本發(fā)明涉及一種切削大螺距梯形外螺紋刀具切削行為差異性的測試方法，具體涉及車削大螺距梯形外螺紋刀具左、右切削刃的刀工界面切削行為差異性的計算與測試方法。

背景技術(shù)：

大螺距螺桿作為壓力機(jī)上控制上模具與下模具的平行度和垂直度的主要部件，對整機(jī)的靜態(tài)精度和動態(tài)精度有著重要的影響，加工時左、右螺紋面加工精度要求一致性高。車削大螺距螺紋時，左、右刃刀工界面切削行為的不同，直接影響左、右螺紋面加工表面質(zhì)量及左、右螺紋面加工表面質(zhì)量一致性。因此，研究左、右切削刃的刀工界面切削行為差異性，對提高左、右螺紋面加工表面質(zhì)量及左、右螺紋面加工表面質(zhì)量的一致性具有重要意義。

已有的研究采用三線性插值法，根據(jù)距離值判定接觸區(qū)域內(nèi)的點，由這些點獲得刀工接觸關(guān)系的相關(guān)參數(shù)，分析了加工過程中刀工接觸幾何的特性。同時已有研究通過主軸振動信號功率譜的特征變化來檢測刀工接觸的變化特性。但上述方法沒有考慮在加工過程中切屑形態(tài)及刀具磨損的變化，不能全面揭示刀工界面切削行為，且大螺距螺紋車削過程中左、右切削刃的刀工界面切削行為差異性沒有被揭示。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有測試方法沒有一種能夠全面揭示切削大螺距梯形外螺紋刀具切削行為差異性的測試方法，進(jìn)而提供左、右切削刃的刀工界面切削行為差異性的計算與測試方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案在于包括以下步驟：

第一步、確定車削大螺距螺紋刀工接觸關(guān)系層次結(jié)構(gòu)及特征變量；

依據(jù)切削過程中的刀具切削運(yùn)動及切削姿態(tài)，識別刀工界面接觸行為的特征參數(shù)及影

響因素，分析出刀工接觸關(guān)系進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)及特征變量；

第二步、左、右刃刀工接觸長度與刀工接觸寬度計算分析；

第三步、建立左、右刃切削刀具受力模型；

第四步、采用刀具左、右切削刃的變形系數(shù)與相對滑移計算方法，揭示刀具左、右刃的切削變形差異性；

第五步、采用刀具左、右切削刃的剪切角與摩擦角計算方法，揭示刀具左、右刃摩擦過程中的差異性；

第六步、利用刀具左、右切削刃切削行為差異性實驗測試方法，揭示左、右刃切削時切屑形態(tài)、左、右刃磨損及左、右刃動態(tài)切削行為上的差異性；

為采用左、右刃對稱的成型式車刀，在相同的工藝參數(shù)下對螺紋試件左、右螺紋面進(jìn)行等余量干式車削，通過實驗儀器為vhx-1000超景深顯微鏡測量指定區(qū)域內(nèi)的切屑形態(tài)和通過dh5922瞬態(tài)信號測試分析系統(tǒng)測試出左、右刃車削大螺距螺紋最后一刀時的刀具時域及頻域振動信號，分析出刀具左、右刃切削行為差異性測試結(jié)果。

進(jìn)一步地，第二步中刀具后刀面與已加工表面的初始接觸長度公式為：

(1)刀具左后刀面與已加工表面的初始接觸長度公式為：

(2)刀具右后刀面與已加工表面的初始接觸長度公式為：

式中，fl⁽⁰⁾(z,x(z))、fr⁽⁰⁾(z,x(z))分別為刀具左、右刃初始切削刃方程，ap為刀具理論切削深度，cll、clr分別為刀具左、右后刀面接觸長度，zk為從進(jìn)刀方向數(shù)第k個螺紋牙的中線與機(jī)床坐標(biāo)系x軸的距離，εrl、εrr分別為刀具左、右刃刀尖角，b0為螺紋牙高。

進(jìn)一步地，第二步中刀具后刀面與工件已加工表面瞬態(tài)接觸長度和接觸寬度公式為：

(1)刀具后刀面與工件已加工表面瞬態(tài)接觸長度公式為：

(2)刀具后刀面與工件已加工表面瞬態(tài)接觸寬度公式為：

cw^(q)＝a1·vc(t)+a2·[f(t)+sz(t)+δz1+δz2]+a3+[sy(t)+δy2]·cosα

式中，ap(t)為刀具瞬態(tài)切削深度，sx(t)、sy(t)、sz(t)分別為刀具x、y、z向的振動位移，κr為刀具主偏角，vc(t)為刀具主運(yùn)動速度，f(t)為每齒進(jìn)給量，△z1為機(jī)床刀架軸向回轉(zhuǎn)誤差，△y2、△z2為刀具y、z向的安裝誤差，a1、a2、a3分別為刀具組件x、y、z向位移，α為刀具后角。

進(jìn)一步地，第六步中為采用左、右刃對稱的成型式車刀，在相同的工藝參數(shù)下對螺紋試件左、右螺紋面進(jìn)行等余量干式車削，實驗所采用的刀具為可換刀頭彈簧式車刀，材料為高速鋼(w18cr4v)，刀具切削刃為左、右對稱式結(jié)構(gòu)，由頂刃與左、右兩個切削刃連接，左、右刃前角均為0°，刃傾角均為0°，左、右刃刀尖角分別為105°、105°36'，切削時左、右刃主偏角分別為75°、105°36'，左、右刃后角分別為7°10'、5°28'，左、右刃夾角為30°36'，刀尖圓弧半徑分別為52mm、44mm。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提出了一種車削大螺距梯形外螺紋刀具左、右切削刃的刀工界面切削行為差異性的計算與測試方法，依據(jù)切削過程中的刀具切削運(yùn)動及切削姿態(tài)，識別出刀工界面接觸行為的特征參數(shù)及影響因素，對刀工接觸關(guān)系進(jìn)行了層次結(jié)構(gòu)分析，析出了重要的影響因素，依據(jù)參數(shù)提取，建立刀工接觸長度與刀工接觸寬度的計算模型；建立了車削大螺距螺紋左、右刃切削時刀具受力模型，揭示出左、右刃的受力狀態(tài)存在明顯差異；依據(jù)模型揭示出切削時剪切變形上的差異性，分別構(gòu)建了切削過程中的變形系數(shù)及相對滑移的組成關(guān)系；依據(jù)力學(xué)行為及剪切變形行為的分析，揭示出左、右刃切削時的剪切角與摩擦角的組成及差異性；采用左、右刃對稱的成型式車刀，在相同的工藝參數(shù)下對螺紋試件左、右螺紋面進(jìn)行等余量干式車削實驗，結(jié)果表明左、右刃切削時的切屑形態(tài)、左、右刃刀具后刀面磨損寬度及左、右刃切削時的振動信號存在明顯差異性。

附圖說明

圖1為刀具左、右切削刃與加工過渡表面的接觸關(guān)系圖；

圖2為刀具前、后刀面與工件的接觸關(guān)系圖；

圖3為刀工接觸關(guān)系的特征參數(shù)及影響因素的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系圖；

圖4是初始切削時刀具后刀面與工件已加工表面接觸示意圖；

圖5是切削一定行程后刀具后刀面與工件已加工表面接觸示意圖；

圖6是受機(jī)床和刀具振動、安裝誤差、位移和變形等因素的影響下的刀工接觸關(guān)系圖；

圖7是左刃切削切削大螺距螺紋受力簡圖；

圖8是右刃切削切削大螺距螺紋受力簡圖；

圖9是左刃切削切屑剪切變形示意圖；

圖10是右刃切削切屑剪切變形示意圖；

圖11是刀具左刃車削大螺距外螺紋理論切屑形成模型圖；

圖12是左刃車削大螺距螺紋車削時力與角度的關(guān)系圖；

圖13是右刃車削大螺距螺紋車削時力與角度的關(guān)系圖；

圖14是刀具左刃切削時最后一刀的切屑，測量區(qū)域及切屑形態(tài)圖；

圖15是刀具右刃切削時最后一刀的切屑，測量區(qū)域及切屑形態(tài)圖；

圖16是新舊工藝機(jī)床應(yīng)力場對比圖；

圖17是相同切削行程下的刀具左、右刃后刀面磨損寬度變化對比圖(圖中a是切削行程26.13m刀具左、右刃后刀面磨損寬度變化對比圖；b是切削行程104.52m刀具左、右刃后刀面磨損寬度變化對比圖；c是切削行程182.91m刀具左、右刃后刀面磨損寬度變化對比圖；d是切削行程261.30m刀具左、右刃后刀面磨損寬度變化對比圖)；

圖18是車削大螺距外螺紋時，外螺紋傳感器設(shè)置方案圖；

圖19是左刃車削大螺距螺紋刀具振動信號圖(圖中a是左刃車削大螺距螺紋刀具時域振動信號圖；b是左刃車削大螺距螺紋刀具頻域振動信號)；

圖20是右刃車削大螺距螺紋刀具振動信號圖(圖中a是右刃車削大螺距螺紋刀具時域振動信號圖；b是右刃車削大螺距螺紋刀具頻域振動信號)；

具體實施方式

實施實例1：車削大螺距螺紋刀工接觸關(guān)系層次結(jié)構(gòu)及特征變量

(1)大螺距螺紋左、右刃切削時，由于刀具的工作角度不同于標(biāo)注角度，導(dǎo)致刀具左、右刃受到的總切削力以及切削行程不相同，進(jìn)而會導(dǎo)致左、右刃加工結(jié)果不一致。初始切削時，刀具左、右刃切削的運(yùn)動參數(shù)變量如表1所示。

表1刀具左、右刃切削運(yùn)動關(guān)系基本變量

表中，nl為左刃切削轉(zhuǎn)速，nr為右刃切削轉(zhuǎn)速，vcl為左刃主運(yùn)動速度，vcr為右刃主運(yùn)動速度，vfl為左刃進(jìn)給速度，vfr為右刃進(jìn)給速度，el為左刃切削時已加工表面法矢量，er為右刃切削時以加工表面法矢量；為試件的螺旋升角。

表1中各運(yùn)動變量求解方程為：

式中，d為大螺距螺紋的大徑，n為主軸轉(zhuǎn)速，p為大螺距螺紋的螺距。

初始切削時，刀具左、右刃切削的幾何參數(shù)變量如表2所示。

表2刀具左、右刃切削幾何關(guān)系基本變量

表中，y代表左、右刃一致，n代表左、右刃不一致；表2中各變量在左、右刃切削時的不同關(guān)系為：

κrl+εrl＝πκrr＝εrr(2)

式中，d1為大螺距螺紋的小徑。

在切削過程中，刀具的工作角度不同，會使得切削過程中刀具的受力和變形發(fā)生改變，刀具左、右刃切削過程中實際工作角度如表3所示。

表3左、右刃切削時刀具角度姿態(tài)

由表3可知，若刀具采取的是對稱式成型車刀，左刃切削時的實際工作前角比右刃切削時的大，實際后角比右刃切削時小，因此，左刃切削時，切削層的變形及前刀面受到的切屑摩擦阻力小，切削溫度低，左刃切削時刀具受到的主切削力小。

由上述分析可知，刀具左、右刃車削大螺距螺紋時，左、右刃采用的相同的切削運(yùn)動，由于螺旋升角的存在，刀具左、右刃的姿態(tài)不同。因此，當(dāng)不考慮工作角度，左、右刃進(jìn)行切削時，若刀具采用對稱式成型車刀，切削過程采用相同切削參數(shù)，即采用相同的工藝時，則可以保證左、右刃切削時的切削層面積一致。由于左、右刃切削時，刀具的工作角度不同，導(dǎo)致刀具左、右刃受到的總切削力以及切削行程不相同，進(jìn)而會導(dǎo)致左、右刃加工結(jié)果不一致。

(2)大螺距螺紋切削刀工接觸關(guān)系包括：前刀面與切屑的接觸、切削刃與工件加工過渡表面的接觸及后刀面與工件已加工表面的接觸關(guān)系。根據(jù)大螺距螺紋的實際切削方式及加工狀態(tài)，可獲得大螺距螺紋軸向分層切削時，刀具左、右切削刃與加工過渡表面的接觸關(guān)系和刀具前、后刀面與工件的接觸關(guān)系，如圖1、圖2所示。

圖中，n為工件轉(zhuǎn)速，vc、vf分別為刀具選定參考點的主運(yùn)動速度和進(jìn)給速度；p為螺距，zl、zr分別刀具左、右刃切削時單次加工余量；d1、d2、d分別代表螺紋小徑、中徑、大徑，zk代表從進(jìn)刀方向數(shù)第k個牙的中線與機(jī)床坐標(biāo)系x軸的距離，cll、cwl分別為刀具左后刀面與工件的平均接觸長度和接觸寬度，clr、cwr分別為刀具右后刀面與工件的平均接觸長度和接觸寬度，lcl、lcr分別為刀具左、右前刀面與切屑的接觸長度，lel、ler分別為刀具左、右切削刃實際參與切削的長度，aγl、aαl分別為刀具左刃切削時的前刀面和后刀面，aγr、aαr分別為刀具右刃切削時的前刀面和后刀面，為大螺距螺紋的螺旋升角，γ0l、γ0r分別為刀具左、右刃標(biāo)注前角，α0l、α0r分別為刀具左、右刃標(biāo)注后角，α0le、α0re分別為刀具實際左、右刃后角，εrl、εrr分別為刀具左、右刃刀尖角，κrl、κrr分別為刀具左、右刃切削時的主偏角，rεl、rεr分別為刀具左、右刃刀尖圓弧半徑，ρl為左切削刃刃口半徑，ρr為右切削刃刃口半徑。

由圖1、圖2及分析可得出大螺距螺紋軸向分層切削時，大螺距螺紋加工時刀具于工件的接觸關(guān)系外在影響因素如表4所示。

表4刀工接觸關(guān)系的影響因素

表中，sx、sy、sz分別為刀具在振動作用下產(chǎn)生的位移，cj為刀具安裝誤差值，δxp、δyp與δxd、δyd分別為刀具組件的位移量，r^(q)u為刀具后刀面輪廓單元曲率，s^(q)為刀具后刀面與工件已加工表面實際接觸面積，δx1、δz1分別為x、z向的主軸回轉(zhuǎn)誤差，l'、dz分別為軸向、徑向刀具變形量。

切削刃及前、后刀面與工件接觸關(guān)系的特征參數(shù)和影響因素如表5～表7所示。

表5刀具切削刃與加工過渡表面間的接觸特征參數(shù)

表6刀具前刀面與切屑間的接觸特征參數(shù)

表中，φl、φr分別為刀具左、右刃切削時的剪切角。

表7刀具后刀面與工件已加工表面的接觸特征參數(shù)

表7中，cwl^(q)、cwr^(q)分別為刀具左、右刃切削隨切削行程變化時，后刀面與工件已加工表面的接觸寬度，sl^(q)、sr^(q)分別為刀具左、右刃切削隨切削行程變化時，后刀面與工件已加工表面的瞬時接觸面積；chl^(q)、chr^(q)分別為刀具左、右刃切削隨切削行程變化時，后刀面與工件已加工表面的瞬時接觸深度，r^(q)u為刀具后刀面輪廓單元曲率。

在切削初始時期，刀具只有切削刃和后刀面一小部分圓弧與工件接觸，可以近似為線接觸；隨著切削的不斷進(jìn)行，由于刀具振動、機(jī)床各類誤差和刀具位移與變形的共同影響下，由實驗刀具測得的磨損狀態(tài)可以推出，刀具與工件的接觸關(guān)系發(fā)生了改變，導(dǎo)致刀具的后刀面發(fā)生了磨損，此時，刀具與工件的接觸類型為后刀面的面接觸。

由上述分析可得，刀工接觸關(guān)系的特征參數(shù)及影響因素的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

由圖3可得，以上的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系會引起左、右刃車削時，刀工接觸關(guān)系發(fā)生動態(tài)變化，刀具左、右刃的結(jié)構(gòu)差異及磨損的不同使得左、右刃切削時刀工接觸關(guān)系存在差異，同時可知，前刀面與切屑接觸長度lc、切削刃與過渡表面接觸長度le、后刀面與工件已加工表面的接觸長度cl及接觸寬度cw是決定刀工接觸關(guān)系的重要參數(shù)。

實施實例2：左、右刃刀工接觸長度與刀工接觸寬度計算方法

由于在切削大螺距螺紋過程中，刀具切削刃及后刀面產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損狀態(tài)，因此可以用刀具在切削各段時間內(nèi)的切削刃姿態(tài)及后刀面的狀態(tài)來表征刀工接觸關(guān)系。

根據(jù)刀具切削刃的初始狀態(tài)，以刀具刀尖為原點，遵循右手笛卡爾直角坐標(biāo)系建立的由x、y、z軸組成的直角坐標(biāo)系，其中，x向為刀具徑向進(jìn)給速度方向，y向為切削速度方向，z向為刀具軸向進(jìn)給方向。通過matlab曲線擬合可獲得刀具坐標(biāo)系下刀具左、右刃的曲線方程fl⁽⁰⁾(z，x)和fr⁽⁰⁾(z，x)，應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將刀具坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)系的方程，為fl⁽⁰⁾(z，x)和fr⁽⁰⁾(z，x)。設(shè)切削刃參與切削部分的起始點和終止點分別為e1、f1，在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為：

因此，以左后刀面為例，已知初始切削刃方程fl⁽⁰⁾(z，x)，則可知刀具左后刀面與已加工表面的初始接觸長度可表示如下：

同理，右刃切削時，刀具右后刀面與已加工表面的初始接觸長度可表示如下：

式中，ap為刀具理論切削深度，zk為從進(jìn)刀方向數(shù)第k個螺紋牙的中線與機(jī)床坐標(biāo)系x軸的距離，εrl、εrr分別為刀具左、右刃刀尖角，b0為螺紋牙高。

理論情況下，初始時刀具與工件的接觸關(guān)系應(yīng)該為線接觸，即初始寬度和深度應(yīng)均為0，后刀面與工件已加工表面間的夾角為在實際情況下，由于機(jī)床自身的精度誤差和刀具的安裝誤差，刀具后刀面與工件存在一定的接觸面積，設(shè)機(jī)床刀架的軸向回轉(zhuǎn)誤差為△z1，刀具的安裝誤差為△x2、△y2、△z2，則設(shè)此時刀具后刀面與工件已加工表面的接觸寬度如下所示：

cw⁽⁰⁾＝δz1·tan(α-φ)(6)

式中，α為刀具后角，為螺紋螺旋升角。

初始時，由于刀具左、右刃的刃弧半徑接近于0，因此，刀具后刀面的接觸面積近似于0，即刀具與工件的接觸類型為線接觸，由于在切削過程中，這種接觸關(guān)系類型難以維持，當(dāng)切削進(jìn)行一段時間后，刀具與工件的接觸關(guān)系將變成穩(wěn)定的面接觸，并保持下去，此時的接觸關(guān)系作為刀工的初始接觸關(guān)系。

以刀具坐標(biāo)系的原點為中心，沿b方向，將刀具坐標(biāo)系o-xyz繞x軸逆時針旋轉(zhuǎn)α1度，將新得到的坐標(biāo)系記為o1-x1y1z1。在該坐標(biāo)系下表示切削過程中刀具后刀面與工件的刀工接觸關(guān)系圖，如圖4、圖5所示。

圖4、圖5中，曲線1代表切削刃各時刻時的切削刃方程，它隨著切削的進(jìn)程逐漸發(fā)生改變，可表征刀具切削刃與工件接觸姿態(tài)的改變過程；曲線2、3、4均表示刀具后刀面與工件接觸的邊界曲線，其中曲線2隨著刀具的后角改變發(fā)生位置變化，但是形態(tài)卻保持不變；曲線3是由振動和刀具變形及位移所影響的，而曲線4是由工件決定的，主要受徑向切削深度所影響。

在切削過程中，由于受機(jī)床和刀具振動、安裝誤差、位移和變形等因素的影響，刀具與工件接觸關(guān)系的特征參數(shù)，主要是接觸寬度隨主運(yùn)動速度vc、進(jìn)刀量f、機(jī)床刀架軸向回轉(zhuǎn)誤差、刀具安裝誤差及振動振幅等因素的改變而改變，如圖6所示。

設(shè)刀具理論切削深度為ap，刀具瞬態(tài)切削深度為ap(t)，每刀進(jìn)給量為fi，切削過程中刀具振動產(chǎn)生的振動位移分別為sx(t)、sy(t)、sz(t)，機(jī)床刀架的軸向回轉(zhuǎn)誤差為△z1，刀具的安裝誤差為△x2、△y2、△z2，因此，刀具后刀面與工件已加工表面瞬態(tài)接觸長度和接觸寬度如式(7)及式(8)所示。

cw^(q)＝a1·vc(t)+a2·[f(t)+sz(t)+δz1+δz2]+a3+[sy(t)+δy2]·cosα(8)

式中，κr為刀具主偏角，vc(t)為刀具主運(yùn)動速度，f(t)為每齒進(jìn)給量，a1、a2、a3分別為刀具組件x、y、z向位移量。

而刀具前刀面與切屑的接觸長度le，即指在左、右刃車削大螺距螺紋過程中，切屑在開始流出與脫離刀具過程中，與前刀面保持接觸的長度，計算公式如式(9)所示。

式中，ac為切削厚度，λh為變形系數(shù)，φ為剪切角。

因此，由上述分析可知，刀具左、右刃車削大螺距螺紋時，刀工接觸關(guān)系隨切削行程改變而呈現(xiàn)動態(tài)變化，各影響因素下的刀工接觸關(guān)系如圖6所示。

實施實例3：左、右刃切削刀具受力模型

刀具左、右刃切削大螺距螺紋時，切削力的來源有兩個方面：一是切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產(chǎn)生的抗力；二是刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。使用成型車刀車削大螺距螺紋時，左刃車削和右刃車削時刀具的受力狀態(tài)是不同的，具體受力狀態(tài)如圖7、圖8所示。

圖中，fγl、fγr分別為作用在左、右切削刃前刀面上的摩擦力，fαl、fαr分別為作用在左、右切削刃后刀面上的摩擦抗力，fγnl、fαnl分別為作用在左切削刃前、后刀面上的法向力，fγnr、fαnr分別為作用在右切削刃前、后刀面上的法向力，fγl,γnl為左切削刃fγl和fγnl的合力，fγr,γnr為右切削刃fγr和fγnr的合力，fαl,αnl為左切削刃fαl和fαnl的合力，fαr,αnr為右切削刃fαr和fαnr的合力，ffl、ffr分別為作用在左、右刃上的進(jìn)給力，fl、fr分別為作用在左、右刃上的總切削力，fcl、fcr分別為作用在左、右刃上的主切削力；vf為刀具軸向進(jìn)給速度，vcl、vcr分別為左、右刃切削時刀具主運(yùn)動速度，vel、ver分別為左、右刃切削時刀具合成運(yùn)動速度；βl、βr分別為左、右刃切削上的摩擦角，γ0l、α0l分別為左刃標(biāo)注前角、標(biāo)注后角，γ0r、α0r分別為右刃標(biāo)注前角、標(biāo)注后角，γ0le、α0le分別為左刃工作前角、工作后角，γ0re、α0re分別為右刃工作前角、工作后角。

其中，左刃切削時：

右刃切削時：

由圖7、圖8可知，切削合力fl與fr在刀具的主剖面內(nèi)，由切屑的受力分析可獲得左、右刃切削時刀具的切削合力及主切削力，如式(14)～式(17)所示。

左刃切削時切削合力為：

主切削力fcl為：

式中，τ為剪切應(yīng)力，hdl為左刃切削時切削厚度，bdl為左刃切削時切削寬度，φl為左刃切削時的剪切角，為螺旋升角。

右刃切削時切削合力為：

主切削力fcr為：

式中，hdr為右刃切削時切削厚度，bdr為右刃切削時切削寬度，φr為右刃切削時的剪切角。

由上述分析知，當(dāng)假設(shè)刀具左、右刃前角相同，切削參數(shù)一致，由于螺旋升角的存在，左刃切削時刀具的工作前角比右刃切削時大，左、右刃的切削合力和主切削力組成關(guān)系不同，存在明顯差異；同時，刀具所受切削力與左、右刃切削時的剪切角和摩擦角有著密切關(guān)系，進(jìn)而切削過程中刀具的剪切變形行為制約著左、右刃的切削力，影響左、右刃受力差異性。

實施實例4：刀具左、右切削刃的變形系數(shù)與相對滑移計算方法

在大螺距螺紋車削過程中，以左刃切削為例，在假設(shè)切削刃絕對鋒利，即后刀面與工件沒有接觸的條件下，建立車削大螺距外螺紋左、右刃切削時切屑剪切變形及左刃切削時切屑形成模型，如圖9、圖10和圖11所示。

圖中，hchl、hchr分別為左、右刃切削時切屑厚度，fδhn為剪切面上的正壓力，fδh為剪切面上的剪切力，fγn為前刀面上的法向力fγ，fγ為前刀面上的摩擦力，γ0為刀具前角。

刀具左刃切削時：

右刃切削時：

式中，λhl、λhr分別為左、右刃切削時切屑的變形系數(shù)，εl、εr分別為左、右刃切削時的相對滑移。

由上述分析可知，切削過程中，當(dāng)?shù)毒卟捎脤ΨQ式成型車刀時，左、右刃切削時變形系數(shù)的影響因素均為剪切角、前角和螺旋升角，但左、右刃切削時變形系數(shù)組成關(guān)系不一致，由于受螺旋升角的影響，左、右刃切削時切屑的變形系數(shù)存在機(jī)理上的差別，這是因為螺旋升角的存在改變了左、右刃切削時的刀工接觸關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)致左、右刃切削時的變形系數(shù)存在差異性，左、右刃切削時剪切變形不同；同時，由于刀具左、右刃切削時，相對滑移的影響因素為刀具前角、螺旋升角及變形系數(shù)，且由于刀具左、右刃切削時，螺旋升角對刀具工作前角的影響不同，即刀具左、右刃切削時，相對滑移的構(gòu)成機(jī)理不同，進(jìn)而左、右刃切削時刀具的相對滑移存在明顯差異性。

實施實例5：刀具左、右刃的剪切角與摩擦角計算方法

在大螺距螺紋車削過程中，作用在切屑上的力有：前刀面上的摩擦力和摩擦力法向力，剪切面上的剪切力和剪切力法向力，兩對力的合力相互平衡。由于左、右刃車削大螺距螺紋時刀具的工作角度不同，因而，刀具左、右刃車削大螺距螺紋時切屑受力與角度之間的關(guān)系不同，如圖12和圖13所示。

圖中，fcl^w、fcr^w分別為左、右刃切削時切屑受到的主切削力，ffl^w、ffr^w分別為左、右刃切削時切屑受到的的進(jìn)給抗力，fγl^w、fγr^w分別為左、右刃切削時刀具前刀面作用在切屑上的摩擦力，fγnl、fγnr分別為左、右刃切削時刀具前刀面作用在切屑上的摩擦力法向力，fl^w、fr^w分別為左、右刃切削時的切屑形成力，fδhl、fδhr分別為左、右刃切削時剪切面上的剪切力，fδhn1、fδhn2分別為左、右刃切削時剪切面上的法向力。

刀具左刃切削時：

由圖12可得剪切角為：

通過主切削力fc和進(jìn)給力ff可以計算出刀-屑界面的平均摩擦系數(shù)和摩擦角，即：

右刃切削時：

由圖13可得剪切角為：

摩擦角為：

刀具左、右刃切削時的剪切角及摩擦角的變化形式不同，但影響因素相同；由于剪切角φ與摩擦角β存在以下關(guān)系：

左刃切削時，剪切角與前刀面摩擦角的關(guān)系為：

右刃切削時，剪切角與前刀面摩擦角的關(guān)系為：

因此，刀具左、右刃切削時，剪切角隨前角增大而增大，即前角增大時，切屑變形減小。所以在保證切削刃強(qiáng)度的條件下增大前角，有利于改善切削過程；同時，剪切角隨摩擦角的增大而減小，即摩擦角增大時，切屑變形增大，所以仔細(xì)研磨刀具前、后刀面或使用切削液同樣可以改善切削過程。

由上述分析可知，刀具左、右刃切削時，剪切角及摩擦角的影響因素均相同，但剪切角及摩擦角構(gòu)成不同，即左、右刃切削時，剪切角及摩擦角的構(gòu)成機(jī)理不同，由式(32)及式(33)可知，左、右刃的變形系數(shù)必然不同，因此，當(dāng)遵循同一切削規(guī)律時，左、右刃切削時工件變形及受力不同，形成的切屑形態(tài)不一致，同時切屑與刀具前刀面的摩擦行為不同，進(jìn)而會導(dǎo)致左、右刃切削時，刀具的磨損形態(tài)存在明顯差異。

實施實例6：刀具左、右刃切削行為差異性實驗測試方法

(1)為了有效的驗證左、右刃分層車削大螺距螺紋時刀具的行為差異性，實驗采用左、右刃對稱的成型式車刀，在相同的工藝參數(shù)下對螺紋試件左、右螺紋面進(jìn)行等余量干式車削。

試件材料為35crmo調(diào)質(zhì)處理，結(jié)構(gòu)為右旋梯形外螺紋，頭數(shù)1，螺紋長度為190mm，大徑為148mm，小徑為132mm，中徑為140mm，螺距為16mm，牙型半角為15°。

實驗所采用的刀具為可換刀頭彈簧式車刀，材料為高速鋼(w18cr4v)，刀具切削刃為左、右對稱式結(jié)構(gòu)，由頂刃與左、右兩個切削刃連接，左、右刃前角均為0°，刃傾角均為0°，左、右刃刀尖角分別為105°、105°36'，切削時左、右刃主偏角分別為75°、105°36'，左、右刃后角分別為7°10'、5°28'，左、右刃夾角為30°36'，刀尖圓弧半徑分別為52mm、44mm。

實驗轉(zhuǎn)速為10rpm，軸向單次加工余量為0.05mm，左、右刃切削行程分別為26.13mm、104.52mm、182.91mm及261.30mm時停刀，測量刀具磨損，共計測量4次，測量完成后使用原刀具繼續(xù)切削，左、右側(cè)軸向總?cè)コ嗔烤鶠?.5mm。實驗中同時提取切削過程中各刀的振動信號。

車削大螺距螺紋實驗機(jī)床采用ca6140傳統(tǒng)車床，實驗儀器為vhx-1000超景深顯微鏡，dh5922瞬態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。

(2)分別收集實驗中左、右刃切削時最后一刀的切屑，采用vhx-1000超景深顯微鏡測量指定區(qū)域內(nèi)的切屑形態(tài)，測量區(qū)域及切屑形態(tài)如圖14和圖15所示。

由圖14和圖15中刀具左、右刃切削同一刀時的切屑形態(tài)可知，左、右刃切削時工件的變形程度存在明顯差異。相同區(qū)域內(nèi)，右刃切削時的切屑表面較左刃切削時光滑，沿切厚方向變形程度相對小，表面凸凹處數(shù)量少；同時，右刃切削時切屑沿切屑長度方向及寬度方向的剪切彎曲程度較左刃切削時獲得的切屑嚴(yán)重，由圖可知，同一測量部位處的變形程度及狀態(tài)差異性大。

(3)為了揭示左、右刃切削時，刀具的磨損差異性，以刀具后刀面磨損寬度為測量目標(biāo)，采用vhx-1000超景深顯微鏡測量不同切削行程下刀具后刀面的磨損寬度，測量方法如圖16所示。

圖中，o為刀尖，x為沿切削刃長度方向磨損位置距刀尖距離(mm)，z為刀具后刀面磨損寬度(μm)，s為參與切削的切削刃長度(μm)，zy1～zyk為在切削行程為y時，k個測量點處刀具后刀面磨損寬度(μm)。

采用上述測量方法，獲得4次左、右后刀面磨損實驗測量結(jié)果如表8、表9所示。其中，沿切削刃長度方向距刀尖距離x1，x2，……，x10分別取值為0.95mm，1.9mm，2.85mm，3.8mm，4.75mm，5.7mm，6.65mm，7.6mm，8.55mm，9.5mm。

表8左后刀面磨損寬度數(shù)據(jù)表

表9右后刀面磨損寬度數(shù)據(jù)表

相同切削行程下，刀具左、右后刀面磨損寬度變化如圖17所示。

由圖可知，相同切削行程下，刀具左后刀面磨損寬度普遍大于刀具右后刀面磨損寬度，且變化程度較右后刀面變化劇烈；隨著切削行程的增大，刀具左、右刃的磨損程度趨近平穩(wěn)，同時，左、右后刀面的磨損寬度在切削過程中始終未超過額定的最大磨損寬度。

(4)車削大螺距外螺紋時，傳感器設(shè)置在主軸端部處，沿切削速度方向和進(jìn)給速度方向分別在機(jī)床主軸上設(shè)置傳感器；同時，為了防止傳感器對刀具切削產(chǎn)生干涉，將傳感器分別設(shè)置在距刀尖最近的刀具下方和左側(cè)，如圖18所示。

依據(jù)上述實驗方法，測試出左、右刃車削大螺距螺紋最后一刀時的刀具時域及頻域振動信號，測量結(jié)果如圖19、圖20所示。

由上圖可獲得左、右刃切削條件下的刀具振動特征參數(shù)值，如表10所示。

表10左、右刃切削條件下刀具振動特征

表中，k為峭度，a0為初始振動均方根值，arms為振動有效值，m為振動主頻數(shù)量，f1為第一主頻，f2為第二主頻，f3為第三主頻，f4為第四主頻，ep1、ep2、ep3、ep4分別為頻譜值。其中，峭度k反映刀具切削中存在的沖擊，峭度值越大，說明系統(tǒng)中存在的外部激勵突變越大，能量變化越大，沖擊作用越大，因此，采用峭度k可以識別和評價外部激勵突變與刀具切入、切出時的沖擊作用強(qiáng)度。a0和arms分別表示在切削前和切削過程中某一時段內(nèi)系統(tǒng)振動加速度的有效值，利用該參數(shù)能夠識別出不同時段振動信號的強(qiáng)度。

由圖19、圖20的刀具時域信號分析可知，刀具右刃切削時，刀具在x、y、z三方向上的沖擊作用均比左刃切削時強(qiáng)，z向最強(qiáng)，其次為y向，x向最弱，說明外螺紋加工過程中進(jìn)給運(yùn)動方向和切削速度方向的沖擊作用對于加工過程影響大；由圖頻域信號分析可知，左刃切削與右刃切削時的振動主頻數(shù)相同，左刃切削時第一主頻大于右刃切削，說明左刃切削時周期運(yùn)動比右刃頻繁，刀具在x向主要受機(jī)床振動影響，y向與z向受切削力引起的高頻振動影響大。

本發(fā)明與已經(jīng)公開的技術(shù)不同之處：已有的刀工接觸關(guān)系研究主要是針對切削加工中刀具與工件的典型運(yùn)動形式，分析加工過程中刀工接觸的幾何與運(yùn)動特性，采用三線性差值法計算運(yùn)動中刀具表面采樣點到工件的距離，根據(jù)距離值判定接觸區(qū)域內(nèi)的點，由這些點即可獲得刀工接觸的相關(guān)參數(shù)，為切削加工中刀工接觸的計算提供了一種高效率高精度的方法。但該方法沒有考慮在加工過程中切屑形態(tài)及刀具磨損的變化，不能全面揭示刀工界面切削行為。

本發(fā)明提出了一種左、右切削刃的刀工界面切削行為差異性的計算與測試方法，依據(jù)切削過程中的刀具切削運(yùn)動及切削姿態(tài)，識別刀工界面接觸行為的特征參數(shù)及影響因素，建立刀工接觸長度與刀工接觸寬度計算模型；建立車削大螺距外螺紋左、右刃切削時刀具受力模型；構(gòu)建切削過程中變形系數(shù)及相對滑移的組成關(guān)系；依據(jù)力學(xué)行為及剪切變形行為的分析，揭示左、右刃切削時的剪切角與摩擦角的組成及差異性；提出一種刀具左、右刃切削行為差異性實驗測試方法，獲得左、右螺紋面形成過程中刀具車削時的切屑形態(tài)、左、右刃刀具后刀面磨損狀態(tài)及刀具振動信號，驗證左、右刃車削大螺距螺紋力學(xué)分析及剪切變形正確性。