一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法

技术领域

本发明涉及金属高效高精切削加工技术领域，更具体的说是涉及一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法。

背景技术

大量切削加工过程表明，刀具失效前通常经历了长时间的稳定磨损阶段，因此，该阶段刀具刃口轮廓的变化与最终失效时磨损形式紧密相关，现有方法少有考虑该阶段磨损轮廓扩展对刀具失效阶段磨损形式的影响，同时，现有实验技术手段也无法准确捕捉连续的稳定磨损阶段刀具刃口轮廓。

众多学者已经对具体的磨损形式给出了公式化表达，例如Usui等人(Usui E,Shirakashi T,Kitagawa T.Analytical prediction of cutting tool wear.Wear1984；100:129-151.)提出的模型在粘结磨损预测领域被广泛应用；Lofi’等人(Lotfi M,Jahanbakhsh M,Farid AA.Wear estimation of ceramic and coated carbide tools inturning of Inconel 625:3D FE analysis.Tribol Int2016；99:107-116.)就采用该模型预测了圆形陶瓷刀具和涂层硬质合金刀具的三维磨损轮廓，但需要说明的是该方法仍然依赖于有限元仿真进行温度、速度和应力求解，而且仿真结果中的磨损轮廓只是磨损阶段的一小部分，无法给出刀具整个服役过程刃形轮廓变化。

因此，提出一种刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法，实现刀具稳定磨损阶段轮廓迭代求解和更新目标以更好地研究刀具磨损扩展和失效过程，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法，通过一系列磨损关联量(速度、应力、温度)的解析求解最终获得刀具磨损增量，根据节点位移方法输出最终的刀具至失效时所有磨损扩展轮廓结果以及刀具寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法，包括以下步骤：

获取输入参数，所述输入参数包括刀具稳定磨损阶段刃口几何参数、切削工况参数和滑移线场初始几何参数；

构建解析模型，基于所述输入参数及所述解析模型求解刀具切削全局滑移线场几何、刃前材料流动速度、刀具表面温度场和应力场；

将所述刃前材料流动速度、刀具表面温度场和应力场的结果代入标定的材料磨损率模型，计算刀具轮廓磨损率分布；

在给定的单位时间增量里确定刀具轮廓上各点单位磨损增量，采用节点位移方法更新磨损后刀具轮廓；

根据所述磨损后刀具轮廓判断刀具是否达到失效标准，若没达到则记录此时的刀具轮廓并引入下一时间增量，继续更新所述磨损后刀具轮廓；若达到则输出刀具至失效时所有的磨损后刀具轮廓以及刀具寿命。

优选的，所述刀具稳定磨损阶段刃口几何参数包括刀具前角γ、前刀面磨损倾角γ

所述解析模型包括修正滑移线场模型、镜像热源模型。

优选的，构建解析模型，基于所述输入参数及所述解析模型求解刀具切削全局滑移线场几何、刃前材料流动速度、刀具表面温度场和应力场，包括：

S1、通过所述输入参数和所述修正滑移线场模型求解全局滑移线场几何；

S2、根据所述全局滑移线场几何求解刀具与工件和切屑接触面上的两向切削微元力，叠加所述切削微元力计算切削速度方向切削力F

S3、判断计算结果与实验测量结果的误差是否在允许范围内，若不在允许范围内，则修正所述滑移线场初始几何参数，重复S1-S3；若在允许范围内，则输出确定的全局滑移线场几何；

S4、根据所述确定的全局滑移线场几何计算各接触面的局部剪切应力；

S5、结合速度矢量图及所述局部剪切应力求解各接触面上的热源强度；

S6、将所述热源强度代入所述镜像热源模型得到刀具温度场分布。

优选的，所述磨损率模型的标定过程包括：

通过进行相同工件和刀具材料的直角切削实验，观察、建立并标定材料磨损率模型为：

其中

优选的，所述S1包括：

根据材料流动连续性构建如下等式：

其中ρ为船艏角，β为滞留区底面的第二剪切角；

全局滑移线场几何求解公式如下：

其中t表示切屑厚度，φ为主变形区剪切角，δ

优选的，S3中所述误差的计算公式如下：

其中，

优选的，S5包括：

S51、结合速度矢量图，求解各变形区材料流动速度；

S52、根据所述材料流动速度及所述局部剪切应力求解各接触面上的热源强度。

优选的，根据所述磨损后刀具轮廓中的后刀面磨损宽度结果判断刀具是否达到失效标准。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法，采用解析模型手段求解了刀具切削全局滑移线场、刃前材料流动速度和刀具表面温度场和应力场，最终获得刀具磨损增量，根据节点位移方法输出最终的刀具至失效时所有磨损扩展轮廓结果以及刀具寿命，有益效果如下：

1、采用解析手段进行速度场、应力场和温度场求解，更加清楚地揭示了磨损稳定段刀具切削过程材料变形机理；

2、提出并标定了更加符合工件-刀具材料组合修正磨损率模型，实现了刀具轮廓各点磨损率求解，而非整体平均磨损率；

3、建立了节点位移方法，使得刀具磨损扩展和更新可视化，刀具轮廓演变规律也为联系刀具失效阶段磨损形式提供了新的认识。

附图说明

图1为一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法的计算流程图；

图2为本发明实施例提供的修正滑移线场模型；

图3为各接触面上切削力的切向和法向分量；

图4为切削过程热源分布情况；

图5为刀具侧镜像热源模型；

图6(a)为刀具磨损形式实验观察结果，图6(b)为根据稳定磨损刃型轮廓构建的刀具单位磨损增量计算模型；

图7(a)为顺铣过程刀具磨损刃口对应三种切触状态；图7(b)为三种状态下的温度场和速度结果；图7(c)为根据此结果计算的刀具轮廓上单位磨损增量；

图8为节点位移方法示意图；

图9为利用铣削实验对刀具周刃进行磨损轮廓测量的示意图；

图10为稳定磨损阶段6把刀具实验测量刃口轮廓对比示意图；

图11(a)为刀具稳定磨损阶段初期轮廓；图11(b)为刀具稳定磨损阶段末期轮廓；图11(c)为稳定段末期磨损刃口轮廓放大图；图11(d)为该轮廓与模型迭代计算结果对比；

图12为6把实验刀具(编号a到e)在稳定磨损阶段(a1到e1)和失效阶段后刀面(a2到e2)以及失效阶段前刀面(a3到e3)的磨损图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种用于刀具稳定磨损阶段的刃口轮廓迭代求解方法，流程如图1所示，具体步骤如下：

1.获取输入参数，输入参数包括刀具稳定磨损阶段刃口几何参数：刀具前角γ、前刀面磨损倾角γ

2.构建解析模型，基于输入参数及解析模型求解刀具切削全局滑移线场几何、刃前材料流动速度、刀具表面温度场和应力场，包括如下步骤：

S1、依据磨损稳定阶段刀具刃口轮廓实验观察，提取简化磨损刀具模型，并据此建立修正滑移线场模型如图2所示，通过该模型能够依次求解各滑移线场几何角度和长度，具体如下：

首先根据材料流动连续性假设有如下等式成立

上式中ρ为船艏角，β为滞留区底面的第二剪切角，而l

上式中h和t分别表示未变形切屑厚度和切屑厚度，φ为主变形区剪切角，δ

表1修正滑移线场9个子区域物理意义

S2、根据全局滑移线场几何求解刀具与工件和切屑接触面上的两向切削微元力(各接触面上切削力的切向和法向分量参考图3)，具体公式如下：

上式中F

叠加切削微元力计算切削速度方向切削力F

S3、根据下列公式判断计算结果与实验测量结果的误差ΔD是否在允许范围[0,0.5]内：

上式中

若不在允许范围内，则修正滑移线场初始几何参数，重复S1-S3；若在允许范围内，则输出确定的全局滑移线场几何。

S4、根据确定的全局滑移线场几何计算各接触面的局部剪切应力，公式如下：

上式中τ

S5、结合速度矢量图及局部剪切应力求解各接触面上的热源强度，包括：

S51、结合速度矢量图，求解各变形区材料流动速度，计算公式如下：

上式中V

S52、根据材料流动速度及局部剪切应力求解各接触面上的热源强度，图4为切削过程热源分布情况，热源强度求解公式如下：

上式中Q

S6、将各热源强度代入图5所示的镜像热源模型，得到刀具温度场分布为：

上式中R

上式中B

3.将前述求得的材料流动速度、刀具表面温度场和应力场的结果代入标定的材料磨损率模型，计算刀具轮廓磨损率分布。

其中通过进行相同工件和刀具材料的直角切削实验，观察、建立并标定材料磨损率模型如下：

上式中

图6(a)为刀具磨损形式实验观察结果。

4.在给定的单位时间增量里确定刀具轮廓上各点单位磨损增量，采用节点位移方法更新磨损后刀具轮廓。

图6(b)为根据稳定磨损刃型轮廓构建的刀具单位磨损增量计算模型，图7(a)为顺铣过程刀具磨损刃口对应三种切触状态；图7(b)为三种状态下的温度场和速度结果；图7(c)为根据此结果计算的刀具轮廓上单位磨损增量。

节点位移方法示意图如图8所示，刀具初始磨损轮廓经过初始均匀离散为若干线

具体更新步骤为：首先，根据新轮廓修正各节点位移方向；然后，将本发明图7(c)

5.根据磨损后刀具轮廓判断刀具是否达到失效标准，

具体地，图9为利用铣削实验对刀具周刃进行磨损轮廓测量的示意图，图9中(a)为铣削实验设计示意图；数控铣床型号为Mazatrolmatrixnexus，图中整体硬质合金铣刀装夹在刀柄上，工件为块状镍基高温合金Inconel718，工件设置为200mm长度，刀具每完成一个来回算作一个时间步，根据具体工况确定时间步的总数以加速实验进程同时保证有足够的磨损结果测量点，工况如表2；图9中(b)为刀具周刃在Keyence X7000上进行磨损轮廓测量示意图。

表2镍基高温合金Inconel718铣削实验工况

图10为磨损稳定段6把刀具实验测量刃口轮廓对比；从中可以发现所有刀具均呈现出两端式分布，即前刀面磨损段和后刀面磨损段，为了建模方便，将该特征简化为两端直线，分别作为前刀面和后刀面的初始磨损轮廓。

图11(a)为刀具稳定磨损段初期轮廓，图11(b)为刀具稳定磨损段末期轮廓，图11(c)为稳定段末期磨损刃口轮廓放大图，图11(d)为该轮廓与模型迭代计算结果对比；从图11中可以看到，在刀具稳定磨损初期，已经有轻微的带状沟槽磨损形成，随着稳定模型进行，带状沟槽在宽度和深度方向逐渐增加，需要说明的是，深度方向的增速远大于宽度方向，这也是刀具稳定磨损阶段表观磨损率较小的原因，通过与计算结果对比发现，沟槽磨损带深度方向的扩展导致刃口强度降低，最终在其底部引发了脱落磨损，导致刀具瞬间失效。

图12为6把实验刀具(编号a到e)在稳定磨损阶段(a1到e1)和失效阶段后刀面(a2到e2)和失效阶段前刀面(a3到e3)的磨损图像；从中可以推断，沟槽带在磨损稳定阶段形成和扩展，该磨损形式与刀具初始刃型无关，并最终导致脱落和崩缺等灾难性磨损，以致刀具快速失效。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。