[发明专利]一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法

说明书

本发明提供一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，该方法包含刀具磨损变异系数、均匀磨损理论的定义以及刀轴运动的优化策略。该方法首先以机床性能和干涉条件获取刀具有效切削刃区域；然后由工件与刀具的几何特性以及加工参数求解得到刀轴姿态与刀具工件接触区的对应关系；根据均匀磨损理论可通过刀轴姿态的变化来控制实际切削刃各部位的切削时间以及对应切削参数从而降低磨损变异系数；该方法为五轴加工提供了一种新的策略，一方面有利于延长刀具寿命，减少刀具成本、控制加工误差和提高加工效率，另一方面也能更好的指导刀具的设计。

技术领域 本发明涉及一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法。属于金属切削加工技术领域。

背景技术 金属切削加工过程中，刀具的磨损与破损是影响被加工零件精度和表面质量的重要因素，严重的刀具磨损还会引起切削颤振，损坏机床、刀和工具和工件。通常，刀具的磨损发生在刀具与工件的两个接触区上，由于物理或化学的作用，使刀具原有的几何角度逐渐丧失。刀具的磨损、破损及其使用寿命对加工质量、生产效率和成本影响极大。因此，实现对刀具磨损的控制对提高加工质量和效率，具有重要意义。以球头刀具为例：球头刀具中心轨迹位于被加工曲面沿着外法线方向的等距面上，编程和使用较为简单，对加工对象的适应能力强。球头铣刀用于加工复杂曲面的时候，刀具切削刃与加工工件接触区域的切削速度沿着刀具轴向方向会出现变化。越接近刀具顶点时切削速度越小，当刀具垂直加工工件表面时，刀具切削刃中心点切削速度几乎为零，不但会出现加剧刀具磨损现象，而且会使加工表面形貌出现损伤恶化。为了避免加工刀具切削刃中心点零切削速度现象，生产上会通过调整刀具轴线与工件曲面法线之间的夹角来改善出现的这种状况，而在实际加工工程中，由于加工工件曲率变化复杂，刀具切削刃上各部位实际切削参数以及参与切削的时间往往不一致，从而造成切削刃的局部集中磨损，一方面影响刀具的整体寿命，另一方面影响加工表面质量。如何避免刀具的局部集中磨损、提高刀具的形状保持性，从而改善工件的形状精度对于切削加工来说是一个急待解决的问题。因此，结合先进数控技术和数值分析理论，通过控制刀轴运动规律来改变切削刃各位置的实际切削时间以及实际切削参数，从而达到优化刀具均匀磨损程度的目的，对工程实践具有重要的意义。

发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，弥补现有加工方式下刀具磨损区域较为集中的不足，有利于均匀刀具的磨损，从而延长刀具寿命，提高加工表面的一致性，也有利于更好的指导刀具、刀轨的设计。

2、本发明一种基于刀具均匀磨损的刀轨设计方法，内容如下：

2.1磨损变异系数：

将切削刃上磨损值V表示如下：

其中V_i(i＝1,2…,n)为切削刃上各点的磨损值大小，在实际运用中可根据加工情况判断主要磨损的具体物理含义，可以是后刀面磨损值亦或前刀面磨损值等其他磨损量。

此处定义磨损变异系数C_V作为均匀磨损程度的评价标准，变异系数越小则表示磨损越均匀，刀具形状保持性越好。表示如下：

其中σ为磨损值V的标准差，μ为磨损值V的平均值。即:

从而磨损变异系数表达如下：

2.2均匀磨损理论：

根据刀具加工过程中刀具磨损规律可知，如图3所示，刀具磨损量随加工时间的发展而变化，且在不同的切削条件下，增长的快慢不同。此外加工过程中刀具的磨损程度也与切削参数相关，即对于刀具上任意点，磨损满足：

其中t为切削时间，C为切削参数相关量。