CN110103079B - 一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法 - Google Patents

一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法，其步骤包括：1建立包含刀具磨损的微铣削力模型，根据每次铣削实验测量的微铣削力标定模型中的磨损系数，同时记录对应的铣刀磨损面积；2根据实验得到的磨损系数与铣刀磨损面积的一系列离散数据点，采用数值方法拟合出磨损系数与铣刀磨损面积的关系式；3根据微铣削力、磨损系数和磨损面积的关系，得到微铣削力与刀具磨损面积的直接映射关系，以实现微铣削过程中刀具磨损的在线监测。本发明能利用在线监测方法/技术来预测刀具磨损、避免刀具失效，从而提升加工效率和加工质量。

Description

一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法
技术领域
本发明涉及微铣削加工领域，具体是一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法。
背景技术
随着我国产业结构的调整，数控机床目前正朝着高精度、高速高效、柔性化和智能化的方向发展。在高端精密制造领域，例如现代国防装备中许多关键零部件的加工、航空发动机叶片、减速器、曲轴类零部件等的加工，由于其结构复杂、材料可加工性差、精度要求高，采用传统数控机床加工该类零件时，几何精度与表面完整性差，质量难以保证。
微铣削因具有加工材料的多样性和能实现复杂三维曲面加工的优势在微细与超精密仪器加工等领域有广泛的应用前景。然而微铣刀在超高转速下进行不连续切削，刀具磨破损迅速且难于监测，严重影响加工精度与产品质量，刀具磨破损的在线监测一直是微铣削加工过程控制的难点。
在刀具磨损检测技术方面，研究者们利用前刀面或后刀面磨损量来代表刀刃的磨损程度，并以此为基础，建立了考虑刀具磨损的微铣削力模型，预判刀具磨损程度、预测刀具剩余使用寿命。但在实际生产过程中，仍存在一些问题亟待解决：
首先，由于精密机床主轴高速旋转且微铣刀直径小，刀具本身的磨损状态难以实时测量；其次，现有的微铣削力模型尚缺乏铣削力和刀具磨损量之间直接的映射关系，无法通过实时监测微铣削力来判断刀具磨损程度。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足之处，提供一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法，以期能利用在线监测方法/技术来预测刀具磨损、避免刀具失效，从而提升加工效率和加工质量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法的特点包括以下步骤：
步骤1、建立包含刀具磨损的微铣削力模型，根据每次铣削实验测量的微铣削力标定模型中的磨损系数，同时记录对应的铣刀磨损面积；
步骤2、根据实验得到的磨损系数与铣刀磨损面积的一系列离散数据点，采用数值方法拟合出磨损系数与铣刀磨损面积的关系式；
步骤3、根据微铣削力、磨损系数和磨损面积的关系，得到微铣削力与刀具磨损面积的直接映射关系，以实现微铣削过程中刀具磨损的在线监测。
本发明所述的一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法的特点也在于，利用式(1)建立步骤1中的包含刀具磨损的微铣削力模型F：
F＝KwFC (1)
式(1)中，Kw为磨损系数，FC为未考虑刀具磨损的微铣削力模型。
所述的未考虑刀具磨损的微铣削力模型是根据微铣削力学特征建立的铣削力计算模型。
所述步骤1中铣刀磨损面积是每完成一道工序后，将刀具倒立时通过测量端部平面上的磨损区域而得。
所述步骤2中任意一个离散数据点是由测量每道工序的微铣削力后标定的磨损系数与测量的刀具磨损面积组成。
所述步骤2中，是利用式(2)拟合出磨损系数与铣刀磨损面积的关系式：
Sw＝f(Kw) (2)
式(2)中，Sw为铣刀磨损面积，f(·)表示映射关系的函数。
所述步骤3中，利用式(3)得到微铣削力与磨损面积的直接映射关系：
F＝g(Sw) (3)
式(3)中，g(·)代表映射关系的函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可以通过在线监测微铣削力评估刀具磨损状态和预测刀具剩余寿命，进而为保证加工质量提供了可行的理论方法。
2、本发明中刀具磨损量是用根据微铣刀端部平面上的磨损面积定义的，与传统上采用后刀面或前刀面上的磨损长度来表示磨损量相比，采用磨损面积更能够综合表征刀具的实际磨损状态。
3、本发明可以得到微铣削力与刀具磨损量直接的直接映射关系，不仅为在线监测刀具磨损状态提供了可行的技术依托，也为分析刀具磨损机理、延长刀具使用寿命、优化铣削参数、提升加工效率奠定了科学的理论依据。
附图说明
图1是本发明微铣刀磨损示意图；
图2是本发明建立微铣削力和刀具磨损面积映射关系的示意图；
图3是本发明在线监测方法的流程图。
具体实施方式
本实施例中，一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法，是采用理论和实验相结合的方法，确定了微细削过程中微铣削力与刀具磨损量的定量关系。首先，建立包含磨损系数的微铣削力模型；其次，通过实验得到微铣刀的磨损面积以及微铣削力和磨损系数的映射关系；最后，根据微铣削力、磨损系数和磨损面积的关系得到微铣削力和刀具磨损面积的直接映射关系，从而克服了传统预测刀具磨损时无法根据铣削力动态信号在线评估刀具磨损的缺点，避免了测量刀具磨损时重复安装、卸载刀具引起累计误差的弊端，改善了因无法预测刀具磨损而导致刀具失效、降低了加工质量的不足。具体的说，如图3所示，该方法包括以下步骤：
(1)建立包含刀具磨损的微铣削力模型，根据每次铣削实验测量的微铣削力标定模型中的磨损系数，同时记录对应的铣刀磨损面积，包括以下步骤：
1)根据微铣削的特点，建立包含刀具磨损因素的微铣削力模型：
I)根据微铣削理论，利用式(1)建立包含待定参数的铣削力模型FC：
FC＝(Ft,Fr)＝f(h,K(Kmt,Kmr,Ket,Ker)) (1)
式(1)中，Ft、Fr分别为切向、径向切削力；h为瞬时切削厚度；Kmt、Kmr分别为切向、径向切削系数；Ket、Ker分别为切向、径向切削刃系数。
a)微铣削过程中，切削刃钝圆半径的急剧减小引起的尺寸效应将导致有效前角变为负前角和最小切削厚度等现象。在铣削力模型中，体现微铣削尺寸效应的参量为切削厚度h：
Figure BDA0002097395660000031
式(2)中，D为铣刀直径、N为齿数、
Figure BDA0002097395660000032
为齿间角、β为螺旋角、re为刃口钝圆半径、hmin为最小切削厚度，ap为切削深度、b为切削宽度、ft为每齿进给、n为主轴转速。
b)在切削过程中，当瞬时切削厚度h小于最小切削厚度时，切削过程不会产生切削，在刀刃和材料形成的界面上，摩擦和犁切作用会取代切削过程而间歇性地发生。因此，在建立铣削力模型时需要分别考虑切削和犁切现象：
Figure BDA0002097395660000033
需要指出的是，在建立微铣削力模型的过程中，通过考虑不同的微铣削特征或参数，可以建立不同的微铣削力模型。如式(4)为一种切削厚度模型：
Figure BDA0002097395660000041
式(4)中，θ为刀齿切削角度。
将式(4)代入式(5)即可得到微铣削力解析模型。实际测量的铣削力通常是在直角坐标系下表示的(Fx,Fy)，因此需要利用式(5)将铣削力进行转化：
Figure BDA0002097395660000042
除实施方式中列举的相关微铣削特征或参数外，在建立微铣削力模型中还可以考虑如刀具跳动、刀尖轨迹等，其他建模方式可以参见文献；例如：
1.朱锟鹏,李科选,梅涛,施云高.微铣削力建模研究进展.机械工程学报,2016,52(17):20-34.http://www.cjmenet.com.cn/Jwk_jxgcxb/CN/10.3901/JME.2016.17.020；
2.B.Boswell,M.N.Islam,I.J.Davies.International JournalofAdvancedManufacturing Technology,2018,94(1-4):789-806.https://doi.org/10.1007/s00170-017-0912-y；
3.D.Carou,E.M.Rubio,J.Herrera,C.H.Lauro,J.P.Davim.Latest advancesinthemicro-milling oftitanium alloys:areview.ProcediaManufacturing,2017,13:275-282.https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.09.071。
II)切削过程中，刀具磨损会显著影响切削过程，随着刀具磨损量的增加，作用在前、后刀面上的铣削力也随之增大，因此在建立铣削力模型时需要考虑刀具磨损的影响。由于磨损存在于整个刀刃上，单独利用某一尺度上“尺寸”(如利用前刀面或后刀面磨损量，图1)来代表刀刃的磨损程度往往有失真实性。因此，这里将刀刃上的磨损面积定义为刀具磨损量，并利用磨损系数Kw来反映刀具磨损对铣削力的影响程度：
F＝KwFC (6)
这里需要指出，刀具的磨损是一个空间概念，为了便于表征，这里采用投影到微铣刀端部平面上的刀具磨损面积来代表刀具磨损量，见图1。此外，以图1中两齿微铣刀示意图为例(铣刀可以是单齿、3齿等其他齿数)，铣刀每一个齿上的磨损面积先单独测量/计算出来，然后将两个齿的平均磨损面积定义为铣刀的磨损量，当然也可以对每一个齿单独计算磨损面积，同时将该齿上对应的铣削力单独计算。
2)根据实验得到的微铣削力数据，标定微铣削力模型中的参数，同时记录每一道工序对应的刀具磨损面积。
(2)根据实验得到的磨损系数与铣刀磨损面积的一系列离散数据点，采用数值方法拟合出磨损系数与铣刀磨损面积的关系式，包括以下步骤：
1)将磨损系数与磨损面积的数据点绘制出来。
2)根据数据分布规律选择适当的模型来拟合出磨损系数与磨损面积关系式：
Sw＝f(Kw) (7)
式(7)中，Sw为铣刀磨损面积，f(·)代表映射关系的函数。
这里需要指出，根据数据拟合函数关系式有多种形式。假设数据点为(Kw1,Sw1),(Kw2,Sw2),…(Kwi,Swi)，比如采用指数函数拟合，则Sw＝aexp(bKw+c)，其中a,b,c为待拟合系数；如采用多项式函数拟合，以三次多项式为例，则
Figure BDA0002097395660000051
其中a,b,c,d为待拟合系数。实际情况根据数据分布规律选择，满足多种函数规律时则选择拟合效果最优的。
(3)根据微铣削力、磨损系数和磨损面积的关系，得到微铣削力与刀具磨损面积的直接映射关系，以实现微铣削过程中刀具磨损的在线监测，如图2所示，包括以下步骤：
1)微铣削力和磨损系数的关系之间的关系：
F＝u(Kw) (8)
式(8)中，u(·)为微铣削力和磨损系数的映射关系函数。
2)结合式(7)和式(8)，可利用式(9)确定微铣削力和刀具磨损面积的直接映射关系：
F＝g(Sw) (9)
需要指出的是，微铣削力是与铣刀位置有关的周期性变化的值，而实测的刀具磨损面积是一个确定的数值。为了使二者能够直接对应，这里以每道加工工序中最后一秒前10个周期内(时间以及周期的选择不唯一，在铣刀退出工件前的时间段内均可，而铣削周期可以选择12个周期、15个周期等其他周期数量)微铣削力的统计值(均方根值RMS)作为微铣削力的指示值(统计值有时域内的均方根值、方差、均值、偏度系数和翘度系数等，甚至是频域内的相应统计值，可以选择其中特征明显的一组或多组来表征微铣削力)，并将其代入式(8)和式(9)中表征微铣削力和刀具磨损面积之间的映射关系。
本发明可以确定微铣削力与刀具磨损量的定量关系，克服了传统预测刀具磨损时无法根据铣削力动态信号在线评估刀具磨损的缺点，避免了测量刀具磨损时重复安装、卸载刀具引起累计误差的弊端，改善了因无法预测刀具磨损而导致刀具失效、降低加工质量的不足，为在线监测微铣削力评估刀具磨损状态和预测刀具剩余寿命，进而为保证加工质量提供了可行的理论方法。

Claims (1)

1.一种微铣削过程中刀具磨损的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用式(1)建立包含刀具磨损的微铣削力模型F，根据每次铣削实验测量的微铣削力标定模型中的磨损系数，同时记录对应的铣刀磨损面积；所述铣刀磨损面积是每完成一道工序后，将刀具倒立时通过测量端部平面上的磨损区域而得；
F＝KwFC (1)
式(1)中，Kw为磨损系数，FC为未考虑刀具磨损的微铣削力模型，且是根据微铣削力学特征建立的铣削力计算模型；
步骤2、根据实验得到的磨损系数与铣刀磨损面积的一系列离散数据点，其中，任意一个离散数据点是由测量每道工序的微铣削力后标定的磨损系数与测量的刀具磨损面积组成；
采用式(2)所示的数值方法拟合出磨损系数与铣刀磨损面积的关系式；
Sw＝f(Kw) (2)
式(2)中，Sw为铣刀磨损面积，f(·)表示映射关系的函数；
步骤3、根据微铣削力、磨损系数和磨损面积的关系，利用式(3)得到微铣削力与刀具磨损面积的直接映射关系，以实现微铣削过程中刀具磨损的在线监测；
F＝g(Sw) (3)
式(3)中，g(·)代表映射关系的函数。
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