度(m/s)、vwS在進給 平面內(nèi)切削速度V。與進給速度Vf的合成速度(m/s)、V wx為進給平面的Vw在X向的速度分量(m/ s)、Vwy為進給平面的Vw在y向的速度分量(m/s)、vx為振動速度在x向的速度分量(m/s)、Vy為 振動速度在y向的速度分量(m/s)、v z為振動速度在Z向（垂直于紙面向外方向）的速度分量 (m/s)、Vxy為振動速度在進給平面內(nèi)V y的合成速度(m/s)、<為進給平面內(nèi)^與~的夾 角(°)、<1為<在進給平面內(nèi)1向的速度分量(111/8)、<^為<在進給平面內(nèi) 7向的速度分量 (m/s)、a。為刀具后角(°)，γ。為刀具前角(°)，Pr為基面，PS為切削平面，~為切削速度在正交 平面的分速度(m/s)，<為振動作用下切削速度在正交平面的分速度( m/s)，0S為切削刃圓 弧半徑夾角(°);
[0022] 二、計算刀齒切削過程中振動作用下的后角解算方程 [0023 ]設(shè)銑刀刀齒切削刃上基準(zhǔn)點J。的坐標(biāo)為：
[0024] (LsinAs(t)-apsinAs(t)/(2sinkr(t)) ,apcosAs(t)cotkr(t)/2,apcosA s(t)/2+ Δ z) (10)
[0025]振動作用下的基準(zhǔn)點坐標(biāo)為：
[0026] (LsinAs(t)-ap/2sinkr(t)+Ax(t) ,ap/2 tan kr(t)+Ay(t), l/2ap+ Δ Z+Az(t)) (11)
[0027]構(gòu)建振動作用下的后刀面方程如式（12):
[0029]利用P。點速度矢量和Jct的坐標(biāo)構(gòu)建振動作用下的切削平面方程如式(13):
[0031]根據(jù)上述公式求得振動作用下的刀齒后刀面方程和振動作用下的切削平面Psv方 程的夾角，即刀齒切削過程中的后角<如式(14):
[0033] 三、構(gòu)建高速銑刀刀齒后刀面摩擦接觸點位置和后刀面摩擦接觸點摩擦速度解算 模型
[0034] 根據(jù)后刀面的初始接觸位置跟刀齒的切削厚度成正比的關(guān)系確定刀具后刀面與 已加工表面的理論接觸深度為如式：
[0035] hj(t)=nf sinkr(t) (15)
[0036] 根據(jù)式（12)和式（13)獲得振動作用下刀齒摩擦接觸點距離基準(zhǔn)點的位置L/(t)如 式(16):
[0038]振動作用下的刀齒擺角0(〇、主偏角1^(〇、刃傾角乙(〇如式（17)、（18)、（19):
[0042]根據(jù)式（17)、（18)、（19)獲得振動作用下刀齒后刀面摩擦接觸點摩擦速度^(〇如 式(20)所示：
[0044] 四、對刀齒摩擦接觸點位置LjV)和刀齒摩擦接觸點摩擦速度Vj (t)進行分析，獲得 兩者的變化規(guī)律
[0045] 依據(jù)式（16)和式(20)，計算在某一切削工藝參數(shù)條件下，分析單個刀齒在一個切 削周期內(nèi)的摩擦接觸點位置和摩擦接觸點摩擦速度，得出其變化規(guī)律；
[0046] 五、進行高速銑刀的磨損切削試驗
[0047]在五軸聯(lián)動加工中心上，采用四齒等齒距的銑刀A與四齒不等齒距的銑刀B銑削工 件，在潤滑方式為干切、銑削方式為順銑的條件下，每把銑刀在四種切削工藝參數(shù)條件下分 別對工件進行相同長度的切削，同時采用三軸加速度傳感器測量各銑刀的切削振動信號； [0048]六、對切削振動信號進行提取與處理
[0049]步驟五中三軸加速度傳感器所測得的切削振動信號傳送給信號測試分析系統(tǒng)，利 用信號測試分析系統(tǒng)分別對四種可轉(zhuǎn)位面銑刀切削工件時的切削振動進行測試，提取銑刀 刀齒沿進給、行距和軸向方向的振動主頻、振幅和刀齒后刀面基準(zhǔn)點垂直于切削刃方向磨 損帶寬度，構(gòu)建銑刀振動與刀齒磨損行為序列：
[0051] yj(k) = {lB(k)} (22)式中:k 為切削實驗次數(shù)，k=l，2,3,4;Ajv(k)、Aje(k)、Ajz(k) 分別為銑刀沿進給、行距和軸向方向的振動振幅，fV(k)、f^(k)、fjz(k)分別為銑刀沿進給、 行距和軸向方向的振動主頻;lB(k)為刀齒基準(zhǔn)點后刀面磨損區(qū)域?qū)挾龋?br>[0052]測得三個方向的受迫振動如式(23)、（（ 24)、（ 25)所示
[0056] 式中，x(t)為X方向的振動方程，i為振源的個數(shù)，Axi表示第i個振源X方向的最大振 幅，axl為第i個振源X方向的振動相位角，ω X1表示第i個振源X方向的振動角速度;y(t)為Y 方向的振動方程，Ayi表示第i個振源Y方向的最大振幅，ayi為第i個振源Y方向的振動相位 角，ω yi表示第i個振源Y方向的振動角速度;z (t)為Z方向的振動方程，i為振源的個數(shù)，Azi 表示第i個振源Z方向的最大振幅，azl為第i個振源Z方向的振動相位角，ωζ1表示第i個振源 Z方向的振動角速度；
[0057] 七、對步驟五中的銑刀磨損切削實驗數(shù)據(jù)進行提取
[0058]利用超景深顯微鏡對某一切削工藝參數(shù)條件下某種銑刀的四個刀齒進行磨損特 征的測量，具體測量其后刀面磨損寬度，并對兩把銑刀在四種切削工藝參數(shù)條件下的磨損 特征進行測量；
[0059] 八、獲得刀齒后刀面摩擦接觸點位置和摩擦接觸點摩擦速度的實驗結(jié)果
[0060] 利用振動測試所得振動數(shù)據(jù)，結(jié)合式（16)和式(20)進行計算，得出兩把銑刀在某 一切削工藝參數(shù)條件下各刀齒在切削時的摩擦接觸位置及摩擦接觸點速度；
[0061] 九、驗證刀齒后刀面摩擦接觸狀態(tài)模型
[0062]利用刀齒摩擦接觸位置解算數(shù)據(jù)代入到式(32)中獲得兩把銑刀的刀齒分別在四 種切削工藝參數(shù)條件下刀具摩擦接觸位置點的離散系數(shù)和兩把銑刀的刀齒摩擦接觸位置 點摩擦速度的離散系數(shù)，
[0064]進一步地，步驟六中，將銑刀A在其中一種切削工藝參數(shù)條件下X方向的振動所獲 取的振動加速度信號按式(23)進行正弦函數(shù)擬合，