一种振动作用下的高速铣刀刀齿磨损差异性检测方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种高速铣刀磨损的检测方法，具体涉及一种振动作用下的高速铣刀 刀齿磨损差异性检测方法。
【背景技术】：
[0002] 高速铣削过程中，断续载荷冲击作用下的受迫振动初期磨损差异性影响着刀具的 受力状态。实际加工中，刀具磨损剧烈、刀具振动明显、已加工表面质量不高、刀具破损严 重、刀具使用效率与使用寿命下降等问题比较普遍，这严重增加了铣刀失效的不确定性，并 制约了铣刀的安全性以及高效铣削在重要零部件加工等领域中的应用。
[0003] 与普通铣削不同，高效铣削采用的切削参数一般比较大，而由此带来的后果是刀 具磨损迅速，甚至容易出现微崩刃、破损的情况，可见，刀具磨损是影响切削过程的重要因 素之一，高速切削过程中刀具磨损行为是多因素综合作用的结果。在此条件下，进行大型曲 面高速、高效切削加工，其后果是铣刀超期服役，安全可靠性迅速下降，不仅无法保证加工 精度和加工表面质量，而且直接导致铣刀失效，引发多种安全性问题，已有研究表明，伴随 高速、激烈摩擦而产生的刀具磨损，其形态及形成机理不仅与摩擦副化学、物理、机械性能 相关，而且与振动引起的摩擦副变化密切相关。
[0004] 铣刀高速切入工件材料时将使整个系统受到强烈冲击，由于铣削力和离心力的作 用铣刀处于一种受迫振动状态。受迫振动将改变铣刀的整体位移，由于铣刀整体对各刀齿 切削刃的影响存在差异性，导致各刀齿的位移增量不同，改变了铣刀各刀齿与工件的接触 关系，铣刀各刀齿的接触应力大小、分布特性发生变化，产生受迫振动初期刀具磨损差异 性。同时现场调查表明，由于多齿铣刀换刀片时多采用各个刀齿刀片同时更换的方式，刀齿 差异磨损造成了现场约有11%的刀片存在切削刃未被完全使用的现象，这将不利于缩短工 件的加工周期和成本的降低，增加预期的生产成本。
[0005] 高速面铣刀在铣削过程中，刀齿磨损差异问题使得刀齿之间的受力状态发生变 化，增大切削载荷波动，刀齿受振动影响其摩擦接触状态发生改变，振动对各个刀齿影响的 差异性造成振动作用下各刀齿的摩擦接触状态不同，各刀齿在切削周期内摩擦接触点位置 和摩擦点的摩擦速度差异性，最终导致了后刀面磨损宽度的差异性。
[0006] 已有的降低铣刀振动磨损方法是通过考虑切削参数等外在因素，以降低铣刀振动 为手段来达到抑制单个刀齿的磨损的目的。这种方法是通过减小切削参数，以降低生产效 率为代价达到抑制刀齿磨损的目的，并且，仅是解决单个刀齿的磨损问题，没有考虑多个刀 齿磨损差异性问题，不能实现多个刀齿磨损的协同控制，无法解决多个刀齿磨损不均匀导 致铣刀使用寿命缩短的问题。已有的研究没有揭示振动对刀工接触关系的具体影响机制， 缺乏安全性原型刀具的研究，需要弥补铣刀宏观结构安全可靠设计上的缺陷。
【发明内容】
：
[0007] 本发明针对高速铣刀铣削过程中存在的刀齿后刀面磨损差异性问题，提供了一种 振动作用下的高速铣刀刀齿磨损差异性检测方法，其为减轻不均匀磨损、削弱波动载荷激 励提供依据，为高速铣刀高效、高精度切削提供初始样刀。
[0008]本发明的振动作用下的高速铣刀刀齿磨损差异性检测方法，为实现上述目的所采 用的技术方案在于其由以下步骤构成：
[0009 ] -、建立振动作用下的高速铣刀刀齿切削运动速度和刀工接触关系
[0010]选取切削刃上磨损宽度最大位置作为基点，当铣刀的一个刀齿开始与工件接触、 切入工件时，刀齿与y轴的夹角Θ。满足式(2)，刀齿在切削速度和进给速度的影响下继续顺 时针进行切削，刀齿转动角度Θi满足式（1 )、铣刀切削接触角0q满足式(3)、刀齿的切削速度 V。与y向的夹角满足式(4)，
[0015]在振动的作用下，进给平面的振动速度Vxy、竖直方向的速度分量Vz、合成速度<与 X轴的夹角纪如式：
[0021] 上述各式中：Vf为刀齿的进给速度(m/s)、v。为刀齿的切削速度(m/s)、vwS在进给 平面内切削速度V。与进给速度Vf的合成速度(m/s)、V wx为进给平面的Vw在X向的速度分量(m/ s)、Vwy为进给平面的Vw在y向的速度分量(m/s)、vx为振动速度在x向的速度分量(m/s)、Vy为 振动速度在y向的速度分量(m/s)、v z为振动速度在Z向（垂直于纸面向外方向）的速度分量 (m/s)、Vxy为振动速度在进给平面内V y的合成速度(m/s)、<为进给平面内^与~的夹 角(°)、<1为<在进给平面内1向的速度分量(111/8)、<^为<在进给平面内 7向的速度分量 (m/s)、a。为刀具后角(°)，γ。为刀具前角(°)，Pr为基面，PS为切削平面，~为切削速度在正交 平面的分速度(m/s)，<为振动作用下切削速度在正交平面的分速度( m/s)，0S为切削刃圆 弧半径夹角(°);
[0022] 二、计算刀齿切削过程中振动作用下的后角解算方程 [0023 ]设铣刀刀齿切削刃上基准点J。的坐标为：
[0024] (LsinAs(t)-apsinAs(t)/(2sinkr(t)) ,apcosAs(t)cotkr(t)/2,apcosA s(t)/2+ Δ z) (10)
[0025]振动作用下的基准点坐标为：
[0026] (LsinAs(t)-ap/2sinkr(t)+Ax(t) ,ap/2 tan kr(t)+Ay(t), l/2ap+ Δ Z+Az(t)) (11)
[0027]构建振动作用下的后刀面方程如式（12):
[0029]利用P。点速度矢量和Jct的坐标构建振动作用下的切削平面方程如式(13):
[0031]根据上述公式求得振动作用下的刀齿后刀面方程和振动作用下的切削平面Psv方 程的夹角，即刀齿切削过程中的后角<如式(14):
[0033] 三、构建高速铣刀刀齿后刀面摩擦接触点位置和后刀面摩擦接触点摩擦速度解算 模型
[0034] 根据后刀面的初始接触位置跟刀齿的切削厚度成正比的关系确定刀具后刀面与 已加工表面的理论接触深度为如式：
[0035] hj(t)=nf sinkr(t) (15)
[0036] 根据式（12)和式（13)获得振动作用下刀齿摩擦接触点距离基准点的位置L/(t)如 式(16):
[0038]振动作用下的刀齿摆角0(〇、主偏角1^(〇、刃倾角乙(〇如式（17)、（18)、（19):
[0042]根据式（17)、（18)、（19)获得振动作用下刀齿后刀面摩擦接触点摩擦速度^(〇如 式(20)所示：
[0044] 四、对刀齿摩擦接触点位置LjV)和刀齿摩擦接触点摩擦速度Vj (t)进行分析，获得 两者的变化规律
[0045] 依据式（16)和式(20)，计算在某一切削工艺参数条件下，分析单个刀齿在一个切 削周期内的摩擦接触点位置和摩擦接触点摩擦速度，得出其变化规律；
[0046] 五、进行高速铣刀的磨损切削试验
[0047]在五轴联动加工中心上，采用四齿等齿距的铣刀A与四齿不等齿距的铣刀B铣削工 件，在润滑方式为干切、铣削方式为顺铣的条件下，每把铣刀在四种切削工艺参数条件下分 别对工件进行相同长度的切削，同时采用三轴加速度传感器测量各铣刀的切削振动信号； [0048]六、对切削振动信号进行提取与处理
[0049]步骤五中三轴加速度传感器所测得的切削振动信号传送给信号测试分析系统，利 用信号测试分析系统分别对四种可转位面铣刀切削工件时的切削振动进行测试，提取铣刀 刀齿沿进给、行距和轴向方向的振动主频、振幅和刀齿后刀面基准点垂直于切削刃方向磨 损带宽度，构建铣刀振动与刀齿磨损行为序列：
[0051] yj(k) = {lB(k)} (22)式中:k 为切削实验次数，k=l，2,3,4;Ajv(k)、Aje(k)、Ajz(k) 分别为铣刀沿进给、行距和轴向方向的振动振幅，fV(k)、f^(k)、fjz(k)分别为铣刀沿进给、 行距和轴向方向的振动主频;lB(k)为刀齿基准点后刀面磨损区域宽度，
[0052]测得三个方向的受迫振动如式(23)、（（ 24)、（ 25)所示
[0056] 式中，x(t)为X方向的振动方程，i为振源的个数，Axi表示第i个振源X方向的最大振 幅，axl为第i个振源X方向的振动相位角，ω X1表示第i个振源X方向的振动角速度;y(t)为Y 方向的振动方程，Ayi表示第i个振源Y方向的最大振幅，ayi为第i个振源Y方向的振动相位 角，ω yi表示第i个振源Y方向的振动角速度;z (t)为Z方向的振动方程，i为振源的个数，Azi 表示第i个振源Z方向的最大振幅，azl为第i个振源Z方向的振动相位角，ωζ1表示第i个振源 Z方向的振动角速度；
[0057] 七、对步骤五中的铣刀磨损切削实验数据进行提取
[0058]利用超景深显微镜对某一切削工艺参数条件下某种铣刀的四个刀齿进行磨损特 征的测量，具体测量其后刀面磨损宽度，并对两把铣刀在四种切削工艺参数条件下的磨损 特征进行测量；
[0059] 八、获得刀齿后刀面摩擦接触点位置和摩擦接触点摩擦速度的实验结果
[0060] 利用振动测试所得振动数据，结合式（16)和式(20)进行计算，得出两把铣刀在某 一切削工艺参数条件下各刀齿在切削时的摩擦接触位置及摩擦接触点速度；
[0061] 九、验证刀齿后刀面摩擦接触状态模型
[0062]利用刀齿摩擦接触位置解算数据代入到式(32)中获得两把铣刀的刀齿分别在四 种切削工艺参数条件下刀具摩擦接触位置点的离散系数和两把铣刀的刀齿摩擦接触位置 点摩擦速度的离散系数，
[0064]进一步地，步骤六中，将铣刀A在其中一种切削工艺参数条件下X方向的振动所获 取的振动加速度信号按式(23)进行正弦函数拟合，