CN111673540A - 一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，该方法包括测量金刚石刀具刃口轮廓形貌的三维数据，确定切削速度相对于刀具的方向向量，以切削速度方向为X轴正方向建立切削加工坐标系，之后进行一系列坐标变换后将刀具刃口形貌曲面投影到垂直于切削速度方向的平面上，最后从刀具刃口轮廓形貌投影点中提取刃口轮廓。本发明的金刚石刀具轮廓计算方法考虑了实际的切削速度，可实现与被加工工件直接接触的金刚石刀具刃口轮廓的计算，有益于解决实际切削中金刚石刀具刃口轮廓的评价和在高质量表面创成中研究金刚石刀具刃口轮廓对切削工件表面质量影响的问题。

Description

一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法

技术领域

本发明属于超精密机械加工技术领域，具体涉及一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法。

背景技术

超精密金刚石切削技术，是高精度零部件加工的一种重要手段，超精密切削中工件最终加工表面是通过金刚石刀具在工件表面的切削形成的，金刚石刀具切过工件表面，是基于“复印”的原理。

因此，被加工工件表面质量很大程度上取决于与其直接接触的金刚石刀具刃口轮廓形貌，进行面向实际加工的金刚石刀具刃口轮廓计算对把控工件加工质量，研究面向实际切削的刀具刃口轮廓形貌对切削工件表面质量影响至关重要，但是目前尚没有一种刀具轮廓的计算方法考虑了刀具刃口在工件表面的“复印”作用，不能精准的获得用于实际切削加工的刀具刃口轮廓数据，这将导致难以有效评价面向实际切削的金刚石刀具刃口的轮廓，且在高表面质量创成研究中也难以准确考虑刃口轮廓对切削表面质量的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，其特征在于，所述的面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法包括以下步骤：

a.用显微镜测量得到显微镜坐标系下金刚石刀具刃口轮廓形貌的三维数据；

b.计算刀具坐标系中刀具切削速度的方向向量；

c.建立切削加工坐标系；

d.进行坐标变换将显微镜坐标系中刀具刃口轮廓形貌的三维数据投影到切削加工坐标系的YZ平面上；

e.从步骤d中得到的刀具刃口轮廓形貌投影中提取刃口轮廓。

进一步，所述的步骤a中的显微镜为原子力显微镜。

进一步，所述步骤c中的切削加工坐标系为笛卡尔坐标系，该坐标系以刀具切削速度方向为X轴正方向，以垂直工件表面且指向工件的方向为Z轴正方向。

进一步，所述的步骤d中的坐标变换包括：首先将显微镜坐标下的金刚石刀具刃口轮廓形貌的三维数据转换到刀具坐标系中，接着将得到的刀具坐标系中的刀具刃口轮廓形貌三维数据转换到切削加工坐标系中，最后将得到的切削加工坐标系中的金刚石刀具刃口轮廓形貌的三维数据投影到切削加工坐标系的YZ平面上。

进一步，所述的步骤d中提取刃口轮廓的方法是：在投影到YZ平面上的所有点中，找出所有y值对应的最大z值z_max，由所有的(y，z_max)点构成面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓。

本发明的有益之处在于：本发明的计算方法以刀具切削速度方向为X轴正方向建立切削加工坐标系，考虑了金刚石刀具切削速度方向对切削过程中刃口轮廓“复印”在工件表面轮廓的影响，实现了用于实际切削的金刚石刀具切削刃口轮廓的精准计算，有益于实际切削中金刚石刀具刃口轮廓形貌的有效评价，及高质量表面创成中金刚石刀具刃口轮廓对切削工件表面质量影响的研究。

附图说明

图1为金刚石刀具刃口轮廓计算方法流程框图；

图2为原子力显微镜测得的刀具刃口用于切削部分的轮廓形貌图；

图3为切削速度相对刀具的方向向量示意图；

图4为刀具刃口轮廓形貌的三维数据点在切削加工坐标系的YZ平面的投影；

图5为面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓。

图中，1.刀具坐标系z′轴 2.刀具坐标系y′轴 3.刀具坐标系x′轴 4.刀具切削速度方向 5.金刚石刀具的金刚石刀头 6.金刚石刀具的刀体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1

本实施例中采用了原子力显微镜(牛津仪器)对金刚石刀具刃口形貌进行测量，选用的金刚石刀具的刀具圆弧半径为5mm，金刚石刀具安装在飞切机床上。计算面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓形貌的流程如图1所示，具体步骤如下：

a.将金刚石刀具置于原子力显微镜下测量切削点的刃口形貌，得到并输出原子力显微镜坐标系xyz下金刚石刀具刃口形貌曲面的三维数据点(x_i，y_i，z_i)，i＝1，2，3……，如图2所示；

b.计算金刚石刀具切削速度相对刀具的方向向量，即在刀具坐标系中计算刀具切削速度的方向向量。根据待加工工件的切削运动工艺参数计算刀具切削速度的方向，获得刀具相对工件的运动方向，并在刀具坐标系x′y′z′中表示，如图3所示；

c、建立切削加工坐标系x″y″z″。该坐标系为笛卡尔坐标系，以刀具切削速度的方向为X轴正方向，以垂直工件表面且指向工件的方向为Z轴正方向。

d.进行坐标变换将显微镜坐标系中刀具刃口轮廓形貌的三维数据投影到切削加工坐标系的YZ平面上，具体方法如下：

①首先将步骤a中获得的刀具刃口形貌曲面的三维数据点(x_i，y_i，z_i)通过坐标旋转变换，得到其在刀具坐标系x′y′z′中的坐标表示。坐标变换矩阵为T₁(绕y轴顺时针转5°)，刀具坐标系x′y′z′中刀具刃口轮廓形貌的三维数据的表示为(x′_i，y′_i，z′_i)，坐标变换如公式(1)所示：

②将①中刀具坐标系下的刀具刃口形貌曲面的三维数据(x′_i，y′_i，z′_i)通过坐标旋转变换，得到其在切削加工坐标系x″y″z″中的坐标表示。坐标变换矩阵为T₂(绕z′轴顺时针转5°)，切削加工坐标系x″y″z″中刀具刃口轮廓形貌的三维数据点表示为(x″_i，y″_i，z″_i)，坐标变换如公式(2)所示：

③将②中得到的切削加工坐标系中刀具刃口轮廓形貌的三维数据点(x″_i，y″_i，z″_i)向坐标系x″y″z″的YZ平面投影，得到对应的投影点坐标(0，y″_i，z″_i)，i＝1，2，3……，如图4所示。

e.从步骤d中得到的刀具刃口轮廓形貌投影点(0，y″_i，z″_i)，i＝1，2，3……中提取刃口轮廓。在投影点集(0，y″_i，z″_i)构成的区域中，找到y″_i对应的最大点z″_{i max}，则所有的(y″_iz″_{i max})点构成了面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓，如图5所示。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (5)

1.一种面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，其特征在于，所述面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法包括以下步骤：

a.用显微镜测量得到显微镜坐标系下金刚石刀具刃口轮廓形貌的三维数据；

b.计算刀具坐标系中刀具切削速度的方向向量；

c.建立切削加工坐标系；

d.进行坐标变换将显微镜坐标系中刀具刃口轮廓形貌的三维数据投影到切削加工坐标系的YZ平面上；

e.从步骤d中得到的刀具刃口轮廓形貌投影中提取刃口轮廓。

2.根据权利要求1所述的面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，其特征在于，所述的步骤a中的显微镜为原子力显微镜。

3.根据权利要求1所述的面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，其特征在于，所述步骤c中的切削加工坐标系为笛卡尔坐标系，该坐标系以刀具切削速度方向为X轴正方向，以垂直工件表面且指向工件的方向为Z轴正方向。

4.根据权利要求1所述的面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，其特征在于，所述的步骤d中的坐标变换包括：首先将显微镜坐标下的金刚石刀具刃口轮廓形貌的三维数据转换到刀具坐标系中，接着将得到的刀具坐标系中的刀具刃口轮廓形貌三维数据转换到切削加工坐标系中，最后将得到的切削加工坐标系中的刀具刃口轮廓形貌的三维数据投影到切削加工坐标系的YZ平面上。

5.根据权利要求1所述的面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓计算方法，其特征在于，所述的步骤d中提取刃口轮廓的方法是：在投影到YZ平面上的所有刀具刃口轮廓点中，找出所有y值对应的最大z值z_max，由所有的(y，z_max)点构成面向实际切削的金刚石刀具刃口轮廓。

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