一种超高强韧钢深孔镗削专用刀具组配方法与流程

本发明涉及机械切削加工技术领域，更具体的说是涉及一种超高强韧钢深孔镗削专用刀具组配方法。

背景技术：

一般上习惯上把σs为1180mpa、σb为1370mpa，σk＞490kj/m²的钢称之为超高强韧钢。超高强韧钢广泛地应用在特种车辆、兵器、飞机等工业，如飞机起落架、压力容器、高强度受力构件、火炮身管等。其特点是具有良好的冲击韧性、断裂韧性、抗疲劳韧性、低疲劳裂纹扩展速率等。

由于超高强韧钢具有高强度、高硬度、高韧性的特性，在超高强韧钢的切削过程中，切削变形困难，切削抗力大，切削温度高，热量不易散出，这样会导致刀具前、后刀面磨损迅速。在刀具剧烈磨损的情况下，镗削加工过程易形成欠切削，即使刀具导向不发生偏斜，仍然会影响加工精度与表面质量，使得孔尺寸超差，产生一定锥度。如图1所示，对大型深孔零件来说，镗孔过程中无法更换刀具，由于刀具磨损剧烈，在加工过程中，孔的实际直径会不断减小，最终会形成锥孔。当刀具磨损量超过某一特定值时，孔的实际尺寸便会超出精度要求，使零件的加工精度得不到保证。虽然降低加工速度可以减缓刀具的磨损，增加刀具耐用度，但是会降低刀具的加工效率。

因此，研究出一种可以降低刀具的磨损量，保证零件加工精度的超高强韧钢深孔镗削专用刀具组配方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，影响刀具磨损的因素主要有切削参数与刀具几何参数。切削参数主要有进给量，切削速度与切削深度，其中切削速度与进给量对磨损影响较大。几何参数主要包括前角、后角、主偏角、副偏角，每个参数对磨损的影响均不相同。比如后角影响切削过程中刀具后刀面与工件表面的摩擦，后角的取值决定刀具、工件之间的接触面积和后刀面的磨损程度。当后角变小时，刀具后刀面与工件的接触面积增大，会加剧刀具磨损，而后刀面的磨损会导致刀具的后角变得更小，进一步加剧刀具的磨损。但如果后角过大，将会降低切削刃的强度，减小刀具的散热体积，使散热条件恶化，也会加剧刀具磨损。前角的大小对切削刃的锋利程度和强度有显著的影响，如果增大前角，会增加刀具的切削刃锋利程度，工件材料容易被去除，切削力和切削温度得到降低，增大前角在一定程度上可以减小刀具的磨损。但是，切削超强韧钢时，切削力集中在切削刃附近，过度增大前角会导致切削刃强度降低，容易发生崩刃，而且刀尖散热体积减小，导致切削温度增高，加剧刀具磨损。因此，只有综合考虑切削参数与刀具几何参数，才能全面描述刀具后刀面的磨损情况，进而控制刀具磨损，进而控制深孔零件壁厚差，而本发明则提供了一种综合考虑切削参数与刀具几何参数，可以控制刀具的磨损情况，保证零件加工精度的超高强韧钢深孔镗削专用刀具组配方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超高强韧钢深孔镗削专用刀具组配方法，刀具组配的方法如下：

1：建立刀具几何参数和切削参数的统一刀具磨损模型；其中影响刀具的几何参数包括：前角γ0，后角α0，主偏角kr，与副偏角kr'；影响刀具的切削参数包括：切削速度v，进给量f，切削深度ap；

1.1刀具后刀面磨损量的经验公式为

式(1)是在刀具几何角度确定的前提下，通过大量磨损实验得到的，其中，ct为刀具使用寿命系数，与刀具材料、工件材料和切削条件有关；mi为与刀具材料有关的系数；

1.2改变刀具的几何参数，对式(1)中的切削参数并无影响，因此考虑到刀具的几何角度，进而将刀具磨损量的经验公式描述为

其中，k为引入刀具几何参数后附加的系数；

1.3在某一切削参数下，设则vb＝k·r，其中k、r均通过实验获得；

1.4研究刀具几何参数对后刀面磨损量的影响，考虑到几何参数之间的交互性，在切削参数确定的情况下，设计四因素两水平分析式因实验，设定切削时间为t，实验后测量刀具后刀面磨损值为vb，不同刀具几何角度下的磨损量公式表示为

式中，cv为与刀具材料、工件材料和切削条件有关的系数；

利用析因设计方差分析，计算各因素对结果的影响程度，进而对式(3)进行修正，设修正后的公式如下：

1.5由上式可得综合分析，后刀面磨损量的统一公式表述为

式中，c1＝cv·ct；

1.6式(5)的未知参数由式(1)和式(4)组成，式(1)和(4)的解法相同，通过最小二乘估计来求得，进而通过式(1)和(4)求得式(5)中的未知参数；

2：建立刀具磨损量vb与壁厚差δd之间的关系；

2.1根据刀具角度几何关系，建立刀具后刀面磨损量vb与径向磨损量之间的联系；

nb＝vbtanα0(6)

2.2由于刀具径向磨损的存在，在镗削过程中刀具会发生欠切削，孔的入口直径与出口直径尺寸相差大，会形成壁厚差，根据几何模型建立刀具壁厚差δd与径向磨损量nb之间的关系；

δd＝2nb(7)

式中，c2＝2c1；

3：以刀具允许磨损量为目标，控制刀具磨损速率，保证加工精度；

3.1使刀具在镗削完一定的距离后恰好磨损到能够保证加工精度的磨损值，不考虑某一过程时刻的磨损值，用平均刀具磨损速率代替时刻变化的实际刀具磨损速率；

3.2控制刀具的磨损速率dnb/dt，进而得到刀具磨损预控曲线，使刀具在完成给定的切削路程时，能够到达设定的磨损量，进而保证足够的孔加工精度；

3.3设规定的允许壁厚差为δd，刀具需要加工的孔的总长为l，则磨损速率与允许壁厚差的关系为：

其中，t＝l/fn，n为主轴转速；

3.4在实际生产时，切削参数根据工时定额确定，切削时间由切削参数确定，所允许的壁厚差值根据精度要求确定，综上能够求出应该控制的刀具磨损速率，为保证加工精度，允许的壁厚差要留有一定裕度，此时，刀具磨损速率表示为

其中，k为裕量系数，取0.6～0.8；c3与c4为系数；

3.5在式(9)中，存在前角γ0，后角α0，主偏角kr，副偏角kr'这四个未知量，通过编写程序迭代，求得符合所控制的刀具磨损速率的四个参数组合；

4：根据参数组合刃磨刀具，完成刀具的组配。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中通过对切削参数和刀具几何参数对刀具磨损量的影响进行全面分析，并对刀具后刀面磨损进行定性和定量的评定，保证在刀具完成切削时，刀具的磨损量达到允许磨损的最大值，可以使刀具达到最大化的利用，减少浪费，进而保证零件的加工精度。

优选的，所述步骤1中式(3)利用析因设计方差分析，计算各因素对结果的影响程度，然后对其进行修正，其中以双因素重复实验方差分析为例，方差计算过程如下：

1)计算平均值

总平均：

任一组合水平(ai，bj)上：

ai水平时：

bj水平时：

2)计算偏差平方和

因素a引起偏差的平方和：

因素b引起偏差的平方和：

交互作用a×b引起偏差的平方和：

误差平方和：

3)计算自由度

ssa的自由度：fa＝r-1；

ssb的自由度：fb＝s-1；

ssa×b的自由度：fa×b＝(r-1)·(s-l)；

sse的自由度：fe＝rs(c-1)；

计算均方

计算f：

若f>fα，则该因素对结果有显著影响，若f<fα，则该因素对结果无显著影响，fα为相关系数，查表可得。在方程表达式中可以去掉相关项，将公式简化；

设上式简化为

优选的，所述步骤1中式(1)和(4)中的参数通过最小二乘估计求得，其中，以式(4)为例，具体实现步骤如下：

将公式对数化：

lnvb＝lncv+m4lnγ0+m5lnα0+m6lnkr+m7lnkr'+m8(lnγ0+lnkr)+m9(lnα0+lnkr)

令

则参数矩阵的最小二乘估计为

θls＝(ψ^tψ)^-1ψ^ty

求解参数矩阵的最小二乘估计，即可得到参数的取值，采用同样的方法能够求得式(1)中的参数值，进而通过式(1)和(4)求得式(5)中的参数值。

优选的，所述步骤3中对式(9)中的未知量进行编写程序迭代，然后求得符合控制刀具磨损速率的四个参数组合的具体操作过程如下：

参数范围[γ0min,γ0max],[α0min,α0max],[krmin,krmax],[kr'min,kr'max]；

参数初值分别为γ0min,α0min,krmin,kr'min，每次增量δ，δ的取值可以根据影响因素来区分，影响因素大的参数以0.1°为间隔，影响因素小的参数以0.5°为间隔；

依次迭代，求得符合所控制的刀具磨损速率的四个参数组合为(γ0,α0,kr,kr')。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中综合考虑切削参数与刀具几何参数对刀具磨损的影响，提出一种全面描述刀具后刀面磨损的数学模型，对刀具后刀面磨损进行定性与定量的评定，求得符合所控制的刀具磨损速率的四个参数组合，使刀具在完成加工时，磨损量在允许的最大磨损量之内，进而保证零件的加工精度。

优选的，在实际加工过程中对刀具的磨损量进行测量，将测量的结果与预设磨损量进行比较，进而实现对刀具磨损、零件精度是否超标进行实时的监测。

优选的，在刀具上安装传感器，通过采集切削过程中的电流信号对刀具的磨损量实施监测；利用计算机系统，将设置好的预控曲线及各时刻允许磨损值输入到计算机系统中，进而比较每个时刻的实际磨损量与预设磨损量的大小，实现在加工过程对刀具磨损、零件精度是否超标进行实时监测。

采用上述技术方案的有益效果是，由于本发明中的方法是通过平均磨损量对刀具进行组配以保证零件的加工精度，再通过对实际加工过程中的实际磨损量与预设的磨损量进行比对，对刀具的实际磨损情况进行实时的监控，可以更好的保证零件的加工精度。

本发明的有益效果：

(1)建立一个综合考虑切削参数与刀具几何参数的刀具磨损模型，可以更加全面地描述刀具磨损的影响因素，方便对刀具磨损进行控制；

(2)利用建立壁厚差与刀具几何参数和切削参数之间的几何关系模型，可以将控制壁厚差转变为控制刀具磨损量；

(3)针对加工过程中镗孔存在壁厚差严重超差的情况，以允许的壁厚差为目标，控制刀具磨损速率，基于预控曲线对刀具进行组配，避免加工不合格的情况发生，能够保证切削速度与加工效率；同时能够有效避免实际加工过程中刀具磨损浪费的情况，使得刀具允许磨损的最大值发生在切削终点处，有效地避免刀具不能充分利用与加工精度得不到保证的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的镗削加工中刀具磨损情况的结构示意图；

图2附图为本发明提供的刀具后刀面磨损情况的示意图；

图3附图为本发明提供的刀具径向磨损情况的示意图；

图4附图为本发明提供的壁厚差与刀具径向磨损量之间的关系图；

图5附图为本发明提供的刀具的平均磨损曲线与实际磨损曲线图；

图6附图为本发明提供的刀具组配方法的流程图。

其中，图中，

1-镗刀；

11-未磨损镗刀；12-磨损后镗刀；

a-实际加工表面；b-理论加工表面；c-实际磨损曲线；d-平均磨损曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种超高强韧钢深孔镗削专用刀具组配方法，刀具组配的方法如下：

1：建立刀具几何参数和切削参数的统一刀具磨损模型；其中影响刀具的几何参数包括：前角γ0，后角α0，主偏角kr，与副偏角kr'；影响刀具的切削参数包括：切削速度v，进给量f，切削深度ap；

1.1刀具后刀面磨损量的经验公式为

式(1)是在刀具几何角度确定的前提下，通过大量磨损实验得到的，其中，ct为刀具使用寿命系数，与刀具材料、工件材料和切削条件有关；mi为与刀具材料有关的系数；

1.2改变刀具的几何参数，对式(1)中的切削参数并无影响，因此考虑到刀具的几何角度，进而将刀具磨损量的经验公式描述为

其中，k为引入刀具几何参数后附加的系数；

1.3在某一切削参数下，设则vb＝k·r，其中k、r均通过实验获得；

1.4研究刀具几何参数对后刀面磨损量的影响，考虑到几何参数之间的交互性，在切削参数确定的情况下，设计四因素两水平分析式因实验，设定切削时间为t，实验后测量刀具后刀面磨损值为vb，不同刀具几何角度下的磨损量公式表示为

式中，cv为与刀具材料、工件材料和切削条件有关的系数；

利用析因设计方差分析，计算各因素对结果的影响程度，进而对式(3)进行修正；

以双因素重复实验方差分析为例，方差计算过程如下：

1)计算平均值

总平均：

任一组合水平(ai，bj)上：

ai水平时：

bj水平时：

2)计算偏差平方和

因素a引起偏差的平方和：

因素b引起偏差的平方和：

交互作用a×b引起偏差的平方和：

误差平方和：

3)计算自由度

ssa的自由度：fa＝r-1；

ssb的自由度：fb＝s-1；

ssa×b的自由度：fa×b＝(r-1)·(s-l)；

sse的自由度：fe＝rs(c-1)；

计算均方

计算f：

若f>fα，则该因素对结果有显著影响，若f<fα，则该因素对结果无显著影响，fα为相关系数，查表可得。在方程表达式中可以去掉相关项，将公式简化；

设上式简化为

1.5综合分析，后刀面磨损量的统一公式表述为

式中，c1＝cv·ct；

1.6式(5)的未知参数由式(1)和式(4)组成，式(1)和(4)的解法相同，通过最小二乘估计来求得，进而通过式(1)和(4)求得式(5)中的未知参数；其中以式(4)为例，对式(4)进行求解，具体的求解过程如下：

将公式对数化：

lnvb＝lncv+m4lnγ0+m5lnα0+m6lnkr+m7lnkr'+m8(lnγ0+lnkr)+m9(lnα0+lnkr)

令

则参数矩阵的最小二乘估计为

θls＝(ψ^tψ)^-1ψ^ty

求解参数矩阵的最小二乘估计，即可得到参数的取值，采用同样的方法能够求得式(1)中的参数值，进而通过式(1)和(4)求得式(5)中的参数值；

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中根据刀具几何参数和切削参数对刀具磨削量的影响构建刀具磨损模型。

2：建立刀具磨损量vb与壁厚差δd之间的关系；

2.1如图2-3所示，对图2、3中的刀具后刀面磨损值与径向磨损值进行对比，根据刀具角度几何关系，建立刀具后刀面磨损量vb与径向磨损量之间的联系；

nb＝vbtanα0(6)

2.2由于刀具径向磨损的存在，在镗削过程中刀具会发生欠切削，孔的入口直径与出口直径尺寸相差大，会形成壁厚差，如图3所示，根据几何模型建立刀具壁厚差δd与径向磨损量nb之间的关系；

δd＝2nb(7)

式中，c2＝2c1；

采用上述技术方案的有益效果是，通过建立壁厚差与刀具径向磨损量的关系、刀具径向磨损量与后刀面磨损量的关系、后刀面磨损量与刀具几何参数的关系，进而得到壁厚差的影响因素。

3：以刀具允许磨损量为目标，控制刀具磨损速率，保证加工精度；

3.1使刀具在镗削完一定的距离后恰好磨损到能够保证加工精度的磨损值，不考虑某一过程时刻的磨损值，用平均刀具磨损速率代替时刻变化的实际刀具磨损速率；

3.2控制刀具的磨损速率dnb/dt，进而得到刀具磨损预控曲线，使刀具在完成给定的切削路程时，能够到达设定的磨损量，进而保证足够的孔加工精度；

3.3设规定的允许壁厚差为δd，刀具需要加工的孔的总长为l，则磨损速率与允许壁厚差的关系为：

其中，t＝l/fn，n为主轴转速；

3.4在实际生产时，切削参数根据工时定额确定，切削时间由切削参数确定，所允许的壁厚差值根据精度要求确定，综上能够求出应该控制的刀具磨损速率，为保证加工精度，允许的壁厚差要留有一定裕度，此时，刀具磨损速率表示为：

其中，k为裕量系数，取0.6～0.8；c3与c4为系数；

3.5在式(9)中，存在前角γ0，后角α0，主偏角kr，副偏角kr'这四个未知量，通过编写程序迭代，然后求得符合控制刀具磨损速率的四个参数组合的具体操作过程如下：

参数范围[γ0min,γ0max],[α0min,α0max],[krmin,krmax],[kr'min,kr'max]；

参数初值分别为γ0min,α0min,krmin,kr'min，每次增量δ，δ的取值可以根据影响因素来区分，影响因素大的参数以0.1°为间隔，影响因素小的参数以0.5°为间隔；

依次迭代，求得符合所控制的刀具磨损速率的四个参数组合为(γ0,α0,kr,kr')。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明在保证切削速度与加工效率的情况下，通过控制刀具的磨损速率，控制刀具的磨损曲线，将刀具磨损过程以平均磨损的速率来表示，基于预控曲线对专用刀具几何参数进行组配，进而减小刀具的磨损速率，保证零件的加工精度。

4：根据参数组合刃磨刀具，完成刀具的组配。

进一步地，在实际加工过程中对刀具的磨损量进行测量，将测量的结果与预设磨损量进行比较，进而实现对刀具磨损、零件精度是否超标进行实时的监测。

进一步地，在刀具上安装传感器，通过采集切削过程中的电流信号对刀具的磨损量实施监测；利用计算机系统，将设置好的预控曲线及各时刻允许磨损值输入到计算机系统中，进而比较每个时刻的实际磨损量与预设磨损量的大小，实现在加工过程对刀具磨损、零件精度是否超标进行实时监测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。