[发明专利]一种微铣刀早期破损的预测方法

摘要

本发明一种微铣刀早期破损的预测方法属于微切削刀具早期破损预测领域，涉及一种微铣削加工镍基高温合金，通过理论建模计算刀具受到应力来预测刀具破损的方法。该方法基于材料力学理论求取微铣刀螺旋刃的分布载荷引起的弯曲应力，根据建立的微铣削力模型，求得微铣刀上微元受到的径向力，切向力和轴向力。然后把微元力向X、Y及Z方向分解，进而计算刀具弯曲应力。在获取硬质合金刀具破损的极限弯曲拉应力的基础上，通过对比基于微铣削力模型推导得到的刀具弯曲应力和微铣刀破损的极限弯曲拉应力，求得微铣刀破损时的切削参数组合。该方法适用性广，成本低，能准确的预测微铣刀早期破损，为微铣削切削参数选择提供了依据。

主权项

1.一种微铣刀早期破损的预测方法，其特征是，该方法基于材料力学理论求取由微铣刀螺旋刃的分布载荷引起的弯曲应力，根据建立的微铣削力模型，求得微铣刀上微元受到的径向力，切向力和轴向力，然后把微元力向X、Y及Z方向分解，进而计算刀具弯曲应力；在获取硬质合金刀具破损的极限弯曲拉应力的基础上，通过对比基于微铣削力模型推导得到的刀具弯曲应力和微铣刀破损的极限弯曲拉应力，求得微铣刀破损时的切削参数组合；预测方法的具体步骤如下：第一步建立微铣削力模型建立微铣削力模型，求取刀具上微元受到的径向力、切向力和轴向力，当切削厚度大于最小切削厚度时，切削力以剪切效应为主，当切削厚度小于最小切削厚度时，切削力以耕梨效应为主；其表达式为:式中，dF_r、dF_c及dF_a分别为刃口微元径向、切向和轴向微元切削力，单位为N；K_rc，K_cc，K_ac分别为径向、切向和轴向剪切效应力系数，单位为：N/mm²；K_rp，K_cp，K_ap分别为径向、切向和轴向耕犁效应力系数，单位为：N/mm³；A_p为耕犁区域面积，单位为：mm²；t_c(t,k,z)为t时刻，第k齿切削刃在轴向坐标位置z处切削微元的瞬时切削厚度，dw为微元的切削宽度，单位为mm，β为刀具螺旋升角；将dw用dz表示为：第二步微铣削力的坐标转换把加载在刀具刃口的径向、切向和轴向切削力dF_r、dF_c及dF_a沿X、Y及Z方向分解，得到公式(5)：第三步微铣削力引起的微铣刀弯曲拉应力由于Z方向的轴向力不产生弯曲应力，忽略Z方向的微铣削力对刀具承受弯曲拉应力的影响；根据公式(6)把分布在刀刃上的微元力dF_xj(θ),dF_yj(θ)化简为在刀具X和Y方向的分布力Wx(θ)和Wy(θ):式中，dw＝dz/cosβ，β为刀具螺旋刃升角，dz为刀具z方向微元；根据材料力学理论，将微铣刀视为悬臂梁，X方向分布力Wx(θ)在刀具上每点都会产生弯矩，把所有分布力Wx(θ)沿着切深方向积分就得到分布力在X方向刀具各点弯矩M_X(θ)；以切削深度a_P为分界：公式中，β为刀具螺旋升角，φ为滞后角；同理，得到分布力在Y方向刀具各点弯矩M_Y(θ)：根据材料力学的弯曲应力公式(9)：式中，σ_max，M_max是危险点的最大应力和最大弯矩，W是抗弯截面系数，对圆形截面微铣刀在X和Y方向都会受到弯矩，刀具截面近似为圆形，若此刻刀具在X方向受力为正，其引起的弯矩使刀具在2、3象限受拉应力，Y方向受力为正，其引起的弯矩使刀具在3、4象限的刀具受拉应力，即X、Y方向的切削力都在第三象限引起了拉应力，同理X和Y方向切削力都为负值或一正一负都会在某个象限上引起拉应力；在X和Y方向同为拉应力时，刀具受到的最大弯矩M_max由两个方向的合力矩计算得到；对于微铣螺旋刃，其截面等效直径d(z)在长度上分为三个不同的表达式，其中，微铣刀螺旋刃部分等效直径取其直径的0.7倍；公式(11)中，d₁为刀柄直径，d₂为螺旋刃外径，α为锥台半锥角；第四步微铣刀危险部位的确定和极限弯曲拉应力的测量刀具破损实验中，破损点为螺旋刃与锥台的结合位置，此处结构突变，刚度最小，是应力集中位置，容易应力过大而折断；确定刀具的危险点，最大应力σ_max关于z的函数关系为：式中，σ_max(z)为自变量为z的函数，对应刀具上不同位置z处的弯曲拉应力；用MATLAB对σ_max(z)对z进行求导，求极值确定刀具的危险点；极限弯曲拉应力的测量采用实验法，多次测量实际微切削工况下刀具破损的应力值，作为阈值；实际微切削工况下，用测力仪测量微铣刀破损的极限力Fx和Fy，通过分析力信号，计算刀具所能承受的最大作用力，得到刀具的极限弯曲拉应力；把实验测得的切削合力F当做集中载荷，通过公式(13)计算出极限弯曲拉应力σ_max'为：其中，l_F‑危险点的悬垂量；第五步获取微铣刀破损曲线将微铣削力在刀具危险部位引起的弯曲拉应力σ_max与极限弯曲拉应力σ_max'比较，得出微铣刀破损曲线；建立一个以切削深度和每齿进给量为自变量的模型：σ_max(f_z,a_p)＝σ_max'   (14)根据公式(14)，用MATLAB输出刀具破损曲线，曲线上方区域的切削参数组合为危险切削参数，会导致刀具破损；曲线下方区域的切削参数组合为安全切削参数，用来进行实际微铣削加工。