基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法与流程

1.本发明涉及微铣刀刃口磨损监测技术领域，尤其是指一种基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法。


背景技术：

2.微铣削具有加工精度高、加工材料多样性以及能加工复杂三维曲面的能力，在生物医疗和微电子等领域具有广阔的应用前景。作为微铣削加工的核心部件，微铣刀在超高转速下进行不连续切削，磨损十分迅速。为保证加工精度，预防过度磨损所导致的断刀以及工件和机床损坏，必须对微铣刀磨损进行在线监测。在多种磨损指标，刃口磨损直接决定微铣削的切屑厚度、加工精度和稳定性等切削性能，实现刃口磨损的监测具有重要的理论意义和应用价值。
3.现有微铣刀磨损监测以后刀面磨损监测为主，无法实现微铣刀刃口磨损的监测。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中无法实现微铣刀刃口磨损的监测，提供一种通过未变形切削厚度及切削力系数关系曲线拐点识别监测微铣削刀具刃口磨损方法，该方法通过采集的切削力和切削轨迹轮廓，分别计算切削力系数和未变形切削厚度，建立未变形切削厚度与切削力系数的散点关系图，再通过曲线拟合确定未变形切削厚度-切削力系数关系曲线拐点，最后以曲线拐点表征磨损的微铣刀刃口钝圆半径，监测微铣刀刃口磨损。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法，包括以下步骤：
6.s1、采集微铣刀的切削力和切削轨迹轮廓；
7.s2、根据切削力计算切削力系数、根据切削轨迹轮廓计算未变形切削厚度；
8.s3、绘制未变形切削厚度-切削力系数散点图；
9.s4、采用逻辑回归函数拟合散点图，计算拟合曲线拐点，表征刃口钝圆半径。
10.在本发明的一个实施例中，步骤s1中，切削力的采集过程包括：采集每两个相邻的参考齿位角θi和θ
i 1
处的进给和法向四个切削力的值
11.在本发明的一个实施例中，步骤s2中，根据进给和法向四个切削力的值计算得到径向切削力系数和切向切削力系数。
12.在本发明的一个实施例中，切削力系数的计算过程包括：根据未变形切削厚度和轴向切削深度计算系数矩阵，结合系数矩阵和进给和法向四个切削力的值计算参考齿位角θi处的削切力系数。
13.在本发明的一个实施例中，步骤s3中，以未变形切削厚度为横坐标，径向切削力系数和切向切削力系数分别作为纵坐标，绘制未变形切削厚度-向切削力系数和变形切削厚
度-切向切削力系数的散点图。
14.在本发明的一个实施例中，步骤s4中，采用逻辑回归函数分别拟合未变形切削厚度-向切削力系数和变形切削厚度-切向切削力系数的散点图，确定两个拟合曲线的拐点，计算两个拟合曲线拐点的平均值，表征刃口钝圆半径。
15.在本发明的一个实施例中，步骤s1中，切削轨迹轮廓的采集过程包括：采集切削轨迹的最大轮廓宽度半径和最小轮廓宽度半径，确定径向跳动长度ro和角度γo。
16.在本发明的一个实施例中，步骤s2中，根据径向跳动参数和每齿进给量计算未变形切削厚度。
17.在本发明的一个实施例中，步骤s1中，根据主轴转速设置采样频率，采集微铣刀切削力，保证主轴旋转一度进行一次采样。
18.在本发明的一个实施例中，步骤s1中，设置力传感器采集切削力，设置图像采集装置采集切削轨迹轮廓。
19.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
20.本发明所述的基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法，采集的切削力和切削轨迹轮廓，分别计算切削力系数和未变形切削厚度，建立未变形切削厚度与切削力系数的散点关系图，再通过曲线拟合确定未变形切削厚度-切削力系数关系曲线拐点，最后以曲线拐点表征磨损的微铣刀刃口钝圆半径，监测微铣刀刃口磨损，可实现微铣刀刃口磨损的监测，对提高微铣削加工精度具有重要作用，而有效预防微铣削加工因刃口过度磨损所导致的断刀、振动、工件和机床损坏等一系列不良后果，提升微铣削加工效率，降低生产成本。
附图说明
21.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
22.图1是本发明基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法的步骤流程图；
23.图2是本发明的未变形切削厚度-切削力系数拟合曲线图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
25.参照图1所示，本发明的一种基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法，包括以下步骤：
26.s1、采集微铣刀的切削力和切削轨迹轮廓；
27.s2、根据切削力计算切削力系数、根据切削轨迹轮廓计算未变形切削厚度；
28.s3、绘制未变形切削厚度-切削力系数散点图；
29.s4、采用逻辑回归函数拟合散点图，计算拟合曲线拐点，表征刃口钝圆半径；
30.本实施例的基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法，通过采集的切削力和切削轨迹轮廓，分别计算切削力系数和未变形切削厚度，建立未变形切削厚度
与切削力系数的散点关系图，再通过曲线拟合确定未变形切削厚度-切削力系数关系曲线拐点，最后以曲线拐点表征磨损的微铣刀刃口钝圆半径，监测微铣刀刃口磨损，可实现微铣刀刃口磨损的监测，对提高微铣削加工精度具有重要作用，而有效预防微铣削加工因刃口过度磨损所导致的断刀、振动、工件和机床损坏等一系列不良后果，提升微铣削加工效率，降低生产成本。
31.具体地，切削力的采集过程包括：采集每两个相邻的参考齿位角θi和θ
i 1
处的进给和法向四个切削力的值设置力传感器采集切削力，并且，根据主轴转速设置采样频率，采集微铣刀切削力，保证主轴旋转一度进行一次采样。
32.本实施例中，根据进给和法向四个切削力的值计算得到径向切削力系数和切向切削力系数；具体地，切削力系数的计算过程包括：根据未变形切削厚度和轴向切削深度计算系数矩阵ai：
[0033][0034]
其中为参考齿位角为θi时，轴深z处第k切削刃的齿位角，m为刀齿个数；
[0035]
结合系数矩阵ai和进给和法向四个切削力的值计算参考齿位角θi处的削切力系数，具体的计算公式为：
[0036][0037]
其中为刃口处径向和切向切削力系数，反映刃口钝圆半径与刃口磨损；为后刀面的摩擦系数，表征后刀面磨损。
[0038]
参照图2所示，以未变形切削厚度hi为横坐标，径向切削力系数和切向切削力系数分别作为纵坐标，绘制未变形切削厚度-向切削力系数和变形切削厚度-切向切削力系数的散点图，并且采用逻辑回归函数分别拟合未变形切削厚度-向切削力系数和变形切削厚度-切向切削力系数的散点图，确定两个拟合曲线的拐点，计算两个拟合曲线拐点的平均值，表征刃口钝圆半径。
[0039]
具体地，切削轨迹轮廓的采集过程包括：采集切削轨迹的最大轮廓宽度半径和最小轮廓宽度半径，确定径向跳动长度ro和角度γo，采用图像采集装置通过成像的方法采集切削轨迹轮廓；
[0040]
根据径向跳动参数，包括径向跳动长度ro和角度γo和每齿进给量fz计算未变形切削厚度，计算公式为：
[0041][0042]
其中rk为第k个刀齿在跳动作用下的等效半径，δθ
m,k
为跳动作用下两个刀齿间的夹角，hk(i)为第k个刀齿在采样点i处的理论未变形切削厚度，为第k个刀齿在采样点i处的齿位角。
[0043]
具体地，为了验证基于切削力系数曲线拐点识别的微铣刀刃口磨损监测方法的准确性，本实施例中，依照该方法监测钝圆半径与实际测量钝圆半径进行对比实验，具体的实验过程为：
[0044]
以两刃平头铣刀微铣直槽为例，新刀的刃口钝圆半径约为2μm，螺旋角30
°
，前角0
°
，后角7
°
，刀具直径800μm；
[0045]
第一步：设置铣削参数为rpm＝18000，每齿进给量4μm，轴向切深60μm；
[0046]
第二步：用力传感器实时采集切削力；
[0047]
第三步：用图像采集装置通过成像的方法采集切削轨迹轮廓，根据切削轨迹轮廓计算出跳动长度为0.9μm，跳动角度为18
°
；
[0048]
第四步：根据跳动参数(跳动长度为0.9μm，跳动角度为18
°
)和每齿进给量4μm，计算理论的未变形切削厚度；
[0049]
第五步：计算系数矩阵，对每两个相邻的采样点计算切削力系数，包括径向切削力系数和切向切削力系数；
[0050]
第六步：绘制未变形切削厚度-径向切削力系数，未变形切削厚度-切向切削力系数散点关系图；
[0051]
第七步：用逻辑回归函数拟合散点图，计算拟合曲线拐点，求两个曲线拐点的平均值，用以表征磨损的钝圆半径，监测刃口磨损；
[0052]
第八步：后续切削片段，重复上述第二步到第七步。
[0053]
每次走刀结束后停机，用显微镜标定刃口钝圆半径，前三个切削片段实际刃口磨损和监测得到的钝圆半径如表1所示：
[0054]
[0055][0056]
表1
[0057]
通过表1对微铣刀刃口磨损监测值与实际测量值的比较可知，本发明提出的一种
微铣刀刃口磨损监测方法可有效监测微铣刀刃口磨损，监测误差不超过10％，能够准确的监测微铣刀刃口磨损，实施估计微铣刀刃口的锋利程度。
[0058]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0059]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0060]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0061]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0062]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。