一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法，其用于對金剛石刀具的磨損量進行實時在線監測，其特征在于，該方法包括：(1)利用非等分剪切區模型計算切削過程中由切屑的形成而產生的鋒利金剛石刀具作用下的切削力；(2)計算出切削過程中由切削刃鈍圓引起的犁切力；(3)根據上述確定的鋒利金剛石刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的犁切力獲得金剛石刀具切削力；(4)根據上述得到的金剛石刀具切削力，建立金剛石刀具磨損監測模型，從而實現對金剛石刀具磨損的實時監測。本發明的方法可以準確表征金剛石刀具磨損狀態，通過對該切削力的監測即可實現對金剛石刀具磨損的監測，從而實現對金剛石刀具磨損的實時在線和準確的監測。
【專利說明】
一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于刀具磨損監測領域，具有涉及一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損 監測方法。
【背景技術】
[0002] 工件在切削加工的過程中，刀具會有所磨損，刀具的磨損會引起刀具的幾何形狀 發生變化，從而加工工件就會產生尺寸偏差，還會影響工件的加工質量。為了避免工件的偏 差過大，提高加工質量，需要對刀具的磨損量進行監測，根據監測結果來確定是不是要換 刀。
[0003] 金剛石材質的切削刀具在實際生產中有廣泛的應用。常用的監測金剛石刀具磨損 的方法為直接監測法，直接監測法主要通過直接測量后刀面磨損帶中間部分的平均磨損量 進行檢測。由于直接監測法在監測時需要不斷測量刀具磨損量，會使得生產過程中斷，影響 加工效率，因此后來又出現了間接監測法。間接監測法則是通過測量與刀具磨損有關的物 理量如切削力、聲發射等，并建立這些物理量與刀具磨損的對應關系，從而實現對刀具磨損 的間接監測。間接監測法常用的是選取切削分力的比值及比值的變化作為判別特征量，一 旦這兩個特征量超過某一閾值，即可認為刀具已經磨損。但在實際監測時，由于振動和隨機 噪聲的干擾，采用該方法判斷刀具磨損容易出錯，造成誤判。而且由于刀具的正常磨損與異 常磨損之間的界限具有一定不確定性，因此預先確定閾值較為困難，必須根據經驗和進行 較多試驗后才能確定，且在不同的場合閾值并不穩定。
[0004] 金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數、高彈性模量、高熱導、低熱膨 脹系數，以及與非鐵金屬親和力小等優點，可以用于非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、 復合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。但是，其刀具磨損檢測較為困 難，無法實時在線檢測和測量切削加工中刀具的磨損量，使得其應用領域和范圍受到限制。

【發明內容】

[0005] 本發明旨在針對現有技術中存在的問題，提出一種基于切削力模型的金剛石刀具 磨損監測方法，其通過對切削力進行優化建模，使得其可以準確表征金剛石刀具磨損狀態， 通過對該切削力的監測即可實現對金剛石刀具磨損的監測，從而實現對金剛石刀具磨損的 實時在線和準確的監測。
[0006] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案具體如下：
[0007] -種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法，其用于對金剛石刀具的磨損量 進行實時在線監測，其特征在于，該方法包括：
[0008] (1)利用非等分剪切區模型計算切削過程中由切肩的形成而產生的鋒利金剛石刀 具作用下的切削力；
[0009] (2)計算出切削過程中由切削刃鈍圓引起的犁切力；
[0010] (3)根據上述確定的鋒利金剛石刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的犁切力 獲得金剛石刀具切削力；
[0011] (4)根據上述得到的金剛石刀具切削力，建立金剛石刀具磨損監測模型，從而實現 對金剛石刀具磨損的實時監測，其中金剛石刀具磨損量與切削力的關系為：
[0013] 其中，s為金剛石刀具磨損量，y為表征金剛石刀具與工件摩擦性能相關的常量，B 為表征工件材料硬度系數的常量，V為金剛石刀具切削速度，D為金剛石刀具吃刀量，x，y和z 分別為切削進給速度指數、切削力指數以及吃刀量指數，其取值范圍分別為(〇，1)。
[0014] 作為本發明的進一步優選，鋒利金剛石刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的 犁切力獲得金剛石刀具切削力的具體過程如下：
[0015] Fi = aFc+bPc
[0016] F2 = cFt+dPt
[0017] F = ^F[+F：-
[0018] 其中，Fi為直角切削加工中在切削速度方向的切削力，F2為直角切削加工中在垂直 切削速度方向的切削力，a，b，c，d分別為表示鋒利與鈍圓相互關系的常數，其滿足 1 < +/y < 2 , 1 < yjc2 + d?' <2 ,
[0021 ] P - r-n'[(l + ^ + sin(2/l))sin(f/?-/i) + cos(2/L)cos(^-l)]
[0022] lvl(l + sin(2/i.)) cos(^ - A) + cos(2/L) sin(</; -1)]
[0023] 各式中，P為金剛石刀具和切肩之間的摩擦角，a為金剛石刀具前角，史為剪切角，t 為切削厚度，w為切削寬度，t為主剪切區的剪切流動應力，F s為主剪切面上的剪切力，P。是切 削速度方向上的犁切力，Pt是垂直于工件已加工表面方向上的犁切力，A為中間參量，且 /i=0-arcsin(V2Sin/i) .Po為切肩與未加工表面之間過渡斜面的傾斜角。
[0024] 作為本發明的進一步優選，主剪切區的剪切流動應力t通過如下公式計算得到：
[0026] 上式中，C為材料的應變率敏感系數，n為材料的硬化指數，m為熱軟化指數(系數）， y為剪切應變率，T是材料的熔化溫度，Tr是參考溫度。
[0027] 作為本發明的進一步優選，主剪切面上的剪切力匕通過如下公式計算得到：
[0029]總體而言，本發明的技術方案根據金剛石刀具切削特點將其分為鋒利狀態下和鈍 圓作用下的兩種情形，并分別建立相應的切削力，據此形成實際狀態下的切削力模型，然后 根據切削力模型獲得金剛石刀具磨損關系式，從而可準確在線地實現金剛石刀具磨損的實 時監測，該方法計算過程簡單，結果精確并可實時在線呈現。
【具體實施方式】
[0030] 以下結合實施例對本發明作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發明， 凡是采用本發明的相似方法以及相似變化，均應列入本發明的保護范圍。
[0031] 在切削力的模型建立過程中，先利用非等分剪切區模型計算由切肩的形成而產生 的鋒利金剛石刀具作用下的切削力，其次計算出由切削刃鈍圓引起的犁切力，將二者綜合 疊加考慮即得到考慮切削刃鈍圓時的切削力。
[0032] 在切肩的形成過程中，剪切滑移所需要的力是由金剛石刀具前刀面并通過切肩來 傳遞的，由于切肩以一定的速度沿著前刀面摩擦流出，故切削力的作用應當滿足前刀面的 摩擦條件，這樣，由于前刀面的摩擦所需要的力和剪切面變形所需要的力必須平衡，所以二 者大小相等，方向相反，并且作用在同一直線上
[0033] 非等分剪切區模型為業內成熟的計算模型，本方案直接應用該模型進行切削力。
[0034] 在鋒利金剛石刀具作用下，切削力F為切肩與金剛石刀具前刀面接觸而受到的摩 擦力和法向力的合力，可以分解成切削速度方向的切削力F。和垂直切削速度方向的進給力 Ft，其中
(1) (2)
[0037] 其中，0為金剛石刀具和切肩之間的摩擦角，a為金剛石刀具前角，為剪切角，t為 切削厚度，w為切削寬度。
[0038] Fs為主剪切面上的剪切力，」
[0039] t為主剪切區的剪切流動應
[0040] 上式中，C為材料的應變率敏感系數，n為材料的硬化指數，m為熱軟化指數，y為剪 切應變率;T是材料的熔化溫度，Tr是參考溫度，通常情況下為室溫。主剪切區的剪切流動應 力本實施例中優選通過Johnson-Cook材料本構模型來計算獲得，該Johnson-Cook材料本構 模型屬于業內成熟的計算主剪切區的剪切流動應力的方案。
[0041]因為金剛石刀具并不是絕對鋒利的，切削刃處總會存在一個鈍圓半徑，因此在實 際的切削加工過程中，切削力是有兩部分組成的，一部分是在金剛石刀具絕對鋒利的情況 下計算得到的切削力，另一部分是由切削刃鈍圓產生的犁切力，兩部分疊加就構成了實際 金剛石刀具形成的切削力狀態。
[0042] 由切削刃鈍圓作用在工件加工表面上的犁切力可由下式進行計算：
[0043] P - z u[(l + sin(2A)jsin(^9-/u) + cos(2/L)cos(c/?-/i)J (5 )
[0044] P, - T' h[(1 -h^ + sin(2A))cos(9?- / j -t cos(2/L)sin(r/>-/L)] (6 )
[0045]其中，Pc是切削速度方向上的犁切力，Pt是垂直于工件已加工表面方向（進給方向） 上的犁切力，T為主剪切區的剪切流動應力，為剪切角，W為切削寬度，A為中間參量，
[0046] /i.=6!7-arcsin(v^sin/7(1) (7)
[0047] pQ為切肩與未加工表面之間過渡斜面的傾斜角。
[0048]直角切削加工中的切削力與鋒利金剛石刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓作用 產生的犁切力滿足如下關系：
[0049] Fi = aFc+bPc (8)
[0050] F2 = cFt+dPt (9)
[0051 ]其中，Fi為直角切削加工中在切削速度方向的切削力，F2為直角切削加工中在垂直 切削速度方向的切削力。
[0052] a，b，c，d分別為表示鋒利與鈍圓相互關系的常數，一般地其滿足 1< +/,： ^2, 1S備::_f f S2.，a與C，以及b與d的取值范圍可以相同也可以不同。
[0053]最終的切削力大小為：
(10)
[0055]基于建立的切削力模型，利用金剛石刀具與工件的摩擦系數以及切削速度，即可 建立金剛石刀具磨損量與切削力的關系：
(11)
[0057]其中，S為金剛石刀具磨損量，y為金剛石刀具與工件摩擦性能相關的常量，其值的 取值優選為2〈y〈4,具體根據金剛石刀具與工件的材料選擇確定，B為與工件材料硬度相關 的常量，取值與工件材料相關，例如優選為[0. 8-1.75]，V為金剛石刀具切削速度，D為金剛 石刀具吃刀量(切削深度），x，y和 z分別為切削進給速度指數、切削力指數以及吃刀量指數， 其取值范圍分別為(〇，1)。
[0058] 在一個實施例中，x，y和z分別取值為0.1，0.3和0.1;另一個實施例中，x，y和z分別 取值為0.1，0.3和0.1，但本發明中x，y和z值并不限于此，可以根據實際情況在(0，1)內取 值。
[0059]需要說明的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法，其用于對金剛石刀具的磨損量進 行實時在線監測，其特征在于，該方法包括： (1) 利用非等分剪切區模型計算切削過程中由切肩的形成而產生的鋒利金剛石刀具作 用下的切削力； (2) 計算出切削過程中由切削刃鈍圓引起的犁切力； (3) 根據上述確定的鋒利金剛石刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的犁切力獲得 金剛石刀具切削力； (4) 利用上述得到的金剛石刀具切削力，建立金剛石刀具磨損監測模型，從而實現對金 剛石刀具磨損的實時監測，其中金剛石刀具磨損量與切削力的關系為：其中，S為金剛石刀具磨損量，μ為金剛石刀具與工件摩擦性能相關的常量，B為與工件 材料硬度相關的常量，V為金剛石刀具切削速度，D為金剛石刀具吃刀量，x，y和ζ分別為切削 進給速度指數、切削力指數以及吃刀量指數，其取值范圍分別為(〇，1)。2. 根據權利要求1所述的一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法，其中，根據 所述鋒利金剛石刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的犁切力獲得金剛石刀具切削力 的具體過程如下：其中，F1為切削加工中在切削速度方向的切削力，F2為切削加工中在垂直切削速 度方向的切削力，a，b，c，d分別為表示鋒利與鈍圓相互關系的常數，其滿足 i< yja~+b2 <2, 1< Vcr- +c'r < 2 是切削速度方向上的犁切力，Pt是垂直于工件已加工表 面方向上的犁切力，Fc為鋒利金剛石刀具作用下沿切削速度方向的切削力，F t為鋒利金剛石 刀具作用下沿垂直切削速度方向的進給力； 另外，各式中，β為金剛石刀具和切肩之間的摩擦角，α為金剛石刀具前角，為剪切角，t為切 削厚度，w為切削寬度，τ為主剪切區的剪切流動應力，Fs為主剪切面上的剪切力，λ為中間參 量角度且1，-肌如(>/^^/；>|)):，.0()為切肩與未加工表面之間過渡斜面的傾斜角。3. 根據權利要求1或2所述的一種基于切削力模型的金剛石刀具磨損監測方法，其中， 所述主剪切區的剪切流動應力τ通過如下公式計算得到：上式中，C為材料的應變率敏感系數，η為材料的硬化指數，m為熱軟化指數，γ為剪切應 變率，T是材料的熔化溫度，Tr是參考溫度。4.根據權利要求1至3中任一項所述的主剪切面上的剪切力匕通過如下公式計算得到：式中，為剪切角，t為切削厚度，w為切削寬度，τ為主剪切區的剪切流動應力。
【文檔編號】B23Q17/09GK106002487SQ201610615608
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月30日
【發明人】曾秀芳
【申請人】湖北知本信息科技有限公司