[發明專利]一種基于切削力模型的刀具磨損監測方法

有效

• 申請號: 201610616006.0
• 申請日: 2016-07-30
• 公開（公告）號: CN106002488B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 曾秀芳
• 申請（專利權）人: 湖北知本信息科技有限公司
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于刀具磨損監測領域，具有涉及一種基于切削力模型的刀具磨損監測方法。

背景技術

工件在切削加工的過程中，刀具會有所磨損，刀具的磨損會引起刀具的幾何形狀發生變化，從而加工工件就會產生尺寸偏差，還會影響工件的加工質量。為了避免工件的偏差過大，提高加工質量，需要對刀具的磨損量進行監測，根據監測結果來確定是不是要換刀。

常用的監測刀具磨損的方法為直接監測法，直接監測法主要通過直接測量后刀面磨損帶中間部分的平均磨損量進行檢測。由于直接監測法在監測時需要不斷測量刀具磨損量，會使得生產過程中斷，影響加工效率，因此后來又出現了間接監測法。間接監測法則是通過測量與刀具磨損有關的物理量如切削力、聲發射等，并建立這些物理量與刀具磨損的對應關系，從而實現對刀具磨損的間接監測。間接監測法常用的是選取切削分力的比值及比值的變化作為判別特征量，一旦這兩個特征量超過某一閾值，即可認為刀具已經磨損。但在實際監測時，由于振動和隨機噪聲的干擾，采用該方法判斷刀具磨損容易出錯，造成誤判。而且由于刀具的正常磨損與異常磨損之間的界限具有一定不確定性，因此預先確定閾值較為困難，必須根據經驗和進行較多試驗后才能確定，且在不同的場合閾值并不穩定。

發明內容

本發明旨在針對現有技術中存在的問題，提出一種基于切削力模型的刀具磨損監測方法，其通過對切削力進行優化建模，使得其可以準確表征刀具磨損狀態，通過對該切削力的監測即可實現對刀具磨損的監測，從而實現對刀具磨損的實時在線和準確的監測。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案具體如下：

一種基于切削力模型的刀具磨損監測方法，其用于對切削刀具的磨損量進行實時在線監測，其特征在于，該方法包括：

(1)利用非等分剪切區模型計算切削過程中由切屑的形成而產生的鋒利刀具作用下的切削力；

(2)計算出切削過程中由切削刃鈍圓引起的犁切力；

(3)根據上述確定的鋒利刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的犁切力獲得刀具切削力；

(4)根據上述得到的刀具切削力，建立刀具磨損監測模型，從而實現對刀具磨損的實時監測，其中刀具磨損量與切削力的關系為：

其中，δ為刀具磨損量，A為刀具材料硬度系數，μ為刀具與工件摩擦性能相關的參量，其值的取值優選為1<A<5，B為工件材料硬度系數，V為刀具切削速度，D為刀具吃刀量，x，y和z分別為切削進給速度指數、切削力指數以及吃刀量指數，其取值范圍分別為(0,1)。

作為本發明的進一步優選，鋒利刀具作用下的切削力和切削刃鈍圓引起的犁切力獲得刀具切削力的具體過程如下：

F₁＝aF_c+bP_c

F₂＝cF_t+dP_t

其中，F₁為直角切削加工中在切削速度方向的切削力，F₂為直角切削加工中在垂直切削速度方向的切削力，a，b，c，d分別為表示鋒利與鈍圓相互關系的常數，其滿足

各式中，β為刀具和切屑之間的摩擦角，α為刀具前角，為剪切角，t為切削厚度，w為切削寬度，τ為主剪切區的剪切流動應力，F_s為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為中間參量，且ρ₀為切屑與未加工表面之間過渡斜面的傾斜角。

作為本發明的進一步優選，主剪切區的剪切流動應力τ通過如下公式計算得到：

上式中，C為材料的應變率敏感系數，n為材料的硬化指數，m為熱軟化指數(系數)，γ為剪切應變率，T是材料的熔化溫度，Tr是參考溫度。

作為本發明的進一步優選，主剪切面上的剪切力F_s通過如下公式計算得到：

總體而言，本發明的技術方案根據刀具切削特點將其分為鋒利狀態下和鈍圓作用下的兩種情形，并分別建立相應的切削力，據此形成實際狀態下的切削力模型，然后根據切削力模型獲得刀具磨損關系式，從而可準確在線地實現刀具磨損的實時監測，該方法計算過程簡單，結果精確并可實時在線呈現。

具體實施方式