车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性检测方法与流程

本发明涉及一种刀具刃口刃形保持性检测方法，具体涉及一种车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性检测方法，属于机械加工技术领域。

背景技术：

大螺距内螺纹零件是大型压力机、核电件等制造设备中起传递扭矩和精度作用的关键零部件，内螺纹的左、右螺纹面加工质量和一致性直接决定重型设备的工作性能，螺纹车刀切削刃刃口刃形对刀具的性能和左、右螺纹面加工质量起重要影响。在车削大螺距内螺纹过程中，由于其低速，大切深，大进给量的加工特性，不但导致螺纹车刀单侧切削刃刃口刃形的保持性下降，同时左、右切削刃刃口刃形的差异性显著，这严重降低了大螺距内螺纹左、右螺纹面加工质量和一致性。

目前，已有的关于刃口刃形检测方法主要集中于如何提高刃口半径和刃形轮廓测量的准确性，同时针对切削刃刀尖或切削刃中段进行检测和评判，其核心思想是利用触觉探头或光学测量方法检测分析切削刃特定位置的形貌，但由于此类检测方法复杂，加工大螺距内螺纹的螺纹车刀切削刃远长于普通外圆车刀，车削产生的磨损使车刀刃口刃形的不均匀性进一步增强，该方法难以对螺纹车刀整刃的刃口刃形进行检测，因此，难以检测螺纹车刀左、右切削刃刃口刃形的保持性。针对大螺距内螺纹螺纹车刀所受载荷大，切深大，刃口刃形不均匀性显著的特性，提出车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性的检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性检测方法，以解决已有的刃口刃形检测方法难以检测加工大螺距内螺纹的螺纹车刀整刃的刃口刃形变化特性的问题。

所述车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性检测方法包括以下步骤；

步骤一，建立螺纹车刀左、右切削刃刀具与工件接触关系模型；

采用左、右切削刃刀具，延轴向车削大螺距内螺纹，在加工过程中，机床主轴转速方向和刀具进给速度方向保持不变，以刀具与工件接触关系为基础，用左切削刃切削和右切削刃切削时各自的剪切力作用点为力矩中心，构建左、右切削刃受力平衡方程；

步骤二，表征螺纹车刀的刃口刃形变化；

根据车削大螺距内螺纹螺纹车刀磨损特性，以刃口半径来表征螺纹车刀的刃口变化；切削时在切削刃上产生的塑性变形是影响刃形的主要条件，在后刀面量取塑性变形宽度，用以表征切削刃的刃形变化；

步骤三，设计车削大螺距螺纹刀具磨损实验；

针对步骤一螺纹车刀左、右切削刃刀具与工件接触关系不同而导致磨损后切削刃刃口刃形差异性的问题，设计并制备用于车削大螺距螺纹刀具后刀面磨损实验的试件和一把用于车削梯形内螺纹的可换刀头式车刀，利用cax6140车床和所述刀具采用轴向分层车削方法切削右旋梯形内螺纹，通过100次轴向分层切削完成车削大螺距螺纹刀具磨损实验；

步骤四，对步骤三的车刀进行检测，并通过车削大螺距螺纹刀具磨损实验获取实验数据，检测分析出车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性；

在vhx-1000超景深显微镜下，以刀尖为原点，测量参与切削的切削刃长度，根据切削刃长度，沿切削刃等间距适当选取9个测量点并确定其沿切削刃的坐标，提取其中一个切削行程下，每个测量点处左、右切削刃刃口半径，并采取同种方式测量不同切削行程下刀具左、右切削刃在后刀面上的塑性变形宽度；获取当达到指定切削行程时，利用函数对刃口半径和塑性变形宽度的数据进行拟合，分别得到左、右切削刃刃口半径和塑性变形宽度分布函数，通过对比不同切削行程下左、右切削刃刃口半径分布函数的系数和变换趋势，判断刃口的保持性；对于左、右切削刃，通过对比相同切削行程下塑性变形分布函数的系数和变换趋势，判断刃形的保持性。

优选的：步骤一中所述的左、右切削刃受力平衡方程为：

左切削刃受力平衡方程为：

右切削刃受力平衡方程为：

式中：φ1为左切削刃的剪切角，φ2为右切削刃的剪切角，fc1为左切削刃的主切削力，fc2为右切削刃的主切削力，ft1为左切削刃刀杆作用于刀具上的力，ft2为右切削刃刀杆作用于刀具上的力，fγ1为左切削刃前刀面所受压力，fγ2为右切削刃前刀面所受压力，ffγ1为左切削刃前刀面所受摩擦力，ffγ2为右切削刃前刀面所受摩擦力，fα1为左切削刃后刀面所受压力，fα2为右切削刃后刀面所受压力，ffα1为左切削刃后刀面所受摩擦力，ffα2为右切削刃后刀面所受摩擦力，fsh1为左切削刃所受剪切力，fsh2为右切削刃所受剪切力，fshn1为左切削刃所受挤压力，fshn2为右切削刃所受挤压力，a1～a7为刀具采用左切削刃切削时，相应的力的作用线到力矩中心的垂直距离。b1～b7为刀具采用右切削刃切削时，相应的力的作用线到力矩中心的垂直距离。

优选的：步骤三所述的实验试件材料为球墨铸铁，结构为右旋梯形内螺纹，头数为1，螺纹长度为80mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙型半角为15°，螺旋升角为2°5'，螺纹槽宽为6.5mm；实验结束后，螺纹槽宽为11.5mm，该试件的材质和规格尺寸与压力机上的大螺距梯形内螺纹工件待加工部位的材质和规格尺寸相一致，采用该试件进行车削实验获得的实验结果，能够反映出大螺距梯形内螺纹车削加工过程中刀具切削刃变形与后刀面磨损状态。

优选的：步骤三所述的车刀材料为高速钢w18cr4v，其切削刃为左、右对称式结构，并由顶刃与左、右两个切削刃连接。左、右刃夹角29°54'，且两个切削刃的刃倾角和设计前角均为0°；左刃设计后角5°2'，刀尖角为104°18'，主偏角75°42'；右刃设计后角6°26'，刀尖角为105°36'，主偏角105°36'。

优选的：步骤三所述车削大螺距螺纹刀具磨损实验实验方案为：通过100次轴向分层切削完成车削大螺距螺纹刀具磨损实验；左螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm，右螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm。具体切削参数为：主轴转速为10rpm，进给量16mm/r，切削深度8mm，左右切削刃单次加工余量均为0.05mm。

本发明与现有产品相比具有以下效果：本发明针对螺纹车刀刃口刃形的保持性，建立左、右切削刃刀具与工件接触关系分析模型和受力平衡方程；为对比和揭示刃口刃形的保持性和差异性，提出螺纹车刀的磨损实验设计方法；以检测螺纹车刀整刃刃口为目的，提出对切削刃刃口半径保持性的检测方法；以检测螺纹车刀整刃刃形为目的，提出对切削刃塑性变形保持性的检测方法，该方法首先分析左、右切削刃的刀具与工件接触关系，建立受力平衡方程，发现左、右切削刃刀具与工件接触关系的不同导致左、右切削刃刃口刃形差异性。为揭示刃口刃形的保持性利用等切削行程法，设计大螺距螺纹车刀刃口刃形保持性实验。根据切削刃形貌，采用刃口半径和塑性变形宽度来定量表征刃口刃形，沿切削刃等间距选取适当个数的测量点并确定其沿切削刃的坐标，提取某一切削行程下，每个测量点处左、右切削刃刃口半径、塑性变形宽度数据，并利用多项式拟合建立刃口半径和塑性变形宽度的分布函数，该方法可用于定量描述车削大螺距螺纹刀具切削刃刃口刃形的变化状态和保持性，为控制刀具使用寿命提供了一种有效手段。

附图说明

图1是大螺距内螺纹结构参数与切削方式结构示意图；

图2是左切削刃与工件解除关系及左切削刃受力分析图；

图3是右切削刃与工件解除关系及右切削刃受力分析图；

图4是切削刃塑性变形图；

图5是切削刃刃口半径测量图；

图6是切削刃刃口刃形测量点选取位置图；

图7是切削刃区域划分图；

图8是刀具切削前刃口半径图；

图9是刀具切削后刃口半径图；

图10是左切削刃刃口半径特性变化图；

图11是右切削刃刃口半径特性变化图；

图12是切削刃塑性变形边界识别图；

图13是左切削刃塑性变形对比图；

图14是右切削刃塑性变形对比图；

图15是右切削刃切削前后刃形对比图；

图16是左切削刃塑性变形宽度的分布图；

图17是右切削刃塑性变形宽度的分布图；

图18是左切削刃切削行程为55.025m时的最大塑性变形量及位置图；

图19是左切削刃切削行程为110.05m时的最大塑性变形量及位置图；

图20是右切削刃切削行程为55.025m时的最大塑性变形量及位置图；

图21是左切削刃切削行程为110.05m时的最大塑性变形量及位置图；

图22是车削大螺距内螺纹刀具刃口刃形保持性检测方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

具体实施方式一：

(1)在cax6140车床上，始终保持刀具径向切深与试件螺纹槽深相一致，按每转进给量16mm，沿试件轴向方向从右至左，利用刀具的左、右切削刃分别形成左、右螺纹面，最终达到螺纹牙型工序尺寸及加工表面质量要求，具体的工件结构参数和左、右切削刃轴向分层切削参数如图1所示。其中，当刀具沿试件轴向的进刀方向与进给方向相同时，参与切削的为左切削刃；当刀具沿试件轴向的进刀方向与进给方向相反时，参与切削的为右切削刃；图中：o-xyz为试件坐标系，n为工件转速，vf为刀具轴向进给速度，d1为大径，d为中径，d2为小径，p为螺距，h为试件牙高，ap为左、右刃轴向分层切削时的径向切削深度，zli为左刃切削单次加工余量，zrj为右刃切削单次加工余量，α/2为螺纹牙型半角。

(2)在加工过程中，机床主轴转速方向和刀具进给速度方向保持不变，刀具左、右切削刃刀具与工件接触关系与受力状况如图2和图3所示，图中v'f1为左切削刃刀具轴向进给速度在主剖面上的投影，v'f2为右切削刃刀具轴向进给速度在主剖面上的投影vc为切削速度，v1为v'f1和vc1的合速度，v1为v'f2和vc2的合速度，ac为切削层厚度，φ1为左切削刃的剪切角，φ2为右切削刃的剪切角，fc1为左切削刃的主切削力，fc2为右切削刃的主切削力，ft1为左切削刃刀杆作用于刀具上的力，ft2为右切削刃刀杆作用于刀具上的力，fγ1为左切削刃前刀面所受压力，fγ2为右切削刃前刀面所受压力，ffγ1为左切削刃前刀面所受摩擦力，ffγ2为右切削刃前刀面所受摩擦力，fα1为左切削刃后刀面所受压力，fα2为右切削刃后刀面所受压力，ffα1为左切削刃后刀面所受摩擦力，ffα2为右切削刃后刀面所受摩擦力，fsh1为左切削刃所受剪切力，fsh2为右切削刃所受剪切力，fshn1为左切削刃所受挤压力，fshn2为右切削刃所受挤压力。

由图2和图3可知，采用左切削刃切削时，刀具进给方向向左，逼近螺纹已加工表面；采用右切削刃切削时，刀具进给方向依然向左，但远离螺纹已加工表面；因此，左、右切削刃的刀具与工件接触关系不同，试件和切屑作用于刀具上的力的方向以及作用点也不同，左、右切削刃受力存在明显差别。

(3)以受力分析为基础，将刀具用左切削刃切削和右切削刃切削时各自的剪切力作用点作为力矩中心，构建左、右切削刃受力平衡方程：

式中：a1～a7为刀具采用左切削刃切削时，相应的力的作用线到力矩中心的垂直距离。b1～b7为刀具采用右切削刃切削时，相应的力的作用线到力矩中心的垂直距离。

由式(1)、(2)可知，刀具采用不同切削刃进行切削时，所受的主切削力、后刀面摩擦力的组成成分相同，但各种力的方向和作用点不同，导致刀具虽然受到相同的进给速度和切削速度且始终不变，但左、右切削刃受力不同，切削刃变形和后刀面磨损程度不同。

具体实施方式二：

(1)根据车削大螺距内螺纹螺纹车刀磨损特性，以刃口半径来表征螺纹车刀的刃口变化；切削时在切削刃上产生的塑性变形是影响刃形的主要条件，在后刀面量取塑性变形宽度，用以表征切削刃的刃形变化，如图4和图5所示，图中：x’为垂直于切削刃指向刀体内部方向，y’为垂直于切削刃的水平方向，z’为沿切削刃远离刀尖方向，o1为刃口所在圆弧圆心，rr为刃口半径，h为切削刃塑性变形宽度。

(2)设计并制备用于车削大螺距螺纹刀具后刀面磨损实验的试件，该试件材料为球墨铸铁，结构为右旋梯形内螺纹，头数为1，螺纹长度为80mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙型半角为15°，螺旋升角为2°5'，螺纹槽宽为6.5mm；实验结束后，螺纹槽宽为11.5mm。该试件的材质和规格尺寸与压力机上的大螺距梯形内螺纹工件待加工部位的材质和规格尺寸相一致，采用该试件进行车削实验获得的实验结果，能够反映出大螺距梯形内螺纹车削加工过程中刀具切削刃变形与后刀面磨损状态。

(3)设计和磨制出一把用于车削螺距16mm梯形内螺纹的可换刀头式车刀，该刀具材料为高速钢w18cr4v，其切削刃为左、右对称式结构，并由顶刃与左、右两个切削刃连接，刀具整体结构尺寸如表1所示，左、右切削刃结构参数如表2所示：

表1刀具整体结构尺寸

表2左、右切削刃结构参数

使用该刀具进行螺距16mm梯形内螺纹的精加工，其整体结构和切削刃结构参数能够使试件达到螺距16mm梯形内螺纹的结构和加工质量要求，并使其左、右切削刃可以分别进行多次重复切削且寿命相近，以保证在车削大螺距内螺纹时不因任何一条切削刃寿命不满足长切削行程的要求而更换刀具。

(4)利用cax6140车床和上文所述刀具采用轴向分层车削方法切削右旋梯形内螺纹，其切削方案为：通过100次轴向分层切削完成车削大螺距螺纹刀具磨损实验；左螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm，右螺纹面总的轴向去除余量为2.5mm，具体切削参数如表3所示。

表3切削方案

表中：s为磨损测量次数，k为每次测量磨损的左、右切削刃切削次数，ns为第s次测量磨损时左、右切削刃累计的切削次数，zk为左、右切削刃单次加工余量。

以大螺距螺纹的中径为基准将螺纹面展开，整个螺纹面长度为每次轴向分层切削的切削行程，记为y0：

式中：h为螺纹轴向长度(mm)，s为螺距(mm)。

经计算，整个螺纹面长2.201m，即每轴向分层切削一次，单次切削行程y0为2.201m。实验分别在左、右切削刃切削行程为11.005m、22.01m、33.015m、44.02m、55.025m、66.03m、77.035m、88.04m、99.045m和110.05m时停刀，采用超景深显微镜vhx-1000测量刀具切削刃刃口半径、塑性变形和后刀面磨损宽度，每次测量完成后使用原刀具继续切削，整个实验共计测量10次磨损。

具体实施方式三：

(1)车削大螺距内螺纹时，刀具参与切削的切削刃较长，切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度沿切削刃的分布及其随切削行程的变化对刀具寿命影响显著。为了揭示出三者沿切削刃长度和切削行程两个方向上的变化特性，在vhx-1000超景深显微镜下，以刀尖为原点，测量参与切削的切削刃长度，沿切削刃等间距适当选取k个测量点并确定其沿切削刃的坐标，提取某一切削行程下，每个测量点处左、右切削刃刃口半径、塑性变形宽度和后刀面磨损宽度数据。测量点选取如图6所示，图中：o为刀尖，x为沿切削刃远离刀尖方向，k为测量点个数，xm为沿切削刃第m(m＝1,2,…,k)个测量点坐标(mm)，l为参与切削的切削刃长度(μm)。

(2)由于刀具切削刃变形与后刀面磨损宽度均在120μm以内，为清晰识别切削刃塑性变形边界，在超景深显微镜上选用200倍进行测量。但由于放大倍数过高，无法一次测量整条切削刃，故将切削刃沿长度方向划分为五个区域，进行测量，五个区域的总长度为10mm，刀具切削刃磨损长度约为8mm，刀具参与切削部分切削刃全部位于五个区域之中，如图7所示。刀具左、右切削刃初始刃口半径如表4所示。

表4刀具左、右切削刃初始刃口半径

上述实验刀具在切削前刃口半径分布较为均匀，在切削后，受切削刃塑性变形的影响，刃口半径发生了一定程度的改变，如图8和图9所示。

(3)考虑刃口半径沿切削刃长度和切削行程两个方向上的变化特性，基于最小二乘法原理，利用matlab对测得的刃口半径数值进行二元高次多项式拟合，得出刃口半径分布函数的表达式。

式中：x为距刀尖距离，y为切削行程，p是距刀尖距离x的最高次幂，q是切削行程y的最高次幂，u是在具体函数项中距刀尖距离x的幂，v是在具体函数项中切削行程y的幂，quv为分布函数中各项系数，q00为拟合的误差修正项。

此时，qu0x^u反映了刃口半径随切削刃长度方向位置的改变而变化的特性，q0vy^v反映了刃口半径随切削行程增大而变化的特性，quvx^uy^v则反映了切削刃长度方向位置和切削行程的改变对刃口半径的共同影响。

(4)通过增加左、右切削刃的重复切削次数以增大刀具切削行程，根据不同切削行程条件下测量的刃口半径数据，进行二元高次多项式拟合；当m＝5，n＝5时，拟合误差平方和和均方根误差最小，复相关系数最接近1，拟合精度最高。获得切削刃刃口半径分布函数系数如表5所示。

表5分布函数系数表

由表5可知，刀具左、右切削刃刃口半径沿切削刃的分布特性和随切削行程的变化特性基本相同，但左切削刃刃口半径沿切削刃分布的不均匀性比右切削刃明显，切削行程的改变对左切削刃刃口半径影响较大。

不同切削行程下，根据刃口半径分布函数，刀具左、右切削刃刃口半径的变化特性如图10和图11所示。

由图10和图11可知，刀具左切削刃刃口半径整体大于刀具右切削刃，且刃口半径沿切削刃方向差异较大，随着切削行程的增大，差异性逐渐增大。刀具右切削刃刃口半径在切削前沿切削刃方向差异较大，但随着切削行程的增大，差异性逐渐减小。

具体实施方式四：

(1)选取后刀面上切削刃塑性变形宽度为切削刃刃形评价指标，由于刀具沿切削刃存在不同程度的塑性变形，为准确识别切削刃塑性变形与后刀面磨损宽度边界，以切削行程为110.05m时右切削刃区域五为例，沿未参与切削的切削刃绘制一条直线，假设为理想切削刃，以此为基准，沿该直线垂直方向，测量切削刃塑性变形宽度，如图12所示。

上述实验刀具在切削前切削刃接近于一条理想直线，在切削过程中，切削刃发生明显的塑性变形，导致刃形呈现曲线状态，如图13和图14所示，图13左侧为切削行程为55.025m时切削刃塑性变形图，右侧为切削行程为110.05m时切削刃塑性变形图；图14左侧为削行程为55.025m时切削刃塑性变形图，右侧为切削行程为110.05m时切削刃塑性变形图。

以右切削刃区域三为例，在切削行程为0m时和切削行程为110.5m时，其刃形状态的对比如图15所示，图15左侧为切削行程为0m时的刃形状态图，右侧为切削行程为110.5m时的刃形状态图。

(2)在切削前、切削中期和切削结束时，对左、右切削刃塑性变形宽度进行测量，其塑性变形宽度的分布如图16和图17所示。

由图16和图17可知，随着切削行程的增大，左、右切削刃塑性变形宽度均呈现先增大后减小的趋势；在整个切削过程中，右切削刃塑性变形沿切削刃方向差异始终不大，分布较为均匀。

通过上述实验，获得刀具左、右切削刃在不同切削行程下的最大塑性变形量及其位置如图18至图21所示。

由图18至图21可知，刀具左、右切削刃最大塑性变形及其位置不同，且随着切削行程而改变；由此可知，左、右切削刃受力的差别已经影响到切削刃的变形和后刀面磨损。

(3)利用matlab对实验测得的切削刃塑性变形宽度数据进行曲线拟合，获取当切削行程为ys时，左、右切削刃塑性变形宽度分布函数，如式(5)所示。

b(x,ys)＝pmx^m+pm-1x^m-1+…+p1x+p0(5)

式中：b为切削刃塑性变形宽度(μm)，m是在分布函数中出现的x的最高次幂，pm为分布函数中各项系数，pmx^m反映了塑性变形宽度沿切削刃的分布特性。

对上述数据进行曲线拟合，获得左切削刃不同切削行程下塑性变形宽度分布函数如式(6)所示，右切削刃不同切削行程下塑性变形宽度分布函数如式(7)所示。

由式(6)、(7)可知，塑性变形改变了原始切削刃的状态，在整个切削过程中，塑性变形宽度不是在始终增长，而是先增长再减小，右切削刃塑性变形比左切削刃严重。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。