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CN105181508A - 难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型 - Google Patents

难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型 Download PDF

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CN105181508A CN201510528315.8A CN201510528315A CN105181508A CN 105181508 A CN105181508 A CN 105181508A CN 201510528315 A CN201510528315 A CN 201510528315A CN 105181508 A CN105181508 A CN 105181508A
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张培培
马俊杰
郭艳
王科盛
宋理伟
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Abstract

本发明公开了一种难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，试验涉及到机床主轴，铣刀，材料，夹具，工作台，还包括一检测刀具磨损量的显微镜和一数据处理中心。本发明可分析在对难加工材料钛合金进行加工时，刀具磨损与材料去除量之间的关系，运用正交实验方法，对不同加工参数进行试验，测量刀具磨损程度，分析不同条件下刀具磨损程度与材料去除量之间的联系。结果显示刀具磨损程度和材料去除量之间成线性相关。主轴转速、进给量、切削深度、切削宽度等不同的参数对其有着不同的影响，该研究结果对于数控加工中工艺制定刀具的选择具有重要的指导意义。

Description

难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型
技术领域
本发明涉及刀具磨损检测领域，具体涉及一种难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型。
背景技术
难加工材料的切削加工过程是难加工材料在刀具作用下产生塑性变形的过程，这其间伴随着剧烈的摩擦和磨损，使得难加工材料的切削加工具有切削力大、切削温度高、加工硬化倾向大、刀具磨损大等特点，这些特点不仅使得切削效率低，而且让刀具寿命短，一直是切削加工中的难题。
钛合金的低导热性、高化学活性引起高速切削过程中刀-屑接触区域温度高、工件材料与刀具亲和力强，刀具磨损严重，加工效率低，属于典型的难加工材料。针对这类典型难加工材料中刀具摩擦与磨损严重的问题，在论述高速切削刀-屑接触区摩擦特性研究现状的基础上，分析了刀具磨损机理、刀具切削性能、以及冷却润滑对刀具摩擦磨损行为的影响，总结了磨损建模等方面的研究进展。最后提出了对难加工材料高速切削具有指导作用的刀具摩擦磨损研究的新方向。
(1)难加工材料工程应用：
由于难加工材料具有高强重比(强度和重量比率)、耐高温、耐腐蚀、高硬度、高强度、高韧性和高耐磨性、导热性系数低、高温化学活性高、弹性模量小等优点，所以广泛用在航空、航天、舰船、核电、汽车和重工业领域。如航空难加工关键零件---航空发动机单晶涡轮叶片、整体叶轮、飞机起落架等。
(2)钛合金难加工的原因：
尽管难加工材料工程性能良好，但是其加工难度大、加工效率低、刀具磨损快、设备昂贵、加工成本高，这些成为难加工材料制造中的“瓶颈”问题。加工困难的原因有：1)材料导热性能差，大量切削热集中在切削刃处，使刀具极易磨损；2)由于活泼金属的含量高，在切削中极易产生粘结刀具的现象，易形成切削瘤而使表面粗糙度增高，刀具磨损加快；3)具有较小的弹性模量，比钢具有更大的反弹。材料去除的同时伴随着刀具磨损，探索其之间的映射关系对提高加工效率、降低生产成本有着重要意义。
由于钛合金具有导热系数低、弹性模量小和高温化学活性高等特点。因此在切削过程中，容易产生很高的切削温度，导致刀具磨损加快、表面质量难以控制。同时，由于钛合金的结构件特点，大量的材料需要从整块坯料中去除，进一步增加了加工困难。硬质合金因其优良的性能而广泛应用于钛合金材料的加工。然而，硬质合金刀具的磨损是个突出的问题。严重的刀具磨损不仅对加工效率和质量有较的影响，而且也关系到加工成本，随着刀具技术的发展和新型刀具材料的出现，金属切削技术也在不断提高，各种切削技术相继用于加工不锈钢、钛合金、淬硬钢等难加工材料。目前，难加工材料的切削效率还很低，如何有效提高难加工材料的切削效率，降低加工成本，是当前制造业亟待解决的问题之一。因此，研究钛合金加工用刀具的磨损，监测刀具磨损状态与钛合金加工程度，探究钛合金材料加工过程中刀具磨损与材料去除量之间的关系，更有效的进行钛合金的加工处理已成为钛合金加工研究领域值得关注的课题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
难加工材料去除量和刀具磨损之间的检测模型，包括机床主轴、铣刀、工件、夹具和工作台，铣刀安装在机床主轴的下端，工件通过夹具安装在工作上，还包括一检测刀具磨损的显微镜和一数据处理中心；
所述数据处理中心通过以下步骤进行数据处理：
S1、将Excel数据向MATLAB的导入与绘图仿真；
S2、通过MATLAB对离散数据进行多项式拟合，
其中，所述机床采用XH714型立式加工中心。
其中，还包括一3RAnytyVER1.00手持数字显微镜，用于刀具磨损的测量。测量时将显微镜竖直进行固定，靠近被观测物体时，显微镜和被测物体之间的物距不超过30厘米。
其中，3RAnytyVER1.00手持数字显微镜使用时当被观测物体贴着显微镜透明件时，转动滚轮会得到2个清晰图片的位置，长透明罩：放大倍数为30倍和200倍；短透明罩：放大倍数为80倍和150倍。
本发明具有以下有益效果：
本发明可分析在对难加工材料钛合金进行加工时，刀具磨损与材料去除量之间的关系，运用正交实验方法，对不同加工参数进行试验，测量刀具磨损程度，分析不同条件下刀具磨损程度与材料去除量之间的联系。结果显示刀具磨损程度和材料去除量之间成线性相关。主轴转速、进给量、切削深度、切削宽度等不同的参数对其有着不同的影响，该研究结果对于数控加工中工艺制定刀具的选择具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中第一组实验刀具十次切削中的刀具磨损与材料去除量。
图3为本发明实施例中第一组实验数据的多项式拟合。
图4第二组实验刀具十次切削中的刀具磨损与材料去除量。
图5第二组实验数据的多项式拟合。
图6第三组实验刀具十次切削中的刀具磨损与材料去除量。
图7第三组实验数据的多项式拟合。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施侧提供了一种难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，包括机床主轴1、铣刀2、工件3、夹具4和工作台5铣刀安装在机床主轴1的下端，工件3通过夹具4安装在工作5上，还包括一检测刀具磨损的显微镜和一数据处理中心；
所述数据处理中心通过以下步骤进行数据处理：
S1、将Excel数据向MATLAB的导入与绘图仿真；
S2、通过MATLAB对离散数据进行多项式拟合。
所述机床采用XH714型立式加工中心。还包括一3RAnytyVER1.00手持数字显微镜，用于刀具磨损的测量。3RAnytyVER1.00手持数字显微镜竖直进行固定，靠近被观测物体时，显微镜和被测物体之间的物距不超过30厘米。3RAnytyVER1.00手持数字显微镜使用时当被观测物体贴着显微镜透明件时，转动滚轮会得到2个清晰图片的位置，长透明罩：放大倍数为30倍和200倍；短透明罩：放大倍数为80倍和150倍。
实施例
使用两种型号不同的刀具进行切削实验。实验具体分为钛合金工件加工和数据采集两个阶段。本实验设计采用正交实验设计方法，其中，切削参数是主轴转速，进给量，切削深度和切削宽度。根据加工中心的性能，确定4个切削用量的范围：
主轴转速n(rpm)：700，1000，1300；
进给量vf(mm/min)：80，100，120；
切削深度dp(mm)：0.1，0.3，0.5；
切削宽度de(mm)：40，50，60；
根据范围，并综合考虑试验成本，这里选用4因素3水平的正交实验。实验参数见表1。
表1实验详细参数
本具体实施可以分为两个阶段
第一阶段：根据设定的切削参数组合，见上表加工钛合金工件。根据实验采用的刀片型号，每次实验在刀柄上安装相同型号的五个刀片，并给刀片依次编号，每次切削完一个平面切削宽度40mm，材料宽80mm完成一次实验，然后进行第二阶段数据采集，采集完之后，重新依次安装上刀片，继续进行实验。依次重复该实验，共切削十次。这里需要说明的是切削宽度由于实验本身的限制，每组均设置为40mm。
第二阶段：实验数据采集。第一阶段完成一次实验后，将5个刀片依次从刀柄上取下标好号的刀片，采用便携式视频显微镜3RAnytyVER1.00测量每次实验结束时每个刀片的磨损量，依次测量，记录数据，直至实验结束。数据的测量采集以刀具完全磨损部分为参考量。
实施例1
实验过程中需要的参数有主轴转速、进给量、切削深度、切削宽度、材料去除率、时间。根据表2，第一组加工数据设定值见表2。
表2第一组实验切削参数
n(rpm) vτ(mm/min) dp(mm) de(mm) q(cm3/min) t(min) v(cm3)
700 80 0.1 40 0.32 7.5 2.4
第一组切削参数下，五个刀片十次切削的刀具磨损量具体数据见表3。
表3第一组实验刀具十次切削中的刀具磨损
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 第八次 第九次 第十次
刀具1 0.1710 0.7570 0.9140 1.7430 2.4670 3.5640 3.8570 4.3980 5.1290 5.8680
刀具2 0.3190 0.7520 0.9310 1.3960 1.8020 2.3950 2.4460 3.2580 4.2060 4.5760
刀具3 0.3730 0.5310 1.1530 1.3280 1.8490 2.6700 3.9140 4.5210 5.1710 5.3860
刀具4 0.3390 0.7110 1.1660 2.0280 2.2480 2.5100 3.4060 4.3110 5.1670 5.8040
刀具5 0.2410 0.5630 1.0290 1.3170 1.7300 2.2300 3.1520 4.0130 4.8190 5.6140
平均值 0.2886 0.6628 1.0386 1.5624 2.0192 2.6738 3.3550 4.1002 4.8984 5.4496
根据表3的数据，其数据的变化趋势见图2。图中刀片一至五的刀具磨损与材料去除量之间的关系依次由在节点有圆圈、正方形、叉、点、十字标记的五种折线来表示，刀片一至五的刀具磨损平均值与材料去除量之间的关系由在节点有标记的折线来表示。因为采用同一种刀具，并且是在相同的条件下进行试验，为了实验的准确性，对五组刀具磨损的数据进行了平均值的求解，平均值一定程度上代表了本次实验的实验结果，故对平均值进行离散函数的多项式拟合，能够更好的看出两者之间的关系。
其拟合的数据见表4。
表4第一组实验数据的离散函数的多项式拟合
得到函数：
y1＝0.0045x2+0.1265x-0.069(1)
拟合图见3。
由公式(1)和图3可以看出，在第一组实验的参数下，刀具的磨损与材料去除量基本上成正比关系，随着材料去除量的增加，刀具的磨损也随之而增加。
表5第二组实验切削参数
实施例2
实验过程中需要的参数有主轴转速、进给量、切削深度、切削宽度、材料去除率、时间。根据表1，第二组加工数据设定值见表5。
第二组切削参数下，五个刀片十次切削的刀具磨损量具体数据见表6。
表6第二组实验刀具十次切削中的刀具磨损
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 第八次 第九次 第十次
刀具1 0.4120 1.2080 1.3740 1.6760 2.1600 3.1960 3.8260 4.9130 5.3470 5.7610
刀具2 0.4930 1.3770 2.5090 3.1000 3.5140 4.1270 4.5130 5.1720 6.1260 7.7770
刀具3 0.5710 1.1460 1.3920 1.7200 2.0340 2.6010 3.5000 4.5790 5.3490 5.5260
刀具4 1.2460 2.1700 2.8070 4.1120 4.7180 4.9790 5.2490 5.7890 8.2080 9.4980
刀具5 0.6540 1.1740 1.4410 1.6860 2.3320 3.3500 3.5340 4.3550 4.7000 5.1810
平均值 0.6752 1.415 1.9046 2.4588 2.9516 3.6506 4.1244 4.9616 5.946 6.7486
根据表5的数据，其数据的变化趋势见图4。图中刀片一至五的刀具磨损与材料去除量之间的关系依次由在节点有圆圈、正方形、叉、点、十字标记的五种折线来表示，刀片一至五的刀具磨损平均值与材料去除量之间的关系由在节点有标记的折线来表示。因为采用同一种刀具，并且是在相同的条件下进行试验，为了实验的准确性，对五组刀具磨损的数据进行了平均值的求解，平均值一定程度上代表了本次实验的实验结果，故对平均值进行离散函数的多项式拟合，能够更好的看出两者之间的关系。
为了更好地发现刀具磨损与材料去除量之间的关系，本次实验采用多项式拟合的方法。其拟合的数据见表7。
表7第二组实验数据的离散函数的多项式拟合
得到函数：
y2＝0.003x2+0.0434x+0.4250(2)
拟合图见5。
由公式(2)和图5可以看出，在第二组实验的参数下，刀具的磨损与材料去除量基本上成正比关系，随着材料去除量的增加，刀具的磨损也随之而增加，后期的增长速度要略微比前期的快。
实施例3
实验过程中需要的参数有主轴转速、进给量、切削深度、切削宽度、材料去除率、时间。根据表1，第三组加工数据设定值见表8。
表8第三组实验切削参数
n(rpm) vτ(mm/min) dp(mm) de(mm) q(cm3/min) t(min) v(cm3)
700 120 0.5 60 3.6 5 18
第三组切削参数下，五个刀片十次切削的刀具磨损量具体数据见表9。
表9第三组实验刀具十次切削中的刀具磨损
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 第八次 第九次 第十次
刀具1 1.1600 1.9390 2.9870 4.0830 5.1420 6.1890 7.4590 7.6260 8.2100 9.3230
刀具2 1.7860 3.0890 3.1270 4.1740 4.7680 5.9970 7.0920 7.7320 7.9750 8.3580
刀具3 0.7960 1.8090 3.1420 3.9480 4.2330 5.4000 6.3100 7.5280 7.6980 8.4630
刀具4 1.6610 3.0960 3.1920 4.4720 5.2490 5.8460 6.3140 8.0010 8.9580 9.4100
刀具5 1.2180 2.1970 2.9330 3.2350 4.8470 5.5410 6.1810 6.8030 7.2530 8.3070
平均值 1.3242 2.426 3.0762 3.9824 4.8478 5.7946 6.6712 7.538 8.0188 8.7722
根据表9的数据，其数据的变化趋势见图6。图中刀片一至五的刀具磨损与材料去除量之间的关系依次由在节点有圆圈、正方形、叉、点、十字标记的五种折线来表示，刀片一至五的刀具磨损平均值与材料去除量之间的关系由在节点有标记的折线来表示。因为采用同一种刀具，并且是在相同的条件下进行试验，为了实验的准确性，对五组刀具磨损的数据进行了平均值的求解，平均值一定程度上代表了本次实验的实验结果，故对平均值进行离散函数的多项式拟合，能够更好的看出两者之间的关系。
为了更好地发现刀具磨损与材料去除量之间的关系，本次实验分析使用多项式拟合的方法。其拟合的数据见表10。
表10第三组实验数据的离散函数的多项式拟合
得到函数：
y3＝0.0548x+0.3553(3)
拟合图见7。
由公式(3)和图7可以看出，在第三组实验的参数下，刀具的磨损与材料去除量基本上成正比关系，随着材料去除量的增加，刀具的磨损也随之而增加，但是后期的增长速度较前期的略微慢一些。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，其特征在于，包括机床主轴(1)、铣刀(2)、工件(3)、夹具(4)和工作台(5)，铣刀(2)安装在机床主轴(1)的下端，工件(3)通过夹具(4)安装在工作(5)上，还包括一检测刀具磨损的显微镜和一数据处理中心；
所述数据处理中心通过以下步骤进行数据处理：
S1、将Excel数据向MATLAB的导入与绘图仿真；
S2、通过MATLAB对离散数据进行多项式拟合。
2.根据权利要求1所述的难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，其特征在于，所述机床采用XH714型立式加工中心。
3.根据权利要求1所述的难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，其特征在于，还包括一3RAnytyVER1.00手持数字显微镜，用于刀具磨损的测量。
4.根据权利要求1所述的难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，其特征在于，3RAnytyVER1.00手持数字显微镜竖直进行固定，靠近被观测物体时，显微镜和被测物体之间的物距不超过30厘米。
5.根据权利要求1所述的难加工材料去除量和刀具磨损之间的匹配模型，其特征在于，3RAnytyVER1.00手持数字显微镜使用时当被观测物体贴着显微镜透明件时，转动滚轮会得到2个清晰图片的位置，长透明罩：放大倍数为30倍和200倍；短透明罩：放大倍数为80倍和150倍。
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