CN106002488B - 一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法 - Google Patents

一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其用于对切削刀具的磨损量进行实时在线监测，其特征在于，该方法包括：(1)利用非等分剪切区模型计算切削过程中由切屑的形成而产生的锋利刀具作用下的切削力；(2)计算出切削过程中由切削刃钝圆引起的犁切力；(3)根据上述确定的锋利刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得刀具切削力；(4)根据上述得到的刀具切削力，建立刀具磨损监测模型，从而实现对刀具磨损的实时监测。本发明的方法可以准确表征刀具磨损状态，通过对该切削力的监测即可实现对刀具磨损的监测，从而实现对刀具磨损的实时在线和准确的监测。

Description

一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法
技术领域
本发明属于刀具磨损监测领域，具有涉及一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法。
背景技术
工件在切削加工的过程中，刀具会有所磨损，刀具的磨损会引起刀具的几何形状发生变化，从而加工工件就会产生尺寸偏差，还会影响工件的加工质量。为了避免工件的偏差过大，提高加工质量，需要对刀具的磨损量进行监测，根据监测结果来确定是不是要换刀。
常用的监测刀具磨损的方法为直接监测法，直接监测法主要通过直接测量后刀面磨损带中间部分的平均磨损量进行检测。由于直接监测法在监测时需要不断测量刀具磨损量，会使得生产过程中断，影响加工效率，因此后来又出现了间接监测法。间接监测法则是通过测量与刀具磨损有关的物理量如切削力、声发射等，并建立这些物理量与刀具磨损的对应关系，从而实现对刀具磨损的间接监测。间接监测法常用的是选取切削分力的比值及比值的变化作为判别特征量，一旦这两个特征量超过某一阈值，即可认为刀具已经磨损。但在实际监测时，由于振动和随机噪声的干扰，采用该方法判断刀具磨损容易出错，造成误判。而且由于刀具的正常磨损与异常磨损之间的界限具有一定不确定性，因此预先确定阈值较为困难，必须根据经验和进行较多试验后才能确定，且在不同的场合阈值并不稳定。
发明内容
本发明旨在针对现有技术中存在的问题，提出一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其通过对切削力进行优化建模，使得其可以准确表征刀具磨损状态，通过对该切削力的监测即可实现对刀具磨损的监测，从而实现对刀具磨损的实时在线和准确的监测。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：
一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其用于对切削刀具的磨损量进行实时在线监测，其特征在于，该方法包括：
(1)利用非等分剪切区模型计算切削过程中由切屑的形成而产生的锋利刀具作用下的切削力；
(2)计算出切削过程中由切削刃钝圆引起的犁切力；
(3)根据上述确定的锋利刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得刀具切削力；
(4)根据上述得到的刀具切削力，建立刀具磨损监测模型，从而实现对刀具磨损的实时监测，其中刀具磨损量与切削力的关系为：
其中，δ为刀具磨损量，A为刀具材料硬度系数，μ为刀具与工件摩擦性能相关的参量，其值的取值优选为1<A<5，B为工件材料硬度系数，V为刀具切削速度，D为刀具吃刀量，x，y和z分别为切削进给速度指数、切削力指数以及吃刀量指数，其取值范围分别为(0,1)。
作为本发明的进一步优选，锋利刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得刀具切削力的具体过程如下：
F1＝aFc+bPc
F2＝cFt+dPt
其中，F1为直角切削加工中在切削速度方向的切削力，F2为直角切削加工中在垂直切削速度方向的切削力，a，b，c，d分别为表示锋利与钝圆相互关系的常数，其满足
各式中，β为刀具和切屑之间的摩擦角，α为刀具前角，为剪切角，t为切削厚度，w为切削宽度，τ为主剪切区的剪切流动应力，Fs为主剪切面上的剪切力，Pc是切削速度方向上的犁切力，Pt是垂直于工件已加工表面方向上的犁切力，λ为中间参量，且ρ0为切屑与未加工表面之间过渡斜面的倾斜角。
作为本发明的进一步优选，主剪切区的剪切流动应力τ通过如下公式计算得到：
上式中，C为材料的应变率敏感系数，n为材料的硬化指数，m为热软化指数(系数)，γ为剪切应变率，T是材料的熔化温度，Tr是参考温度。
作为本发明的进一步优选，主剪切面上的剪切力Fs通过如下公式计算得到：
总体而言，本发明的技术方案根据刀具切削特点将其分为锋利状态下和钝圆作用下的两种情形，并分别建立相应的切削力，据此形成实际状态下的切削力模型，然后根据切削力模型获得刀具磨损关系式，从而可准确在线地实现刀具磨损的实时监测，该方法计算过程简单，结果精确并可实时在线呈现。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法以及相似变化，均应列入本发明的保护范围。
在刀具切削力的模型建立过程中，先利用非等分剪切区模型计算由切屑的形成而产生的锋利刀具作用下的切削力，其次计算出由切削刃钝圆引起的犁切力，将二者综合叠加考虑即得到考虑切削刃钝圆时的切削力。
在切屑的形成过程中，剪切滑移所需要的力是由刀具前刀面并通过切屑来传递的，由于切屑以一定的速度沿着前刀面摩擦流出，故切削力的作用应当满足前刀面的摩擦条件，这样，由于前刀面的摩擦所需要的力和剪切面变形所需要的力必须平衡，所以二者大小相等，方向相反，并且作用在同一直线上
非等分剪切区模型为业内成熟的计算模型，本方案直接应用该模型进行切削力。
在锋利刀具作用下，切削力F为切屑与刀具前刀面接触而受到的摩擦力和法向力的合力，可以分解成切削速度方向的切削力Fc和垂直切削速度方向的进给力Ft，其中
其中，β为刀具和切屑之间的摩擦角，α为刀具前角，为剪切角，t为切削厚度，w为切削宽度。
Fs为主剪切面上的剪切力，
τ为主剪切区的剪切流动应力，
上式中，C为材料的应变率敏感系数，n为材料的硬化指数，m为热软化指数，γ为剪切应变率；T是材料的熔化温度，Tr是参考温度，通常情况下为室温。主剪切区的剪切流动应力本实施例中优选通过Johnson-Cook材料本构模型来计算获得，该Johnson-Cook材料本构模型属于业内成熟的计算主剪切区的剪切流动应力的方案。
因为刀具并不是绝对锋利的，切削刃处总会存在一个钝圆半径，因此在实际的切削加工过程中，切削力是有两部分组成的，一部分是在刀具绝对锋利的情况下计算得到的切削力，另一部分是由切削刃钝圆产生的犁切力，两部分叠加就构成了实际刀具形成的切削力状态。
由切削刃钝圆作用在工件加工表面上的犁切力可由下式进行计算：
其中，Pc是切削速度方向上的犁切力，Pt是垂直于工件已加工表面方向(进给方向)上的犁切力，τ为主剪切区的剪切流动应力，为剪切角，w为切削宽度，λ为中间参量，
ρ0为切屑与未加工表面之间过渡斜面的倾斜角。
直角切削加工中的切削力与锋利刀具作用下的切削力和切削刃钝圆作用产生的犁切力满足如下关系：
F1＝aFc+bPc (8)
F2＝cFt+dPt (9)
其中，F1为直角切削加工中在切削速度方向的切削力，F2为直角切削加工中在垂直切削速度方向的切削力。
a，b，c，d分别为表示锋利与钝圆相互关系的常数，一般地其满足a与c，以及b与d的取值范围可以相同也可以不同。
最终的切削力大小为：
基于建立的切削力模型，利用刀具与工件的摩擦系数以及切削速度，即可建立刀具磨损量与切削力的关系：
其中，δ为刀具磨损量，A为刀具材料硬度系数，优选A的取值范围为1<A<5，μ为刀具与工件摩擦性能相关的参量，其值优选为2<μ<4，具体根据刀具与工件的材料选择确定，B为表征工件材料硬度的常数，取值与工件材料相关，优选B的取值优选为[0.8-1.75]，V为刀具切削速度，D为刀具吃刀量(切削深度)，x，y和z分别为切削进给速度指数、切削力指数以及吃刀量指数，其取值范围分别为(0,1)。

Claims (4)

1.一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其用于对切削刀具的磨损量进行实时在线监测，其特征在于，该方法包括：
(1)利用非等分剪切区模型计算切削过程中由切屑的形成而产生的锋利刀具作用下的切削力；
(2)计算出切削过程中由切削刃钝圆引起的犁切力；
(3)根据上述确定的锋利刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得刀具切削力；
(4)利用上述得到的刀具切削力，建立刀具磨损监测模型，从而实现对刀具磨损的实时监测，其中刀具磨损量与切削力的关系为：
<mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>V</mi> <mi>x</mi> </msup> <msup> <mi>F</mi> <mi>y</mi> </msup> <msup> <mi>TD</mi> <mi>z</mi> </msup> <mi>B</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，δ为刀具磨损量，A为表征刀具材料硬度的常量系数，μ为表征刀具与工件摩擦性能相关的常量，B为表征工件材料硬度的常量，V为刀具切削速度，F为刀具切削力，T是工件材料的熔化温度，D为刀具吃刀量，x，y和z分别为切削进给速度指数、切削力指数以及吃刀量指数，其取值范围分别为(0,1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其中，根据所述锋利刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得刀具切削力的具体过程如下：
F1＝aFc+bPc
F2＝cFt+dPt
<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>F</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>F</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中，F1为切削加工中在切削速度方向的切削力，F2为切削加工中在垂直切削速度方向的切削力，a，b，c，d分别为表示锋利与钝圆相互关系的常数，其满足Pc是切削速度方向上的犁切力，Pt是垂直于工件已加工表面方向上的犁切力，Fc为锋利刀具作用下沿切削速度方向的切削力，Ft为锋利刀具作用下沿垂直切削速度方向的进给力；
另外，
各式中，β为刀具和切屑之间的摩擦角，α为刀具前角，为剪切角，t为切削厚度，w为切削宽度，τ为主剪切区的剪切流动应力，Fs为主剪切面上的剪切力，λ为中间参量角度且ρ0为切屑与未加工表面之间过渡斜面的倾斜角。
3.根据权利要求2所述的一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其中，所述主剪切区的剪切流动应力τ通过如下公式计算得到：
<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>C</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;gamma;</mi> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>m</mi> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>n</mi> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
上式中，C为材料的应变率敏感系数，n为材料的硬化指数，m为热软化指数，γ为剪切应变率，T是材料的熔化温度，Tr是参考温度。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于切削力模型的刀具磨损监测方法，其中，所述主剪切面上的剪切力Fs通过如下公式计算得到：
式中，为剪切角，t为切削厚度，w为切削宽度，τ为主剪切区的剪切流动应力。
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