球頭刀變刀軸方向控制刀具磨損的多軸加工方法與流程

2023-10-09 20:10:24

本發明涉及一種多軸加工方法，特別是涉及一種球頭刀變刀軸方向控制刀具磨損的多軸加工方法。

背景技術：

鈦合金，鎳基高溫合金等材料具有較好耐高溫、耐腐蝕性能以及優異的機械性能，因此被廣泛的運用於航空航天零件中。但是這類材料的機械加工性能較差，屬於典型的難加工材料，在切削該類材料時，刀具磨損速度較快。在某些情況下，刀具的使用壽命只有數十分鐘。刀具的磨損不僅會影響工件的幾何精度，而且會造成工件(如葉片，機匣)關鍵部位的表面質量缺陷，而這些關鍵部位的精度和表面質量缺陷對提高工件的氣動性能和使用壽命具有巨大的作用。因此，刀具磨損過快是大量使用難加工材料的航天航空工業中的重大挑戰。

為此，研究者們對刀具磨損投入了大量的時間和精力。以往研究的主要關注點為切削參數的優化和刀具磨損的監測。針對刀具的磨損，現有的常用方法有：優化切削參數，進行冷卻和潤滑處理，使用刀具塗層等。e.g.ng等人在theeffectofcuttingenvironmentswhenhighspeedballnoseendmillinginconel718,in:intermetallicsandsuperalloys,wiley-vchverlaggmbh&co.kgaa,2000,pp.71-76.提到，當加工鈦鎳合金718時，當進給速度為90m/min，在高壓冷卻液的條件下(70帕，26l/min)，刀具的使用壽命相比於其他切削參數可以提升到123％。h.r.krain等人在optimisationoftoollifeandproductivitywhenendmillinginconel718tm,journalofmaterialsprocessingtechnology,189(2007)153-161.中指出，增大浸深比將導致刀具壽命的降低。

在刀具壽命的研究中，通過優化刀具與工件的接觸區域來增加刀具使用壽命的方式研究較少。在多軸加工過程中，固定刀軸方向以產生固定的刀具與工件接觸區域，這有利於刀具軌跡的規劃，但是這種方法使得整個刀刃只有固定的一小部分參與切削，因此只有刀刃的部分區域出現磨損現象，刀刃上沒有參與切削的大部分區域依然保持完整，這樣就造成了刀具嚴重的浪費。

技術實現要素：

為了克服現有多軸加工方法刀具浪費嚴重的不足，本發明提供一種球頭刀變刀軸方向控制刀具磨損的多軸加工方法。該方法首先建立球頭刀與工件接觸區域和刀軸方向之間的關係；再根據刀具磨損速率確定每一個刀具傾角對應的切削刃的壽命，計算每把刀所能加工曲面的最長軌跡；最後通過所得到的切削刃壽命，計算實際加工中刀軸方向變化點，並計算一把刀具可以加工曲面的數量。本發明通過改變刀軸方向，充分利用球頭刀的各部分刀刃區域進行加工，減少了球頭刀因局部磨損而造成的失效，從而提高了刀具的使用壽命。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種球頭刀變刀軸方向控制刀具磨損的多軸加工方法，其特點是包括以下步驟：

第一步、建立球頭刀與工件接觸區域和刀軸方向之間的關係，確定給定切削深度和刀軸方向下，球頭刀參與切削的切削刃長度。

第二步、根據刀具磨損速率確定每一個刀具傾角對應的切削刃的壽命，計算每把刀所能加工曲面的最長軌跡；對於球頭刀球頭部分的刀刃，在相同的主軸轉速下，切削刃不同區域的切削速度不同，即刀尖處切削速度為零，沿刀刃方向逐步增大，到圓柱刀刃處達到最大，切削速度vg表達為：

其中，n為主軸轉速，r為刀具半徑，g表示切削刃到刀尖的軸向距離。

針對特定的刀具和工件，刀具使用壽命tt表示為：

其中，v為切削速度，fz為每齒進給率，ct,p和q為給定材料的刀具和工件的常數。

採用公式(3)計算刀具磨損率vvb。

根據公式(3)計算出球頭刀上不同切削刃位置的最大切削長度如公式(4)所示，其中，z表示刀齒數量。

l＝nzfztt(4)

得到球頭刀所有部分都參加切削時的最大切削長度lmax，如公式(5)所示：

其中，mc表示刀軸總的變換次數。

第三步、通過第二步計算所得到的切削刃壽命，計算實際加工中刀軸方向變化點，並計算一把刀具加工曲面的數量；在實際加工時，根據第二步公式(3)計算每個刀軸方向對應的切削軌跡的長度，確定每個加工區域的刀軸方向，進而確定刀軸的變化點；根據待加工區域確定球頭刀加工的刀具軌跡以及公式(5)計算球頭刀所能切削的最長軌跡。在規劃球頭刀加工的刀具軌跡時，採用等殘留高度或等參數線法規劃切觸點軌跡，並計算出切削軌跡的總長度由此，一把刀具可以加工的曲面數量的計算方法如公式(6)所示：

刀具與被加工表面法線方向的夾角為10°～80°。

本發明的有益效果是：該方法首先建立球頭刀與工件接觸區域和刀軸方向之間的關係；再根據刀具磨損速率確定每一個刀具傾角對應的切削刃的壽命，計算每把刀所能加工曲面的最長軌跡；最後通過所得到的切削刃壽命，計算實際加工中刀軸方向變化點，並計算一把刀具可以加工曲面的數量。本發明通過改變刀軸方向，充分利用球頭刀的各部分刀刃區域進行加工，減少了球頭刀因局部磨損而造成的失效，從而提高了刀具的使用壽命。

由於刀軸方向的變化，使得球頭刀的刀刃得到有效的利用，這樣，由原來單一固定的切削區域到多個切削區域，刀具的使用壽命在同樣切削參數下得到了巨大的提升。

本發明方法不會影響加工表面質量和表面完整性。

本發明提高了刀具的使用壽命，減少了換刀時間，在一定程度上提高了加工效率。

下面結合具體實施方式對本發明作詳細說明。

具體實施方式

本發明球頭刀變刀軸方向控制刀具磨損的多軸加工方法具體步驟如下：

第一步：建立球頭刀與工件接觸區域和刀軸方向之間的關係；其作用是：由於使用球頭刀進行切削加工時，刀軸方向的變化會引起刀具與工件接觸區域的變化，因此通過建立刀具接觸區域與刀軸方向的關係，可以確定給定切削深度和刀軸方向下，球頭刀參與切削的切削刃長度，從而可以確定。

第二步：根據刀具磨損速率確定每一個刀具傾角對應的切削刃的壽命，計算每把刀所能加工曲面的最長軌跡；其作用是：對於球頭刀球頭部分的刀刃，在相同的主軸轉速下，切削刃不同區域的切削速度不同，即刀尖處切削速度為零，沿刀刃方向逐步增大，到圓柱刀刃處達到最大，具體可以表達為：

其中，vg為切削速度，n為主軸轉速，r為刀具半徑，g表示切削刃到刀尖的軸向距離。

針對特定的刀具和工件，刀具的使用壽命可以表示為：

其中tt為刀具壽命，v為切削速度，fz為每齒進給率，ct,p和q為給定材料的刀具和工件的常數，可以通過實驗獲得。

從公式(2)可以看出，刀具的使用壽命和刀刃的切削速度成反比關係。然而對於球頭刀，不同的刀軸方向對應刀具不同區域的切削刃參與切削，不同區域的切削刃的切削速度不同，因此在相同的主軸轉速下，球頭到不同區域的切削刃的壽命不同；

刀具磨損速率反映了其在切削過程中的磨損的快慢，典型的刀具磨損過程可以分為初期磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。本發明採用公式(3)計算刀具的磨損率，假設刀具具有一定的初期磨損，且刀具的磨損速率為定值。

其中vvb表示刀具磨損率。

從刀具磨損率公式(3)可以看出，刀具磨損率與切削速度密切相關，即在相同的主軸轉速下，球頭刀球頭部分不同位置的刀刃的磨損率有較大的差異；本發明採用公式(3)所示的刀具磨損率公式預測球頭刀上各部分刀刃的磨損量，根據刀具磨損量判斷刀刃的磨損狀態，進而可以確定刀軸變換點以及變化策略。

根據公式(3)可以計算出球頭刀上不同切削刃位置的最大切削長度如公式(4)所示，其中z表示刀齒數量。

l＝nzfztt(4)

從而可以得到球頭刀所有部分都參加切削時的最大切削長度，如公式(5)所示：

其中mc表示刀軸總的變換次數。

第三步：通過第二步計算所得到的切削刃壽命，計算實際加工中刀軸方向變化點，並計算一把刀具可以加工曲面的數量；其作用是：在實際加工時，根據第二步公式(3)所提出的刀具磨損計算方法，計算每個刀軸方向對應的切削軌跡的長度，確定每個加工區域的刀軸方向，進而確定刀軸的變化點；根據待加工區域確定球頭刀加工的刀具軌跡以及公式(5)刀具最長切削軌跡的計算方法，計算球頭刀所能切削的最長軌跡。在規劃球頭刀加工的刀具軌跡時，可以採用等殘留高度或等參數線法規劃切觸點軌跡，並計算出切削軌跡的總長度由此，一把刀具可以加工的曲面數量的計算方法如公式(6)所示：

本發明所提出的球頭刀變刀軸方向的多軸加工方法限定刀具的傾角(刀具與被加工表面法線方向的夾角)範圍為10°～80°，其主要原因在於：球頭刀刀尖位置的迴轉半徑為0，因此在實際加工時的切削速度為0，即刀尖在切削時一直處於擠壓狀態導致刀尖部分磨損較快；因此為了避免刀尖過度磨損而導致刀具損壞，在刀軸變化時限定刀軸方向範圍大於10°，同時為了避免加工自由曲面時，刀具刀柄與工件發生幹涉，限定刀軸方向小於80°。

本發明所提出的球頭刀變刀軸方向的多軸加工方法主要實用與工件銑削的精加工和半精加工過程，其主要原因在於：在精加工和半精加工過程，切削深度一般較小，在同等切削條件下，刀具與工件之間的接觸區域較小，可改變刀軸方向的範圍較大，可以擁有更多的傾角設定，這對使用本發明提升刀具的使用壽命提供了更大的提升空間。

為了驗證本發明專利所提出的球頭刀變刀軸方向的多軸加工方法的有效性，設計相關實驗進行驗證。本次實驗採用的工件材料是鎳基高溫合金gh4169,使用的刀具為未加塗層的硬質合金刀具，刀具的直徑為10mm，實驗中規定最大磨損量為0.2mm。對於不同的加工方式，在同樣的刀軸方向的情況下，順銑和逆銑所對應的刀具切削區域是不同的。為了簡化本次實驗分析，本實驗選用順銑方式，同時採用公式(5)計算刀具達到磨損極限的最大切削長度。

實驗結果如表所示。

表1切削實驗不同參數下刀具壽命

利用表中數據，可以得到公式(2)中刀具切削壽命常數，ct＝2.4·106，p＝3.08，q＝0.55。針對給定的主軸轉速和每齒進給量，可得每把切削刀具的最大切削軌跡值，實驗過程通過公式(3)可預測刀具磨損量，確定刀軸變化點。

為了更清晰的表明實驗結果，本次實驗採取了對比實驗。主軸轉速為1910rpm，每齒進給量為0.08mm。刀具的直徑為10mm，切削深度為0.3mm，加工同樣的自由曲面，該曲面的刀具接觸點軌跡總長為22180mm，所有的切削過程採用切削液進行冷卻。首先，採用固定傾角進行加工，刀具與工件表面的傾角為50°，處刀具軌跡模式為z型刀軌。作為對比，變傾角加工方式採用20°，40°，60°三種傾角狀態。

實驗結果表明，固定傾角加工，加工2個曲面後，平均刀具磨損為124μm，最大的刀具磨損為143μm，而變傾角加工的加工方法，加工5個曲面後，刀具的平均磨損為140μm，最大的刀具磨損發生在靠近刀尖的位置，磨損量為223μm，刀具的大部分刀具磨損小於0.2mm。在發生相似的刀具磨損下，固定傾角加工只能加工2個曲面，而變傾角的加工方式可以完成5個曲面的加工。