（航空宇航制造工程专业论文）难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究.pdf

lliliiliiliiliilllilll_，_ n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nm o d e l i n go ft o o lw e a ri n m i l l i n gp r o c e s so f d i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a l s a t h e s i si n a e r o n a u t i c a la n da s t r o n a u t i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y f a n gj i w e n a d v i s e d b y p r o f z h o ul a i s h u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 ：一 鼍 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：痘皿友 日 期：丑衅 】 ： 争 暖 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在难加工材料的数控铣削加工中，刀具的磨损是较突出的问题，刀具的磨损将导致刀具几 何参数变化、切削力增加、切削温度升高，从而影响工件的加工质量，增加制造成本，因此对 难加工材料切削加工中的刀具磨损问题进行研究具有重要意义。 本文以难加工材料数控铣削加工的铣刀为研究对象，采用理论分析与试验相结合的方法， 通过分析数控加工中刀具磨损机理和刀具磨损影响因素，建立了切削参数与刀具磨损量的关系 模型，通过加工实验、复映测量获得刀具磨损数据，采用最小二乘法和线性回归方法实现了模 型系数的求解。以不锈钢0 c r l 8 n i 9 为加工实验材料，以硬质合金球头铣刀为加工实验刀具，采 用正交试验法进行了铣削加工试验，将试验加工后的刀具尺寸映射到对刀具切削几乎无磨损的 较软的易加工材料铝合金6 0 6 1 上，通过三坐标测量机测量及换算获得刀具磨损量，采用最小二 乘法和线性回归法求解获得了刀具磨损模型中各个系数，从而建立了不锈钢0 c r l 8 n i 9 材料数控 铣削加工的刀具磨损模型。 关键词：铣削加工，刀具磨损，磨损建模，复映测量 本文研究得到了国家自然科学基金项目“难加工材料数控铣削刀具磨损建模、仿真与误差 补偿研究( 5 0 8 0 5 0 7 8 ) ”的资助。 f a c t o ra n dt o o lw e a rb yt h ep r o c e s s i n ge x p e r i m e n t sa n dt h ef a c t o ro ft o o lw e a ri nt h en cm a c h i n i n g t h ed a t ao ft o o lw e a r , w h i c ha r eo b t a i n e db ym a t h e m a t i c a lt r e a t m e n ta n dm a pm e a s u r e m e n t ，i su s e d t oe s t a b l i s ht h ec o e f f i c i e n to ft h em o d e lo ft o o lw e a rb yt h em e t h o do fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n d l e a s t s q u a r e s as e r i e so fm a c h i n i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e da n df m i s h e do nm a c h i n i n g c e n t e rf o rt h eb a l l e n dm i l lo fc e m e n t e dc a r b i d e sc u t t i n gt o o lm i l l i n gs t a i n l e s ss t e e l0 c r l8 n i 9 i nt h e m i l l i n go fs t a i n l e s ss t e e l ，t o o lw e a rw i l lb em a p p e d i n t oa l u m i n i u ma l l o y6 0 6 1w h i c hh a sn oo rl e s s i n f l u e n c eo nt o o lw e a r , a n dt h et o o lw e a ra r eo b t a i n e db yc m ma n dc o n v e r s i o n t h em e t h o do f m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n dl e a s t s q u a r e si su s e dt oe s t a b l i s ht h ec o e f f i c i e n to ft h ew e a rm o d e lo f m i l l i n gs t a i n l e s ss t e e l0 c r l 8 n i 9 k e yw o r d s ：m i l l i n gp r o c e s s ，t o o lw e a r ，w e a rm o d e l i n g ，m a pm e a s u r e m e n t t h er e s e a r c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 8 0 5 0 7 8 ) i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状一2 1 _ 3 研究内容与结构3 第二章刀具磨损模型的建立6 2 1 刀具磨损简介一6 2 1 1 刀具磨损的原因6 2 1 2 刀具磨损的过程与规律7 2 1 1 3 刀具磨损形式7 2 1 4 刀具磨钝标准9 2 2 球头铣刀刀具磨损建模1 0 2 3 本章小结1 1 第三章基于复映的刀具磨损测量1 2 3 1 刀具磨损测量方法简介一1 2 3 1 1 直接测最1 2 3 1 2 间接测量1 3 3 2 基于复映的刀具磨损测量方法1 5 3 2 1 复映法基本思想1 5 3 2 2 复映测量方法的具体过程1 5 3 2 3 复映测量数据的数学处理1 6 3 2 4 球头铣刀复映测量的数学处理1 9 3 3 本章小结2 l 第四章铣削加- 】二刀具磨损试验与测量2 3 4 1 试验系统2 3 4 1 1 机床2 3 4 1 2 试验刀具2 4 4 1 3 工件材料与复映板材料2 4 4 1 4 切削参数范围一2 5 4 1 5 测量装置2 6 4 2 刀具磨损加工试验2 6 4 2 1 正交试验简介2 6 4 2 2 刀具磨损正交试验2 7 4 3 刀具磨损量的测量3 0 4 4 本章小结3 2 第五章刀具磨损模型确定与影响因素分析3 3 5 i 刀具磨损模型系数求解3 3 i i i 难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究 5 2 影响因素分析3 8 5 2 1 同归方程的显著性检验3 8 5 2 2 影响因素重要程度判别4 0 5 3 试验验证4 1 5 4 本章小结4 2 第六章总结与展望4 3 6 1 总结4 3 6 2 展望4 3 参考文献4 5 致谢4 9 攻读硕士期间发表的论文5 0 i 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 论文研究路线图5 图2 1 刀具磨损过程一7 图2 2 刀具磨损形式一8 图2 3 刀具磨损形式及磨损量的表示方式l o 图3 1 复映法原理图15 图3 2 圆拟合示意图1 7 图3 3 半径变化量与刀具磨损量关系图1 8 图3 4 球头铣刀切削微元模型2 0 图3 5 球头刀具几何模型2 0 图3 6 磨损的球头铣刀几何模型2 l 图4 1 试验系统原理图2 3 图4 2m i k r o nu c p 7 1 0 五坐标加工中心2 4 图4 3 试验工件结构图与实物装夹图。2 5 图4 4 不锈钢铣削试验过程2 9 图4 。5 加工后的复映板2 9 图4 6 复映孔的三坐标测量3 0 图5 1 数据处理流程图3 6 图5 2 线性同归算法的求解流程图3 6 图5 3 试验因素管理界面3 7 图5 4 数据处理界面3 8 图5 5 刀具磨损曲线一4 1 表4 10 c r l8 n i 9 不锈钢的化学成分( ) 2 5 表4 20 c r l 8 n i 9 不锈钢的物理常数一2 5 表4 30 c r l 8 n i 9 不锈钢的主要性能2 5 表4 4 正交表b ( 3 1 2 7 表4 5r 6 球头铣刀水平因素表2 8 表4 6r 6 球头铣刀加工因素正交表2 8 表4 7r 8 球头铣刀水平因素表2 8 表4 8r 8 球头铣刀加工因素正交表2 8 表4 9 球头铣刀试验数据3 1 表5 1 加工0 c r l 8 n i 9 时硬质合金球头切削刃磨损模型同归方程系数3 8 表5 2 同归方程显著性检验4 0 表5 3 球头铣刀刀具磨损值对比4 1 v i ， 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 随着制造业的发展，现代技术装备中，难加工材料的应用越来越多，对零件的质量要求也 不断提高，同时切肖, j m 工自动化以及计算机在机械制造中的应用日益广泛。能否实现难加工材 料的高效加工关系到许多重要工业的发展和制造业整体水平，也是对切削技术的巨大挑战。 难加工材料主要是指切削加工性差的材料，即硬度大于h b 2 5 0 ，强度大于1 0 0 0 m p a ，伸长 率大于8 0 ，冲击值大于0 9 8 m j m 2 ，导热系数小于4 1 8 w ( m k ) 的材料【l l 。难加工材料的切 削加工具有切削力大、切削温度高、加工硬化倾向大、刀具磨损大等特点，不仅切削效率低， 而且刀具寿命短。常用的难加工金属材料有：不锈钢、高锰钢、高强度钢、高温合金、钛合金 等。 1 1 研究背景 难加工材料的加工过程中，刀具的磨损是个突出的问题。严重的刀具磨损不仅对加工效率 和质量有较人的影响，而且也关系到加工成本，因此能否实现难加工材料的高效加工直接关系 到我国航空航天等重要工业发展和制造业整体水平。因此，提高刀具耐用度、提高加工效率、 加：精度和改善表面质量，是难加t 材料切削过程迫切需要解决的重大问题。通过对刀具磨损 模型的研究，预测刀具的磨损量，监测刀具的磨损状态，保证加工工件的加工质量，提高企业 的生产能力，创造更大的生产效益。 现代产业和_ t 程领域几乎没有不经过切削加工的机械，即使没有直接经过切削加工，但其 生产过程中所使用的模具、夹具等仍少不了要求切削加工。刀具作为切削加工过程中最基本的 加工要素，不可避免地成为整个生产过程监测的重要环：育。刀具作为切削加工过程的直接执行 者，在工件的切削加工过程中存在着磨损和破损等现象。在变切削过程中，刀具的磨损形式相 对很复杂。传统加工中，刀具状态的识别是通过加工人员辨别切屑颜色和加工过程中的噪声等 来判断，或根据加工时间判断，或在加工工序之间拆卸刀具实测其破损程度和磨损量，以此来 保证刀具的切削性能并防止“打刀”现象发生。但是这些方法和加工人员的经验紧密相关，它 不可避免地存在下列问题：一方面，因为刀具寿命的随机性，若其寿命极限估计过于保守 刀具磨损量低于磨钝标准，以致大部分刀具未能充分利用，则会因为没有充分利用刀具的实际 寿命致使换刀次数和刀具费用增加而增加制造成本：另一方面，如果刀具磨损量高于磨钝标准， 刀具己经磨钝或破损，则会影响工件的加t 表面质量和尺寸精度，刀具磨损的加剧将造成工件 的表面粗糙度增大，导致工件尺寸精度变差，刀具的磨损可造成工件内部的残余应力陡增致使 工件变形严重，严重时会造成工件报废等后果。必须对刀具状态进行实时监测，从而获得刀具 难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究 的实际状态，并根据监测的结果采取适当的措施，这是提高生产率、提高加工质量和增强安全 保障的有效手段。切削加工过程中，刀具的磨损可导致切削力的变化。随着刀具磨损的 j n 周l 切 削力也随之增大，从而造成工件一刀具系统的振动增强，与此同时工件与刀具之间也会产生强烈 的相对振动，致使加工处于不稳定状态。这些因素不仅降低了刀具的使用寿命，而且还会影响 机床的精度，甚至更严重时还会危及操作者的安全。 综上所述，对刀具磨损进行研究对制造业具有重要意义，在实际生产中的作用更为突出。 1 2 国内外研究现状 在难加工材料加工过程中，刀具磨损会严重损坏工件的几何尺寸、加工质量以及降低加工 效率，影响效益。随着刀具磨损的加剧工件尺寸精度变差，机床故障出现的概率增大，严重时 可危及操作者安全。因此，研究一种可靠的、高精度的刀具监测系统对于自动化加工的发展尤 为重要。 在上世纪中期，机械加工数控技术得以应用之前，国外对刀具磨损和破损监测技术的研究 就已开展。经过数十年的发展，难加工材料的应用场合越来越多，国外对难n _ - e 材料切削过程 中刀具磨损与破损监测做了大量的工作，技术和理论都得到极人的丰富和发展。 m n o u a r i 和a g i n t i n g t 2 】以难加工材料中的钛合金t i 一6 2 4 2 s 为切削对象，使用c v d 复合涂 层和未涂层硬质合金刀具在干切削条件下进行端铣试验，对其刀具磨损机理和刀具寿命进行了 试验和理论分析，认为t i 6 2 4 2 s 铣削过程中刀具的磨损机理包括两个方面：一方面是由- r j , ：材 料在刀具表面的粘结和撕裂所导致的机械磨损，另一方面则是由于较高的切削温度所导致的刀 具材料与m e t - 材料之间的扩散磨损。k i m 等人提山了球头铣刀加工中有关刀具变形及加工表面 形状误差的预测模型，通过考虑刀具和刀柄刚度来计算刀具的变形量。以模具钢k p 4 m 为加工 对象，进行切削试验。通过对刀具一工件啮合区计算来求取切削力3 1 。w a n gh a i t i 纠4 1 通过抽取 切削力信号的不同特征，利用神经网络建立了刀具磨损与切削力的映射关系，对刀具磨损状态 进行识别或计算精确的刀具磨损值。p w m a r k s b e r r y 和i s j a w a h 】通过干切削条件下t a y l o r 公式的扩展，揭示在近干切削条件下一种新的刀具磨损或刀具寿命的预测方法，以h s l a 合金 钢为切削对象，验证所提出的理论模型。w e i h o n gl i 等【6 1 将小波变换算法用来自动识别加工处 理的刀具磨损状态，利用切削力信号经小波变换后揭示刀具磨损状态。文献 7 - 1 4 通过刀具几何 模型研究切削过程中的刀具所受的切削力并建立切削力经验模型，设计切削试验从而获得切削 过程中刀具的磨损信息；或是通过难加： 材料切削试验测量刀具磨损后的切削力的变化，寻找 刀具切削力的变化规律从而达到刀具磨损预测或是监控的目的。a s e n t h i lk u m a r 等【l5 】建立刀具 磨损与时间变量的磨损模型，以马氏体不锈钢( h r c 6 0 ) 为切削工件，进行刀具磨损切削试验， 通过多元线性回归( m r a ) 求解刀具磨损的经验公式。日本牧野公司通过主轴负载电流监控器 2 南京航空航天大学硕士学位论文 对切削过程的刀具磨损、破损进行研究；美国麻省理工学院利用监测原子能放射性的方法进行 诊断和监测刀具的磨损情况等等。 在国内，由于数控机床等先进制造技术发展较晚，因此刀具状态监测技术的研究上起步也 比较晚。在上世纪7 0 年代末，我国才开始对刀具状态的监测技术进行研究。但经过不懈的努力， 在检测方法和监测识别理论上都有了长足的进展，有些已接近甚至超过国际先进水平。 刘强1 6 1 、徐创文等【1 7 1 以刀具后刀面磨损量作为因变量，对不同切削条件下切削加工过程刀 具后刀面磨损的多组试验数据，采用偏最b - - - 乘回归分析方法，建立所选自变量的偏最b - - 乘 回归模型。南京航空航天大学的张臣 1 8 - 1 9 1 针对刀具磨损度量方式和模型建立的问题，以球头刀 具铣削模具钢c r l 2 为研究对象，提出球头铣刀刀具磨损的度量方式并建立刀具磨损模型。南京 航空航天大学的何宁等人 2 0 - 2 1 1 研究了铣削用量、刀具磨损以及不同的工件材料对铣削力的影 响，分析了铣削力在不同坐标系中的变化规律，并对铣削力的频域特性进行了研究。通过对钛 合金的切削加工试验，探讨了铣削时高频振动和冲击对铣削力的影响。文献 2 2 - 2 5 1 介绍了切削加 工难加工材料的特点，对其切削机理进行研究，通过切削力或刀具后刀面变化来反映刀具磨损 情况，建立切削力与切削参数间的模型，通过切削参数实现对刀具所受切削力进行预测。浙江 大学的毕运波【2 6 】在铣削加_ t 机理理论分析的基础上，将复杂的铣削加工过程等效简化，通过正 交直齿铣削试验，建立了硬质合金刀具切n j j 口_ - r _ 航空铝合金过程中切削基本量与切削参数之间 的经验公式。山东火学2 7 。叫对刀具磨损机理进行了研究，通过大量切削难, n _ - c 材料中的钛合金 试验获得真实有效的切削力信号，切削力信号在经过分解后，其细节信号能够反映刀具的磨损 状态，可作为刀具磨损信号的特征向量并分析了切削因素对刀具磨损及切削力的影响，获得刀 具磨损的相关模型并对刀具的磨损形态进行了探讨。 通过以上的分析可知，国内外对刀具磨损的建模多是通过分析加工过程中切削力等信号的 变化来反映刀具磨损的变化，而对刀具磨损与加工参数的直接建模研究较少。在以上文献中刀 具磨损量的测量方法或是不方便或是测量的成本比较高。 1 3 研究内容与结构 本论文通过对刀具磨损的研究，建立难加丁材料铣削加工的刀具磨损模 求解刀具磨损模型的系数。本文主要包括以下研究内容： 通过分析加工因素对刀具磨损的影响以及考虑刀具磨损量与铣刀切削 关，对最初建立的磨损模型进行修正，建立了球头铣刀的刀具磨损模型。 提出复映测量的方法，给出了复映测量的基本思想以及具体过程，分 点，给出了球头铣刀复映测量的数学处理方法。通过建立的刀具半径变化量 的映射关系，实现刀具磨损量的测量。 难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究 针对球头铣刀的刀具磨损模型，以不锈钢0 c r l 8 n i 9 为加工试验材料，以硬质合金球 刀为加工试验刀具，采用多因素正交试验法进行了铣削加工试验并采用复映测量方法获得 的磨损量。 根据试验所得到的数据，采用最小二乘法和线性同归法求解刀具磨损模型中各个系 通过刀具磨损模型回归方程的显著性检验考察试验因素对磨损模型的影响是否显著。在显 检验的基础上，利用偏回归系数的显著性程度判断模型中切削参数对刀具磨损模型的影响 程度并通过试验验证刀具磨损模型的正确性。 论文共分6 章，各章节具体内容安排如下： 第一章阐述了论文的选题背景，对国内外有关刀具磨损的研究现状进行了概述，介 文的来源、研究内容以及组织结构。 第二章阐述刀具的磨损过程与磨损规律，对刀具的磨损形式进行了简要的介绍，并 具磨损状态的评价指标和磨钝标准做了说明。通过分析加工冈素对刀具磨损的影响以及考 具磨损量与铣刀切削刃单元所处位置有关，对最初建立的磨损模型进行修正，建立了球头 的刀具磨损模型。 第三章介绍了刀具磨损测量的方法：直接测量和间接测量，并对每种测量方法的原 行了论述同时指出每种方法的优缺点。提出复映测量的方法，给出了复映测量的基本思想以及 具体过程，给出了球头铣刀复映测量的数学处理方法。通过建立的刀具半径变化量与刀具磨损 量之间的映射关系，从而实现刀具磨损量的测量。 第四章对试验系统进行简单介绍并对所应用的试验方法一正交试验作了阐述。为求解 球头铣刀的刀具磨损模型系数，进行不锈钢0 c r l 8 n i 9 的铣削加 二多冈素正交试验。采用复映测 量方法得到球头铣刀的刀具磨损量。 第五章将刀具磨损模型线性化，根据试验得到的数据，采用多元线性同归的方法求解刀 具磨损模型的系数并对其同归方程进行显著性检验。在显著性检验的基础上，利用偏回归系数 的显著性程度判断模型中切削参数对刀具磨损模型的影响重要程度并通过试验验证刀具磨损模 型的正确性。 第六章对本文所做的研究开发工作和取得的研究成果进行了总结，并指出了今后继续改 进和提高的方向。 论文研究路线图如下： 4 南京航空航天大学硕士学位论文 厂 第一章绪论 、 选题背景 国内外研究现状 论文组织结构 1lr 厂 第二章刀具磨损模型的建立 、 刀具磨损的原因、过程与规律 磨损形式及磨钝标准 球头铣刀刀具磨损建模 平底立铣刀刀具磨损模型 1 7 第三章基于复映法的刀具磨损测量、 厂、 第四章铣削加工刀具磨损试验与测量 刀具磨损测量方法 试验系统 复映测量的具体过程 刀具磨损试验 平底铣刀复映测量的数学处理 刀具磨损量的获得 球头铣刀复映测量的数学处理 ， 1lrj 第五章刀具磨损模犁确定与影响因素分析、 刀具磨损模型系数求解 影响因素分析 试验验证 ，、 第六章总结与展望 对本文研究内容的总结 对今后研究内容的展望 图1 1 论文研究路线图 5 难加1 = 材料铣削加工刀具磨损建模技术研究 第二章刀具磨损模型的建立 刀具磨损是影响加工精度的一个重要因素。通过建立刀具磨损模型监测刀具的磨损量，保 证在刀具达到磨钝标准之前，更换刀具从而保证加工质量。本章以数控立铣刀为研究对象，通 过分析影响刀具磨损的原因及规律，建立各切削参数与刀具磨损量之间的映射关系，从而建立 待求解的铣刀磨损模型。 2 1 刀具磨损简介 1 】 3 1 - 3 3 】 2 1 1 刀具磨损的原因 金属切削过程中，造成刀具磨损的原冈很复杂，是机械、物理及化学作用的综合结果。 1 ) 机械摩擦所造成的磨损。刀具材料与工件表面的摩擦造成刀具的磨损，这就是所谓的磨 料磨损。由于切屑或工件表面上有一些合金碳化物( 尤其是钒、钛、硅、铬、钨等元素的碳化 物) 的硬质点，在刀具表面上划出沟痕所造成的磨损，这是一种单纯由于机械摩擦所造成的磨 损。采用耐磨性刀具材料，提高刀具切削部分的表面粗糙度，同时采用适宜的冷却切削液，都 能减轻机械摩擦，从而提高刀具寿命。 2 ) 粘结磨损。_ - v a - t 材料和切屑在一定的接触压力和切削温度下与刀具切削部分的接触与摩 擦，将会产生材料分子间的吸附作用。切屑与前刀面、： 件与后刀面发生粘结，在粘结点处， 由于相对运动的关系，使品粒或品粒群受剪或受拉而被对方带走，造成粘结磨损。 粘结磨损的强烈程度主要取决于工件材料与刀具之间的亲和力、硬度比以及切削速度和切 削温度等条件。切削温度越高、刀具表面缺陷越多、硬质合金颗粒越粗、刀具与：【= 件材料的硬 度比越小，则粘结磨损越严重。这种粘结磨损在切削塑性高、粘结性强的金属时，以及在切削 温度较高、润滑条件较差的情况下较易发生。合理地选择刀具材料、降低切削温度、改善冷却 润滑条件，使刀具或工件表面形成润滑膜，能减少刀具的粘结磨损，提高其寿命。 3 1 扩散磨损。高速切削时，在切削区的高温、高压作用下，刀具与切屑间将产生元素间的 相互扩散，刀具表面的成分和结构发生变化，即为扩散磨损。影响扩散磨损的主要因素有：切 削温度、刀具材料的化学成分和刀一屑间的相对运动速度【3 2 1 。 扩散磨损的强度与刀具、工件材料的组合有关，与刀具材料化学成份有关，也与温度和接 触时间有关。温度愈高，扩散磨损加剧；扩散物质的激活能愈大，扩散磨损减弱。例如硬质合 金刀具材料中的碳、钨、钴等元素在加工过程中会向工件扩散，而t 件中的铁元素则会向硬质 合金中扩散，造成硬质合金表层组织变化，强度下降并脆化，使磨损和剥落过程加快。 4 、周围介质化学作用引起的磨损( 氧化磨损) 。在切削高温作用下，空气中的氧与刀具表面 6 南京航空航天大学硕士学位论文 起化学作用，形成一层硬度较低的化合物而被切屑或工件带走，造成氧化磨损。氧化磨损最易 在主、副切削刃的工作边界处形成，造成边界磨损。空气中氧在高温下会使硬质合金产生表面 氧化层，从而加速刀具的磨损。冷却润滑液中加入极压添加剂后，其渗透性、形成润滑膜的能 力及润滑膜强度都会提高，可以有效地降低刀具磨损。但要注意避免冷却润滑液与刀具材料间 发生物理化学反应而降低刀具的耐磨性。 2 1 2 刀具磨损的过程与规律 生产实践及切削资料可知，刀具的磨损过程大体分为三个阶段： 后刀面童v b ，初级磨损，急剧j l 正常磨损 1 j j 一 a r 0 脏 图2 1 刀具磨损过程 初期磨损阶段( o a 段) 。图2 1 中o a 段曲线为刀具初期磨损阶段，曲线的斜率较大，刀 具磨损较快。原冈是新刃磨的刀具刀刃和刀面都还不够平整具有一定的粗糙度，与加工表面实 际接触面积很小，使切削刃上的应力集中，所以在后刀面上迅速磨出一条窄面，使切削刃和加 工表面的接触压力减少，刀具的磨损速度逐渐减少并趋于稳定，直到初期磨损阶段结束。 正常磨损阶段( a b 段) 。图2 1 中a b 段为刀具正常磨损阶段，曲线的斜率较小，刀具磨 损较慢。经过初期磨损后的切削刃和工件接触面积增加，接触压力降低了，磨损量的增加也趋 于缓慢，磨损宽度随时间增长而均匀增加。正常磨损阶段的曲线a b 基本上是一条向上倾斜的 直线。在这一阶段中，刀具磨损的速度相对减慢，切削过程比较稳定，切削力和切削温度均随 磨损值的增大而增大。 急剧磨损阶段( b c 段) 。图2 1 中b c 段曲线为刀具急剧磨损阶段，曲线的斜率较大，刀 具磨损很快。在切削加工过程中，如果刀具的磨损值达到一定的数值后( 超过了正常磨损阶段) ， 由于摩擦加大，切削热显著增多，切削力和切削温度急剧上升，刀具材料的切削性能急剧下降， 导致大幅度磨损或烧损，刀具将发生剧烈磨损直至刀具完全丧失切削能力。 高速钢刀具和硬质合金刀具的磨损过程火多是符合上述规律的。 2 1 3 刀具磨损形式 刀具的磨损发生在与切屑和l 件接触的前面和后面上，但两者相互影响，常常同时发生。 7 难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究 刀具的正常磨损按照其磨损发生的部位可分为三种形式，即前刀面磨损、后刀面磨损和前、后 刀面同时磨损，见图2 2 。 ( 1 ) 前刀面磨损 切削加工时，采用较高的切削速度和较大的切削厚度的情况下，切屑逐渐在前刀面上磨出 一个凹坑，则在刀具前面形成月牙洼，这种磨损形式被称为前刀面磨损【3 3 1 。如图2 2 ( a ) 所示。 前刀面磨损以切削温度最高的位置为中心开始发生，然后逐渐向前后扩展。月牙洼和切削刃之 间有一条小狭边。随着切削时间的增加，这个小狭边逐渐由于月牙洼的扩展而变窄，刀刃的强 度大为削弱，易导致切削刃崩刃而产生破损。刀具前面磨损量通常以月牙洼最大深度k t 表示。 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 2 刀具磨损形式 ( 2 ) 后刀面磨损 在切削温度较低和切削厚度较小的情况下，刀具产生月牙洼磨损的可能性较小，后刀面的 磨损远大于前刀面上的磨损。因为此时刀具与工件表面的接触压力很大，存在着弹塑性变形， 而后面与工件实际上是小面积接触，磨损就发生在这个接触面上。这种磨损形式被称为后刀面 磨损，如图2 2 ( b ) 所示。在切削刃工作长度上，刀具后面磨损量是不均匀的。在主切削刃靠近 工件待加工表面处，由于上工序的加工硬化层等影响，磨损也较严重。加工表面和刀具后刀面 间存在着强烈的摩擦，在后刀面临近切削刃处，因其散热条件和强度较差被磨出了沟痕。靠近 刀尖部分磨损较大。 ( 3 ) 前刀面和后刀面同时磨损 前刀面和后刀面同时磨损是指前刀面的月牙洼和后刀面的棱面同时发生的磨损，在一定的 切削条件下，切削塑性金属工件时，由于氧化物白口层和加工硬化层造成工件表面硬化或者锯 齿状切屑造成摩擦等情况的发生，常常会在刀具的前刀面和后刀面同时出现磨损，如图2 2 ( c ) 8 南京航空航天大学硕士学位论文 所不。 2 1 4 刀具磨钝标准 在进入急剧磨损阶段之前就应该将刀具取下刃磨，或者更换新刀刃，这就需要确定一个磨 损限度，这个允许达到的最大磨损量，称为刀具的“磨钝标准”【3 2 1 。这是为了提高刀具总的使 用寿命，避免刀具进入急剧磨损阶段，及时更换刀具所规定的极限磨损量。 一般来说，粗加工、半精加工时，将接近正常磨损阶段终了时的磨损量定为磨损限度较适 宜，这样既充分发挥了刀具的切削能力又不至于烧损刀具。精加工时，则当工件的加工精度或 粗糙度开始达不到工艺要求时，定为磨损限度。由于磨损限度的测量和控制比较麻烦，加之生 产条件和加工状态的不同，对磨损的要求也不同，实际生产中常用于确定磨钝标准的方法有以 下几种： ( 1 ) 根据后刀面的磨损宽度达到一定数值来确定磨钝标准； ( 2 ) 通过切屑的颜色或者形状有无显著的变化来判断，以切屑的底面变得粗糙来判断刀刃的 磨损情况； ( 3 ) 工件表面粗糙度显著变粗，或尺寸精度超出公差； ( 4 ) 切削力增大，切削温度升高，山现不正常的声响和产生振动。 在铣削过程中，切削厚度变化较人，铣刀刀齿常在切削层冷硬面上摩擦，导致铣刀后刀面 上都有磨损，所以铣刀都以后刀面磨损量来制定磨损限度。对定尺寸刀具和精加工刀具为了保 证：件的尺寸精度常以沿工件径向测量的刀面磨损量n b 的允许极限值作为磨钝标准；对于一 般刀具常以后刀面磨损带高度v b 的允许极限值作为磨钝标准。 为了测量磨损，把主切削刃分为三个区，如图2 3 所示。图中，( a ) 后刀面磨损区域图，( b ) 为前刀面磨损深度剖面图，( c ) 为前刀面磨损区域图，b 为切削刃磨损长度，c 区是切削刃刀尖 处的曲线部分：b 区是在c 区和n 区之间，n 区是离刀尖最远( 切削刃磨损长度的1 4 ) 。月牙 洼磨损k t 测量原始前刀面与月牙洼底部间的最大的距离：月牙洼的宽度k b 是月牙洼后端与 原始主切削刃间的距离，在b 区内平行于前刀面并垂直于主切削刃方向测量；后刀面磨损带宽 度v b 在b 区内，并在主切削刃面内垂直于主切削刃测量，v b 应从主切削刃的原始位置开始 测量。 9 在评 在切削加 后刀面磨 测量起来 统一规定 加工 合金及陶瓷刀具的磨钝标准是：若在刀具后刀面b 区为非正常磨损，则v b b m 。= 0 6 m m ；若在 刀具后刀面b 区为正常磨损，则v b b = o 3 m m ；硬质合金刀具前刀面月牙洼磨损的月牙洼深度 k t = 0 0 6 + 0 3 f , 月牙洼前沿距离k f = 0 0 2 m m 【3 2 1 。 2 2 球头铣刀刀具磨损建模 试验经验建模方法是目前比较常见的一种刀具磨损建模方法，根据刀具磨损试验或实际生 产经验获得的切削参数及刀具磨损数据，应用统计学原理建立刀具磨损与切削参数间的函数关 系。这种建模方法是将刀具磨损表示为切削参数的指数函数形式。这种模型是基于试验以及经 验建立起来的，可以根据实际生产需要选择适当的切削参数表达刀具磨损【2 6 1 。 根据铣削加工过程中刀具磨损规律的先验知识可知，刀具磨损量随加工时间的发展而变化， 在不同的切削条件下，增长的快慢不同。研究发现，在同一切削条件下，磨损量的变化率近乎 是一定值【1 9 】【3 4 l ： a v b ( a t ) a t = k ( 2 1 ) 式中，f 为同一切削条件下刀具磨损检测的切削时间间隔；a v b ( a t ) 为同一切削条件下 刀具磨损量在f 时间间隔内的变化量；k 为同一切削条件下与刀具和：l = 件材料相关的系数。 考虑到实际工况的复杂性，刀具磨损量与切削时间间隔的关系仅凭线性关系是不能准确反 映刀具磨损情况。将式( 2 1 ) 修正为指数关系： av b ( a t ) = k a t 6 ( 2 2 ) 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 式中，b 为切削时间间隔的指数。 通过金属切削的知识可知：铣削时，主轴转速的提高表明刀具的切削速度增大，而切削速 度增大导致摩擦加剧，使得刀具与切屑的界面温度升高，刀具磨损也增大。刀具会随着切削温 度的升高而发生磨损，铣刀转速越高，产生的切削热越大，刀具磨损量越大。进给速度和切削 深度对刀具磨损的影响主要通过切削力增大、切屑堵塞和刀具变形的作用来表现的，切削力增 大和切屑堵塞也会使切削温度升高导致刀具磨损加剧。 加工过程中切削参数对刀具的磨损有着重要的影响。为了能建立较全面的刀具磨损模型， 需要考虑加工过程中的切削参数。 鉴于切削参数对刀具磨损的影响，式( 2 2 ) 可以修正为： v b ( f ) = k n 岛g b 2 口。b 3 d b 4 a t 如 ( 2 3 ) 式中，t 为主轴转速；b l 为主轴转速指数；，为进给速度；6 为进给速度的指数；a 。为切 削深度；以为切削深度指数：d 为铣削加工中的刀具直径，6 4 为刀具直径指数；a t 为切削时 间间隔，良为切削时间间隔的指数。 对于球头铣刀，刀具磨损量大小还与球头铣刀切削刃单元所处的不同位置有关。为此，用 球头刀具径向方向上的磨损量a v s ( a t ) 和切削刃单元处于的位置来衡量球头铣刀部分切削刃 单元的磨损情况，式( 2 3 ) 修正为： v br ( a t ) = k nb 1 1 ，6 ：口b 。s db 4 a t6 s h b 6 ( 2 4 ) 式中：k 为同一切削条件下与刀具和工件材料相关的系数，n 为主轴转速：6 t 为主轴转速 指数；v 为进给速度；如为进给速度的指数；a 。为切削深度；以为切削深度指数；d 为铣削加 工中的刀具直径，6 4 为刀具直径指数；a t 为切削时间间隔，坟为切削时间间隔的指数；h 为 切削刃单元处于的位置，6 6 为切削刃单元处于的位置的指数。 为研究难加工材料铣削过程中刀具的磨损情况，上文建立了数控铣刀刀具磨损模型，所建 的模型是系数未知的模型。为对刀具磨损模型进行反求，通过加工试验得到相关试验数据，对 试验数据进行数据处理从而得到刀具磨损模型的系数。 在试验中，刀具磨损量的测量是比较关键的部分。现如今刀具磨损量的测量方法众多，关 于现有的测量方法进行了综述及复映测量方法的相关知识将在第三章进行介绍。 2 3 本章小结 本章首先分析刀具磨损的原冈。阐述刀具的磨损过程与磨损规律，对刀具的磨损形式进行 简要的介绍，并对刀具磨损状态的评价指标和磨钝标准做了说明。建立刀具磨损与切削时间相 关的刀具磨损模型，通过分析加工因素对刀具磨损的影响以及考虑刀具磨损量与铣刀切削刃单 元所处位置有关，对建立的磨损模型进行修正，建立了球头铣刀的刀具磨损模型。 难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究 第三章基于复映的刀具磨损测量 为求解前文所建立的刀具磨损模型离不开刀具磨损的测量，关于刀具磨损的测量也有诸多 方法。本章对现有的刀具磨损的测量方法进行简单的介绍并提出一种新的测量方法一复映测 量。 3 1 刀具磨损测量方法简介 刀具是切削加工中至关重要的部分，刀具的磨损状态关系着加工质量以及加工效率。多年 来，国内外众多学者对刀具磨损或破损进行了大量的研究。伴随着生产自动化和传感技术的发 展，综合国内外研究的诸多方法，刀具磨损的测量方法可分为直接测量法和间接测量法两大类。 3 1 1 直接测量 目前，直接测量包含以下三种方法： ( 1 ) 测量刀刃位置 该方法采用的是接触触发式传感器，该传感器上作原理是停机后退出刀架至原位，回转臂 在测头接触刀具后会发出一个信号，该信号锁住测头刀具在机床上的坐标位置，根据两次坐标 之间的读数差，可知刀具的磨损量。利用这一方法可测出刀尖的磨损、破损尺寸的改变量，但 比较麻烦，对形状复杂的工件更是无能为力。 ( 2 ) n 量刀具损耗面 应用光学技术监测刀具损耗面大小的方法。光学方法是利用磨损区比末磨损区有更强光反 射能力的原理，把一束强光照射在后刀面上，根据反射光的强度来判定刀具的使用状况。显微 镜接收刀刃部分的图像，输送给工业电视摄像机，根