[发明专利]一种基于切削力模型的金刚石刀具磨损监测方法

说明书

技术领域

本发明属于刀具磨损监测领域，具有涉及一种基于切削力模型的金刚石刀具磨损监测方法。

背景技术

工件在切削加工的过程中，刀具会有所磨损，刀具的磨损会引起刀具的几何形状发生变化，从而加工工件就会产生尺寸偏差，还会影响工件的加工质量。为了避免工件的偏差过大，提高加工质量，需要对刀具的磨损量进行监测，根据监测结果来确定是不是要换刀。

金刚石材质的切削刀具在实际生产中有广泛的应用。常用的监测金刚石刀具磨损的方法为直接监测法，直接监测法主要通过直接测量后刀面磨损带中间部分的平均磨损量进行检测。由于直接监测法在监测时需要不断测量刀具磨损量，会使得生产过程中断，影响加工效率，因此后来又出现了间接监测法。间接监测法则是通过测量与刀具磨损有关的物理量如切削力、声发射等，并建立这些物理量与刀具磨损的对应关系，从而实现对刀具磨损的间接监测。间接监测法常用的是选取切削分力的比值及比值的变化作为判别特征量，一旦这两个特征量超过某一阈值，即可认为刀具已经磨损。但在实际监测时，由于振动和随机噪声的干扰，采用该方法判断刀具磨损容易出错，造成误判。而且由于刀具的正常磨损与异常磨损之间的界限具有一定不确定性，因此预先确定阈值较为困难，必须根据经验和进行较多试验后才能确定，且在不同的场合阈值并不稳定。

金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点，可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。但是，其刀具磨损检测较为困难，无法实时在线检测和测量切削加工中刀具的磨损量，使得其应用领域和范围受到限制。

发明内容

本发明旨在针对现有技术中存在的问题，提出一种基于切削力模型的金刚石刀具磨损监测方法，其通过对切削力进行优化建模，使得其可以准确表征金刚石刀具磨损状态，通过对该切削力的监测即可实现对金刚石刀具磨损的监测，从而实现对金刚石刀具磨损的实时在线和准确的监测。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：

一种基于切削力模型的金刚石刀具磨损监测方法，其用于对金刚石刀具的磨损量进行实时在线监测，其特征在于，该方法包括：

(1)利用非等分剪切区模型计算切削过程中由切屑的形成而产生的锋利金刚石刀具作用下的切削力；

(2)计算出切削过程中由切削刃钝圆引起的犁切力；

(3)根据上述确定的锋利金刚石刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得金刚石刀具切削力；

(4)根据上述得到的金刚石刀具切削力，建立金刚石刀具磨损监测模型，从而实现对金刚石刀具磨损的实时监测，其中金刚石刀具磨损量与切削力的关系为：

其中，δ为金刚石刀具磨损量，μ为表征金刚石刀具与工件摩擦性能相关的常量，B为表征工件材料硬度系数的常量，V为金刚石刀具切削速度，D为金刚石刀具吃刀量，x，y和z分别为切削进给速度指数、切削力指数以及吃刀量指数，其取值范围分别为(0,1)。

作为本发明的进一步优选，锋利金刚石刀具作用下的切削力和切削刃钝圆引起的犁切力获得金刚石刀具切削力的具体过程如下：

F₁＝aF_c+bP_c

F₂＝cF_t+dP_t

其中，F₁为直角切削加工中在切削速度方向的切削力，F₂为直角切削加工中在垂直切削速度方向的切削力，a，b，c，d分别为表示锋利与钝圆相互关系的常数，其满足

各式中，β为金刚石刀具和切屑之间的摩擦角，α为金刚石刀具前角，为剪切角，t为切削厚度，w为切削宽度，τ为主剪切区的剪切流动应力，F_s为主剪切面上的剪切力，P_c是切削速度方向上的犁切力，P_t是垂直于工件已加工表面方向上的犁切力，λ为中间参量，且ρ₀为切屑与未加工表面之间过渡斜面的倾斜角。

作为本发明的进一步优选，主剪切区的剪切流动应力τ通过如下公式计算得到：

上式中，C为材料的应变率敏感系数，n为材料的硬化指数，m为热软化指数(系数)，γ为剪切应变率，T是材料的熔化温度，Tr是参考温度。