專利名稱：基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控加工中刀具磨損測(cè)量問(wèn)題，尤其涉及一種數(shù)控加工中不需機(jī) 床停機(jī)即可獲得數(shù)控加工過(guò)程中刀具磨損的形狀復(fù)制測(cè)量方法。用于數(shù)控銑削加 工刀具磨損測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在數(shù)控銑削加工中，刀具作為切削過(guò)程的直接執(zhí)行者，在工件的切削加工過(guò) 程中不可避免地存在著磨損和破損等現(xiàn)象，刀具狀態(tài)的變化直接導(dǎo)致切削力增 加、切削溫度升高、工件表面粗糙度上升、工件尺寸超出公差、切屑顏色變化以 及切削顫振的產(chǎn)生。對(duì)刀具磨損的處理存在兩個(gè)方面， 一方面，如果刀具磨損量 低于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)因?yàn)闆](méi)有充分利用刀具的實(shí)際壽命而帶來(lái)浪費(fèi)，增加制造成 本；另一方面，如果刀具磨損量高于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具己經(jīng)磨鈍或破損，則會(huì)影響 工件的加工表面質(zhì)量和尺寸精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞機(jī)床。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵 在于對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)和實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此，需要對(duì)數(shù)控加工過(guò)程中的刀具
磨損進(jìn)行測(cè)量、建模和控制，通過(guò)測(cè)量刀具磨損，建立刀具磨損模型，進(jìn)而對(duì)加 工過(guò)程產(chǎn)生的刀具磨損進(jìn)行控制，然而，現(xiàn)有的對(duì)于刀具磨損測(cè)量采用的方法是 先進(jìn)行一次刀具的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)后，將刀具從機(jī)床主軸上拆下來(lái)，到工具顯微鏡 或者測(cè)量機(jī)上進(jìn)行刀具磨損情況的測(cè)量，然后再將刀具安裝到機(jī)床主軸上進(jìn)行下 一次數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)，依次進(jìn)行直至完成所設(shè)計(jì)的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)，這種測(cè)量方式需 要機(jī)床停機(jī)、需要多次拆卸和安裝刀具、需要多次進(jìn)行測(cè)量，影響了機(jī)床效率的 發(fā)揮，增加了實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前刀具磨損測(cè)量方面存在的不足，本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)便易行的基于形狀復(fù)制的刀具磨損測(cè)量方法，該方法根據(jù)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備復(fù)印材料，將準(zhǔn)備 好的復(fù)印材料和工件材料安裝到同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行刀具磨損形狀的復(fù) 制，每次形狀復(fù)制后進(jìn)行數(shù)控加工，所有數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)完成后，每次數(shù)控加工實(shí) 驗(yàn)的刀具磨損就復(fù)制在復(fù)印材料上，對(duì)復(fù)印材料上的刀具磨損形狀進(jìn)行批量測(cè)量 便可獲得刀具磨損量，提高了在刀具磨損測(cè)量中機(jī)床的利用率，減少數(shù)控加工實(shí) 驗(yàn)成本和時(shí)間，為刀具磨損建模、刀具磨損在線監(jiān)測(cè)和控制的實(shí)現(xiàn)提供條件。
本發(fā)明提出的基于形狀復(fù)制的刀具磨損測(cè)量方法，采用如下技術(shù)方案
(1) 根據(jù)刀具材料和工件材料類(lèi)型，設(shè)計(jì)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案；
(2) 根據(jù)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案準(zhǔn)備一塊或幾塊經(jīng)過(guò)精加工的復(fù)印材料塊料， 上述復(fù)印材料為對(duì)刀具磨損忽略不計(jì)的易加工材料，數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案中刀具的 最大半徑加8-12厘米作為復(fù)印材料厚度，復(fù)印材料長(zhǎng)度和寬度根據(jù)加工實(shí)驗(yàn)方 案確定；選用對(duì)刀具磨損忽略不計(jì)的易加工材料作為復(fù)印材料，以避免對(duì)刀具的 再次磨損提高測(cè)量精度。
(3) 將要加工的工件材料和復(fù)印材料分別用標(biāo)準(zhǔn)夾具安裝到同一臺(tái)數(shù)控機(jī) 床工作臺(tái)上，為刀具磨損形狀復(fù)制提供便利；
(4) 實(shí)驗(yàn)前先將刀具初始形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，即將刀具沿機(jī)床主軸軸 向在復(fù)印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離，將刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，刀具沿機(jī)床主軸 軸向在復(fù)印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離根據(jù)加工刀具類(lèi)型和每次實(shí)驗(yàn)加工切削深度確 定，保證刀具磨損部分的形狀能復(fù)制到復(fù)印材料上；
(5) 按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)加工材料進(jìn)行加工，同時(shí)每次加工完成后，將 磨損后的刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上；
(6) 在全部加工過(guò)程完成后，對(duì)復(fù)印材料上的所有刀具磨損幾何元素形狀 進(jìn)行數(shù)學(xué)處理并設(shè)計(jì)測(cè)量方案；
(7) 根據(jù)測(cè)量方案在三座標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行刀具磨損的測(cè)量。
本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明將形狀復(fù)印的策略運(yùn)用到刀具磨損測(cè)量 中，采用的刀具磨損測(cè)量設(shè)置簡(jiǎn)單，形狀復(fù)制測(cè)量方式非常靈活，不需機(jī)床停機(jī) 即可獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)控加工過(guò)程中的刀具磨損量，消除了現(xiàn)場(chǎng)加工條件變化對(duì)刀具磨損測(cè)量的影響，大大提高刀具磨損測(cè)量的效率，同時(shí)對(duì)復(fù)制的刀具磨損形狀采用 三座標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量能夠獲得高精度的測(cè)量效果，這對(duì)于刀具磨損建模、刀具磨損 在線監(jiān)測(cè)和控制的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。


圖l:復(fù)印材料上刀具磨損形狀復(fù)制的二維平面示意圖。 圖2:復(fù)印材料上的復(fù)制孔軸向劃分位置示意圖。 圖3:刀具磨損計(jì)算示意圖。 圖4:球頭銑刀刀具磨損測(cè)量示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1-66代表刀具磨損形狀復(fù)制的二維平面示意圖；a為離散分 割后的圓盤(pán)；b為軸向劃分位置。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明提出的基于形狀復(fù)制的刀具磨損測(cè)量方法的具體實(shí)施步驟做 進(jìn)一步描述。
(1) 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
根據(jù)刀具材料和工件材料類(lèi)型，考慮加工中的刀具刃數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速 度、切削深度和切削寬度參數(shù)采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)刀具磨損數(shù)控銑削加工實(shí)驗(yàn)方案。
(2) 復(fù)印材料準(zhǔn)備
根據(jù)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案中要復(fù)制的刀具形狀和加工實(shí)驗(yàn)次數(shù)準(zhǔn)備一塊或幾 塊經(jīng)過(guò)精加工的復(fù)印材料塊料，上述復(fù)印材料為對(duì)刀具磨損忽略不計(jì)的易加工材 料，形狀為長(zhǎng)方體，數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案中刀具的最大半徑加8-12厘米作為復(fù)印 材料厚度，復(fù)印材料長(zhǎng)度和寬度根據(jù)加工實(shí)驗(yàn)方案確定。
(3) 工件材料和復(fù)印材料裝夾
將要加工的工件材料和復(fù)印材料分別用標(biāo)準(zhǔn)夾具安裝到同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床工 作臺(tái)上，為形狀復(fù)制提供便利。(4) 刀具磨損形狀復(fù)制
實(shí)驗(yàn)前先將刀具初始形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，即將刀具沿機(jī)床主軸軸向在復(fù) 印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離，將刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，刀具沿機(jī)床主軸軸向在 復(fù)印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離根據(jù)加工刀具類(lèi)型和每次實(shí)驗(yàn)加工切削深度確定，保證 刀具磨損部分的形狀能復(fù)制到復(fù)印材料上。
按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)加工材料進(jìn)行加工，同時(shí)每次加工完成后，將磨損后 的刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，在復(fù)印材料上獲得了一系列的反映各次加工實(shí)驗(yàn) 刀具磨損情況的幾何形狀復(fù)制孔，針對(duì)每種刀具和工件材料組合就獲得了一系列 的刀具磨損映射，在加工機(jī)床無(wú)需停機(jī)的情況下高效的完成不同刀具和工件材料 組合下的多組加工實(shí)驗(yàn)，這是本發(fā)明區(qū)別于其他刀具磨損測(cè)量方式的一個(gè)重要方 面。
圖1為一個(gè)復(fù)印材料上刀具磨損形狀復(fù)制的二維平面示意圖實(shí)例，對(duì)應(yīng)三維 平面就是在復(fù)印材料上的一系列的復(fù)制孔，在這塊復(fù)印材料上總共復(fù)制了 66個(gè) 刀具磨損形狀。對(duì)于圖1中復(fù)制形成的幾何形狀，通過(guò)對(duì)復(fù)印材料上的復(fù)制孔沿 其軸向劃分得到一系列位置，即可確定為測(cè)量刀具磨損的位置。
(5) 復(fù)制的刀具磨損形狀處理
在全部加工過(guò)程完成后，對(duì)復(fù)印材料上的所有刀具磨損幾何元素形狀進(jìn)行處 理，通過(guò)對(duì)復(fù)印材料上形狀復(fù)制形成的復(fù)制孔沿其軸向劃分得到一系列位置，即 可確定為測(cè)量刀具磨損的位置，從而將連續(xù)的切削刃刀具磨損轉(zhuǎn)化為一系列離散 的刀具切削刃磨損，在復(fù)印材料上就可對(duì)這些位置測(cè)量刀具磨損，上述位置的劃 分是采用沿復(fù)制孔軸向?qū)⒖滓阅骋唤嵌乳g隔劃分，得到一系列的圓盤(pán)面，這些圓 盤(pán)面和復(fù)制孔相交，形成一系列的位置，這些位置就是三座標(biāo)測(cè)量機(jī)要測(cè)量的位 置。圖2為復(fù)印材料上球頭銑刀的復(fù)制孔軸向劃分位置實(shí)例。
(6) 設(shè)計(jì)復(fù)制的刀具磨損形狀測(cè)量方案
圖3是刀具磨損計(jì)算示意圖，在圖3中，設(shè)刀具前角為a，后角為"，刀
具切削刃徑向磨損量為/2，由圖3中的幾何關(guān)系可知后刀面刀具磨損AKB由如 下關(guān)系式確定<formula>formula see original document page 8</formula>
為了求出刀具后刀面磨損量，只需要計(jì)算出刀具磨損后與刀具磨損前徑向的 距離差A(yù)/z，通過(guò)測(cè)出刀具磨損后與刀具磨損前距離/z，兩者相減便可得到徑向
距離差A(yù)/z，按照?qǐng)D2所劃分的位置分別在復(fù)印材料上就同一把刀具兩組相鄰復(fù) 制孔進(jìn)行測(cè)量，便可求出各次數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)的刀具后刀面的磨損量。
對(duì)于不同的刀具類(lèi)型，例如，球頭銑刀、平底銑刀、圓角銑刀等，其刀具磨
損的計(jì)算都可歸結(jié)為求解/z值。圖4所示為球頭銑刀刀具磨損測(cè)量計(jì)算實(shí)例，對(duì)
于球頭刀具在復(fù)印材料上復(fù)制刀具磨損形狀時(shí)使球頭刀具球頭的球心落在復(fù)印 材料上表面，復(fù)制出半球面，對(duì)于同一種刀具，保持刀具沿機(jī)床主軸軸向在復(fù)印
材料上進(jìn)給同一距離。對(duì)于圖2中所設(shè)計(jì)的測(cè)量位置使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)于點(diǎn) A，若測(cè)得A到復(fù)制孔軸線的水平距離為X，到復(fù)印材料上表面距離為Z，設(shè)初
始球頭刀具半徑為及。，則后刀面磨損量AF5計(jì)算時(shí)所需的/z由以下關(guān)系式確
定
式中的W由以下關(guān)系式確定
A二 Vx2
刀具初始形狀復(fù)制在復(fù)印材料上由于復(fù)制的孔軸線方向上球頭刀具球頭球 心不一定在鋁板上表面，此時(shí)測(cè)出的A與初始球頭刀具半徑i^可能不等，存在 誤差，需要采用以下兩個(gè)歩驟進(jìn)行修正-
①假設(shè)球頭刀具球頭球心在復(fù)印材料上表面下方Az處(由于試切時(shí)有一定
切削量)，設(shè)圖4中B點(diǎn)到復(fù)制孔Z向軸線距離為Xo，則球頭刀具實(shí)際半徑由如 下關(guān)系式確定
i 0 = X0
由幾何關(guān)系球頭刀具實(shí)際半徑也可由以下關(guān)系式確定<formula>formula see original document page 9</formula>
由上面兩個(gè)關(guān)系式，通過(guò)測(cè)量X()、 x以及z，可求出i^和Az。
②據(jù)此球頭刀具磨損以后，其后刀面刀具磨損AKS計(jì)算時(shí)所需/2的計(jì)算公 式修正為以下關(guān)系式
對(duì)于復(fù)印材料上的復(fù)制孔只要測(cè)出X和Z值，便可得到刀具磨損量，具體測(cè) 量方法是采用在圖2中任一劃分位置處的同一水平面(使縱坐標(biāo)不變)內(nèi)，均勻 的取若干個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)出JC和Z值，以X的平均值和Z的平均值代入修正后的計(jì)
算公式中就可獲得這一位置的i 和/ ,對(duì)每個(gè)位置采取類(lèi)似處理，就可獲得復(fù) 制孔上劃分的各個(gè)位置的A和/Z ，這樣就得到一次數(shù)控銑削加工實(shí)驗(yàn)各個(gè)位置 的/z ，對(duì)包括刀具磨損初始形狀復(fù)制的孔在內(nèi)的同一把刀具相鄰兩次數(shù)控銑削加
工實(shí)驗(yàn)同一位置處的/z相減代入后刀面刀具磨損量AF^的計(jì)算關(guān)系式中就可
確定一次數(shù)控銑削加工實(shí)驗(yàn)刀具磨損量，依次處理便可得到各次數(shù)控銑削加工實(shí) 驗(yàn)刀具磨損量。對(duì)于平底銑刀、圓角銑刀可以采用類(lèi)似的處理方法。
據(jù)此分析，就可設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)制的刀具磨損形狀復(fù)制孔的測(cè)量方案。
(7)復(fù)制的刀具磨損形狀測(cè)量
根據(jù)測(cè)量方案在三座標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行刀具磨損的測(cè)量，具體方法為對(duì)同一
復(fù)制形狀各個(gè)位置分別進(jìn)行測(cè)量，對(duì)不同復(fù)制形狀的各個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，對(duì)同一 把刀具復(fù)制形成的兩個(gè)相鄰形狀同一位置處所測(cè)數(shù)據(jù)之差，即為該刀具在一次數(shù) 控實(shí)驗(yàn)加工后這一位置處的刀具磨損，從而可以獲得刀具磨損量。
式中w由如下關(guān)系式確定-
權(quán)利要求
1.一種基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟(1)根據(jù)刀具材料和工件材料類(lèi)型，設(shè)計(jì)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案；(2)根據(jù)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案準(zhǔn)備一塊或幾塊經(jīng)過(guò)精加工的復(fù)印材料塊料，上述復(fù)印材料為對(duì)刀具磨損忽略不計(jì)的易加工材料；(3)將要加工的工件材料和復(fù)印材料分別用標(biāo)準(zhǔn)夾具安裝到同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上；(4)實(shí)驗(yàn)前先將刀具初始形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，即將刀具沿機(jī)床主軸軸向在復(fù)印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離，將刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上；(5)按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)加工材料進(jìn)行加工，同時(shí)每次加工完成后，將磨損后的刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上；(6)在全部加工過(guò)程完成后，對(duì)復(fù)印材料上的所有刀具磨損幾何元素形狀進(jìn)行數(shù)學(xué)處理并設(shè)計(jì)測(cè)量方案；(7)根據(jù)測(cè)量方案在三座標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行刀具磨損的測(cè)量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，其特征在于上述復(fù)印材料為鋁合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，其特征在于數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)方案中刀具的最大半徑加8-12厘米作為復(fù)印材料厚度，復(fù)印材料長(zhǎng)度和寬度根據(jù)加工實(shí)驗(yàn)方案確定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，其特征在于刀具沿機(jī)床主軸軸向在復(fù)印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離根據(jù)加工刀具類(lèi)型和每次實(shí)驗(yàn)加工切削深度確定，保證刀具磨損部分的形狀能復(fù)制到復(fù)印材料上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，其特征在于在全部加工過(guò)程完成后，對(duì)復(fù)印材料上的所有刀具磨損幾何元素形狀進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)復(fù)印材料上形狀復(fù)制形成的復(fù)映孔沿其軸向劃分得到一系列位置，即可確定為測(cè)量刀具磨損的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，其特征在于對(duì)同一把刀具復(fù)制形成的兩個(gè)相鄰形狀同一位置處所測(cè)數(shù)據(jù)之差，即為該刀具在一次數(shù)控實(shí)驗(yàn)加工后這一位置處的刀具磨損。
全文摘要
一種基于形狀復(fù)制的數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量方法，屬數(shù)控銑削加工刀具磨損測(cè)量領(lǐng)域。將工件材料和復(fù)印材料安裝在同一數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上；實(shí)驗(yàn)前先將刀具初始形狀復(fù)制在復(fù)印材料上，即將刀具沿機(jī)床主軸軸向在復(fù)印材料上進(jìn)給預(yù)設(shè)距離，將刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上；上述復(fù)印材料為對(duì)刀具磨損忽略不計(jì)的易加工材料；按設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)加工材料進(jìn)行加工，同時(shí)每次加工完成后，將磨損后的刀具形狀復(fù)制在復(fù)印材料上；在全部加工過(guò)程完成后，對(duì)復(fù)印材料上所有刀具磨損幾何元素形狀進(jìn)行數(shù)學(xué)處理并測(cè)量。本發(fā)明將形狀復(fù)制引入刀具磨損測(cè)量中，提高了機(jī)床利用率，減少數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，刀具磨損測(cè)量設(shè)置簡(jiǎn)單，不需機(jī)床停機(jī)即可獲得刀具磨損量。
文檔編號(hào)B23Q17/09GK101590614SQ20091003173
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者周來(lái)水, 臣 張, 王小平 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)