高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911300165.X (22)申请日 2019.12.16 (71)申请人 哈尔滨理工大学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 姜彬王强赵培轶丁旺 (74)专利代理机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务 所(普通合伙) 23209 代理人 刘坤 (51)Int.Cl. B23Q 17/09(2006.01) (54)发明名称 一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界 检测与解算方法 (57)摘要 一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界 检测与解算方。

2、法， 属于铣刀刀齿后刀面磨损解算 方法领域， 本发明能够完整描述刀齿后刀面摩擦 磨损边界变化特性， 揭示刀齿后刀面摩擦磨损边 界形成过程。 本发明中， 采用多把具有相同结构 的高进给铣刀， 分别进行不同切削行程的铣削实 验； 提出刀齿后刀面摩擦磨损边界检测方法， 揭 示刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性； 构 建刀齿误差和铣削振动作用下刀齿后刀面与加 工表面瞬时接触关系模型， 提出刀齿后刀面瞬时 摩擦磨损边界判据， 获取刀齿后刀面瞬时摩擦磨 损边界； 对比刀齿摩擦磨损边界的实验与仿真曲 线方程系数相近性， 验证上述模型和方法的正确 性。 本发明主要用于铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边 界的检测和解算。

3、。 权利要求书2页 说明书15页 附图21页 CN 111002104 A 2020.04.14 CN 111002104 A 1.一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 它包括以 下步骤： 步骤a， 进行高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损实验， 获取振动特征参数和刀齿后刀面摩 擦磨损样本； 步骤b， 铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测， 完整表征铣刀刀齿后刀面摩擦磨损区 域； 步骤c， 刀齿误差和铣削振动对刀齿刀尖点瞬时位置的影响特性识别， 揭示刀齿误差和 铣削振动作用下刀齿刀尖点瞬时位置的变化特性； 步骤d， 刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模型构建， 揭示刀齿后刀面。

4、瞬时摩擦磨损 边界的变化特性； 步骤e， 刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界解算， 得到刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线； 步骤f， 刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程及仿真结果验证。 2.根据权利要求1所述的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 所述步骤a中的高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损实验， 包括以下步骤： 步骤a1、 采用多把具有相同结构的高进给铣刀， 分别进行不同切削行程的铣削实验； 步骤a2、 提取工件及加工表面的几何结构参数， 建立工件坐标系； 提取铣刀结构特征变 量， 建立铣刀坐标系， 在工件坐标系中描述铣刀的位置状态； 步骤a3、 提取刀齿结构特征变量， 建。

5、立刀齿坐标系和刀齿误差分布序列， 在铣刀坐标系 中表征刀齿绕铣刀中心旋转运动状态； 步骤a4、 利用实验获取振动特征参数和刀齿后刀面摩擦磨损样本。 3.根据权利要求1所述的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 所述步骤b中铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测， 包括以下步骤： 步骤b1、 依据刀齿结构及特征参数， 构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测坐标系； 步骤b2、 在检测坐标系中， 依据摩擦磨损前后刀齿后刀面形貌特征差别， 识别出刀齿后 刀面累积摩擦磨损边界， 按切削刃中点与最低点之间距离为采样点间距， 对整条切削刃和 后刀面累积摩擦磨损边界进行特征点提取； 步。

6、骤b3、 采用多项式拟合方法， 获得刀齿后刀面累积摩擦磨损边界分布函数； 分析刀齿 后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性； 步骤b4、 依据刀尖点与刀齿安装定位面特征重合的方法， 在刀齿坐标系中反映检测坐 标系的空间位置关系。 4.根据权利要求1所述的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 所述步骤c中刀齿误差和铣削振动对刀齿刀尖点瞬时位置的影响特性识别， 包 括以下步骤： 步骤c1、 根据铣刀各刀齿之间的对应关系， 在铣刀坐标系中沿铣削宽度和铣削深度方 向对刀尖点位移进行投影， 解算沿铣削宽度和铣削深度方向的刀尖点位置坐标； 步骤c2、 绘制受刀齿误差和铣削振动刀尖点。

7、瞬时位置坐标随切削行程增加而变化的曲 线， 揭示刀齿误差和铣削振动作用下刀齿刀尖点瞬时位置的变化特性。 5.根据权利要求1所述的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 所述步骤d中刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模型构建， 包括以下步骤： 权利要求书 1/2 页 2 CN 111002104 A 2 步骤d1、 利用振动作用下铣刀及刀齿切削运动轨迹、 姿态和切削刃的刃形方程， 获取工 件加工过渡表面方程； 步骤d2、 利用加工过渡表面方程和刀齿后刀面方程， 识别刀齿后刀面瞬时接触关系特 征变量； 步骤d3、 根据刀齿后刀面累积摩擦磨损检测坐标系与振动作用下的铣刀坐标。

8、系转换关 系， 获得刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界的变化特性。 6.根据权利要求1所述的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 所述步骤e中刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界解算， 包括以下步骤： 步骤e1、 建立有限元仿真模型及边界条件， 获取刀齿后刀面热力耦合场， 提出铣刀刀齿 后刀面与加工表面瞬时接触边界判剧； 步骤e2、 以刀齿后刀面等效应力场、 温度场和磨损深度为判剧， 获取刀齿后刀面与加工 表面瞬时接触边界； 步骤e3、 采用刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法， 对刀齿后刀面瞬时接触边界特 征点进行识别和提取， 进而得到检测坐标系下刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线。 。

9、7.根据权利要求1所述的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 其特征在于， 所述步骤f中刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程及仿真结果验证， 包括以 下步骤： 步骤f1、 利用刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线， 获取切削刃上不同位置处瞬时摩擦 磨损下边界的最大值特征点， 从而构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界曲线； 步骤f2、 揭示刀齿后刀面磨损边界不断扩展和瞬时摩擦磨损边界非连续且频繁变动共 同作用的刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程； 步骤f3、 利用刀齿后刀面累积摩擦磨损边界实验曲线和仿真曲线， 对比分析曲线方程 系数的相近性， 验证上述模型及方法的正确性。 权利要求书 2/2 。

10、页 3 CN 111002104 A 3 一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法 技术领域 0001 本发明属于高进给铣刀刀齿后刀面磨损解算方法领域， 具体涉及一种高进给铣刀 刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法。 背景技术 0002 铣刀刀齿后刀面磨损边界的变化特性是评定铣刀使用寿命的重要参数， 其摩擦磨 损边界的测量与解算结果直接影响铣刀剩余使用寿命的评估和铣削工艺方案的设计。 高进 给铣刀是一种典型的高效铣削刀具， 其断续切削加工过程中， 受刀齿误差、 铣削振动等因素 影响， 刀齿后刀面与工件加工表面的接触关系频繁变化， 导致刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边 界形成过程处于不稳定状态。

11、， 直接影响其最终的磨损结果。 正确测量和解算高进给铣刀刀 齿后刀面磨损边界的变化特性， 对揭示铣刀刀齿后刀面摩擦磨损过程， 精确评估铣刀使用 寿命， 提高铣刀的切削效率， 降低高效铣削工艺成本具有重要理论意义和工程价值。 0003 刀齿后刀面磨损宽度变化的检测结果是评定铣刀使用寿命的重要依据。 已有铣刀 刀齿后刀面磨损检测方法及其存在的问题主要体现在以下几个方面： 一是采用切削刃后刀 面平均磨损宽度或最大磨损宽度， 来反映刀齿后刀面磨损随切削行程增大而不断增加的特 性。 该方法不能完整地反映出刀齿后刀面摩擦磨损区域的变化特性， 导致刀具使用寿命评 定误差大、 工艺成本增加和加工表面质量劣化等。

12、问题突出； 二是采用单把铣刀进行多个切 削行程的实验并中途停机检测磨损， 该方法未考虑热力耦合场消散和刀齿安装误差等问 题， 导致刀齿后刀面磨损检测存在一定误差； 三是刀齿后刀面摩擦磨损因素的识别， 仅关注 刀具角度和切削参数这两个主要影响因素， 未考虑铣削振动和刀齿误差对刀齿后刀面与加 工表面瞬时接触关系的影响， 所构建铣刀与工件的接触关系模型存在一定缺陷； 四是已有 研究认为刀齿后刀面摩擦磨损形成过程是不断扩展导致， 忽略了铣削振动对刀齿后刀面摩 擦磨损过程影响， 无法正确揭示刀齿后刀面摩擦磨损的形成过程。 0004 因此， 就需要一种能够的高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法。。

13、 发明内容 0005 本发明针对现有铣刀刀齿后刀面检测时不能完整的描述累积摩擦磨损边界的变 化特性、 无法得知刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的形成过程的缺陷， 本发明提供一种高进 给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 能够完整描述刀齿后刀面累积摩擦磨损 边界的变化特性， 揭示刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的形成过程。 0006 本发明涉及一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法技术方案 如下： 0007 本发明涉及一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 包括以下 步骤： 0008 步骤a， 高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损实验方法： 采用多把具有相同结构的高进 给铣刀， 分。

14、别进行不同切削行程的铣削实验。 提取工件及加工表面几何结构参数， 建立工件 说明书 1/15 页 4 CN 111002104 A 4 坐标系； 提取铣刀结构特征变量， 建立铣刀坐标系； 提取刀齿结构特征变量， 建立刀齿坐标 系和刀齿误差分布序列； 利用实验获取振动特征参数和刀齿后刀面摩擦磨损样本； 0009 步骤b， 铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法： 构建刀齿后刀面摩擦磨损边 界检测坐标系， 在检测坐标系中， 依据铣刀摩擦磨损前后刀齿后刀面形貌特征差别， 识别出 刀齿后刀面累积摩擦磨损边界， 按切削刃中点与最低点之间距离为采样点间距， 对整条切 削刃和后刀面累积摩擦磨损边界进行特征点。

15、提取； 采用多项式拟合方法， 获得刀齿后刀面 累积摩擦磨损边界分布函数， 揭示刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性； 为阐述检测 坐标系与铣刀坐标系之间的转换关系， 采用刀尖点与刀齿底面特征重合的方法， 确定检测 坐标系中刀尖点在铣刀坐标系中的位置关系； 0010 步骤c， 刀齿误差和铣削振动对刀齿刀尖点瞬时位置的影响特性识别方法： 铣削加 工过程受刀齿误差和铣削振动因素影响， 导致刀尖点的切削运动轨迹产生位移增量， 铣刀 整体姿态发生角度偏转， 进而影响刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系； 在铣刀坐标系中 沿铣削宽度和铣削深度方向对刀尖点位移进行投影， 解算沿铣削宽度和铣削深度方向的刀 尖点位。

16、置坐标， 给出受刀齿误差和铣削振动影响下的刀尖点瞬时位置坐标随切削行程增加 而变化的曲线， 揭示刀齿误差和铣削振动作用下刀齿刀尖点瞬时位置的变化特性； 0011 步骤d， 刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模型构建方法： 考虑工件、 铣刀结构 特征变量和工艺变量， 以及刀齿误差和铣削振动对铣刀位姿的影响特性， 提出振动作用下 铣刀及刀齿轨迹和姿态的解算方法。 利用振动作用下铣刀及刀齿切削运动轨迹、 姿态和切 削刃的刃形方程， 获取工件加工过渡表面方程； 利用加工过渡表面方程和刀齿后刀面方程， 获取刀齿瞬时位置角、 切削刃参考点和瞬时接触边界曲线等特征参数； 通过分析上述特征 变量之间关系， 考虑。

17、刀齿后刀面摩擦磨损检测坐标系与振动作用下的铣刀坐标系转换关 系， 揭示刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界的变化特性； 0012 步骤e， 刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界解算方法： 建立有限元仿真模型及边界条 件， 获取刀齿后刀面热力耦合场， 提出铣刀刀齿后刀面与加工表面瞬时接触边界判剧； 以刀 齿后刀面等效应力场、 温度场和磨损深度为判剧， 获取刀齿后刀面与加工表面瞬时接触边 界； 采用刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法， 对刀齿后刀面瞬时接触边界特征点进行 识别和提取， 进而得到刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线； 0013 步骤f， 刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程及仿真结果验证： 利用刀齿后刀面 瞬时。

18、摩擦磨损边界曲线， 获取切削刃上不同位置处瞬时摩擦磨损下边界的最大值特征点， 从而构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界曲线； 揭示刀齿后刀面磨损边界不断扩展和瞬时摩 擦边界非连续且频繁变动共同作用的刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程； 利用刀齿后 刀面累积摩擦磨损边界实验曲线和仿真曲线， 对比分析曲线方程系数的相近性， 验证上述 模型及方法的正确性。 0014 进一步地： 步骤a中的高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损实验， 包括以下步骤： 0015 步骤a1、 采用多把具有相同结构的高进给铣刀， 分别进行不同切削行程的铣削实 验； 0016 步骤a2、 提取工件及加工表面的几何结构参数， 建立工件坐标系；。

19、 提取铣刀结构特 征变量， 建立铣刀坐标系， 在工件坐标系中描述铣刀的位置状态； 0017 步骤a3、 提取刀齿结构特征变量， 建立刀齿坐标系和刀齿误差分布序列， 在铣刀坐 说明书 2/15 页 5 CN 111002104 A 5 标系中表征刀齿绕铣刀中心旋转运动状态； 0018 步骤a4、 利用实验获取振动特征参数和刀齿后刀面摩擦磨损样本。 0019 进一步地： 步骤b中铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测， 包括以下步骤： 0020 步骤b1、 依据刀齿结构及特征参数， 构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测坐标 系； 0021 步骤b2、 在检测坐标系中， 依据摩擦磨损前后刀齿后刀面形貌特征。

20、差别， 识别出刀 齿后刀面累积摩擦磨损边界， 按切削刃中点与最低点之间距离为采样点间距， 对整条切削 刃和后刀面累积摩擦磨损边界进行特征点提取； 0022 步骤b3、 采用多项式拟合方法， 获得刀齿后刀面累积摩擦磨损边界分布函数； 分析 刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性； 0023 步骤b4、 依据刀尖点与刀齿安装定位面特征重合的方法， 在刀齿坐标系中反映检 测坐标系的空间位置关系。 0024 进一步地： 步骤c中刀齿误差和铣削振动对刀齿刀尖点瞬时位置的影响特性识别， 包括以下步骤： 0025 步骤c1、 根据铣刀各刀齿之间的对应关系， 在铣刀坐标系中沿铣削宽度和铣削深 度方向对刀尖点位移。

21、进行投影， 解算沿铣削宽度和铣削深度方向的刀尖点位置坐标； 0026 步骤c2、 绘制受刀齿误差和铣削振动刀尖点瞬时位置坐标随切削行程增加而变化 的曲线， 揭示刀齿误差和铣削振动作用下刀齿刀尖点瞬时位置的变化特性。 0027 进一步地： 步骤d中刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模型构建， 包括以下步 骤： 0028 步骤d1、 利用振动作用下铣刀及刀齿切削运动轨迹、 姿态和切削刃的刃形方程， 获 取工件加工过渡表面方程； 0029 步骤d2、 利用加工过渡表面方程和刀齿后刀面方程， 识别刀齿后刀面瞬时接触关 系特征变量； 0030 步骤d3、 根据刀齿后刀面累积摩擦磨损检测坐标系与振动作用下的。

22、铣刀坐标系转 换关系， 获得刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界的变化特性。 0031 进一步地： 步骤e中刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界解算， 包括以下步骤： 0032 步骤e1、 建立有限元仿真模型及边界条件， 获取刀齿后刀面热力耦合场， 提出铣刀 刀齿后刀面与加工表面瞬时接触边界判剧； 0033 步骤e2、 以刀齿后刀面等效应力场、 温度场和磨损深度为判剧， 获取刀齿后刀面与 加工表面瞬时接触边界； 0034 步骤e3、 采用刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法， 对刀齿后刀面瞬时接触边 界特征点进行识别和提取， 进而得到检测坐标系下刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线。 0035 进一步地： 步骤f中刀齿后。

23、刀面累积摩擦磨损边界形成过程及仿真结果验证， 包括 以下步骤： 0036 步骤f1、 利用刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线， 获取切削刃上不同位置处瞬时 摩擦磨损下边界的最大值特征点， 从而构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界曲线； 0037 步骤f2、 揭示刀齿后刀面磨损边界不断扩展和瞬时摩擦磨损边界非连续且频繁变 动共同作用的刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程； 说明书 3/15 页 6 CN 111002104 A 6 0038 步骤f3、 利用刀齿后刀面累积摩擦磨损边界实验曲线和仿真曲线， 对比分析曲线 方程系数的相近性， 验证上述模型及方法的正确性。 0039 本发明的有益效果是： 0040。

24、 本发明所涉及的一种高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 本发 明分析高进给铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程， 采用多把具有相同结构的高进 给铣刀， 进行不同切削行程的铣削实验； 提出刀齿后刀面摩擦磨损检测方法， 对刀齿后刀面 摩擦磨损区域准确全面表征； 在考虑刀具角度和切削参数的基础上， 也考虑刀齿误差和铣 削振动对刀齿后刀面与加工表面的影响特性； 建立刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模 型， 解算刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界， 进而分析刀齿后刀面摩擦磨损形成过程； 采用实验 与仿真对比的方法， 对上述模型和方法进行验证。 高进给铣刀切削钛合金工件过程中， 受刀 齿误差和铣削。

25、振动影响， 铣刀刀齿后刀面摩擦磨损过程存在复杂性和多变性， 刀齿后刀面 与加工表面瞬时接触关系也不断变化。 提高刀齿后刀面摩擦磨损特征变量获取的准确性， 保证不同切削行程下刀齿后刀面摩擦磨损的准确性， 解决了由于单把铣刀实验停机检测磨 损所导致热力耦合场消散问题， 采用本发明可揭示铣刀刀齿后刀面摩擦磨损过程是多次摩 擦副叠加后的结果， 阐述刀齿后刀面摩擦磨损形成机理， 解决刀具使用寿命评定误差大、 工 艺成本增加和加工表面质量劣化等问题， 为控制刀具磨损差异性及切削工艺提供理论依 据， 对刀具使用寿命预测提供一种更为准确的评判方法。 附图说明 0041 图1为高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损边界检。

26、测与解算方法的流程图； 0042 图2为可转位高进给铣刀铣削状态图； 0043 图3(a)为高进给铣刀轴向结构特征参数； 0044 图3(b)为高进给铣刀径向结构特征参数； 0045 图3(c)为高进给铣刀刀齿切削刃结构特征参数； 0046 图4为铣刀刀齿轴向误差分布序列示意图； 0047 图5为铣刀刀齿径向误差分布序列示意图； 0048 图6为铣削加工设备空间坐标系及铣削振动信号示意图； 0049 图7为铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测坐标系示意图； 0050 图8为铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法示意图； 0051 图9为刀齿后刀面累积摩擦磨损边界分析示意图； 0052 图10(a。

27、)为刀齿1后刀面累积摩擦磨损的曲线图； 0053 图10(b)为刀齿2后刀面累积摩擦磨损的曲线图； 0054 图10(c)为刀齿3后刀面累积摩擦磨损的曲线图； 0055 图11为刀齿后刀面的测量坐标系示意图； 0056 图12为刀齿后刀面的瞬时位置示意图； 0057 图13为刀齿后刀面的姿态表征示意图； 0058 图14(a)为切削行程0-0.25m下坐标轴W的姿态和坐标变化中 W1j的曲线图； 0059 图14(b)为切削行程0-0.25m下坐标轴W的姿态和坐标变化中为 W2j的曲线图； 图 14(c)为切削行程0-0.25m下坐标轴W的姿态和坐标变化中Wgoj的曲线图； 说明书 4/15 。

28、页 7 CN 111002104 A 7 0060 图15(a)为刀齿径向误差作用下刀尖点的位移曲线图； 0061 图15(b)为刀齿轴向误差作用下刀尖点的位移曲线图； 0062 图16为铣刀三个方向的振动加速度信号示意图； 0063 图17为振动作用下铣刀瞬时切削姿态示意图； 0064 图18为铣刀刀齿的切削运动行为及其变量表征示意图； 0065 图19(a)为铣刀切削姿态角动态变化中铣刀沿进给方向偏转角示意图； 0066 图19(b)为铣刀切削姿态角动态变化中铣刀沿切宽方向偏转角示意图； 0067 图20为切削行程0-0.5m铣刀切削运动轨迹示意图； 0068 图21为振动作用下切削行程L。

29、0刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模型示意图； 图22(a)为切削行程02.5m刀齿1后刀面累积摩擦磨损上边界的曲线图； 0069 图22(b)为切削行程02.5m刀齿2后刀面累积摩擦磨损上边界的曲线图； 0070 图22(c)为切削行程02.5m刀齿3后刀面累积摩擦磨损上边界的曲线图； 0071 图23(a)为切削行程02.5m刀齿1后刀面累积摩擦磨损下边界曲线图； 0072 图23(b)为切削行程02.5m刀齿2后刀面累积摩擦磨损下边界曲线图； 0073 图23(c)为切削行程02.5m刀齿3后刀面累积摩擦磨损下边界曲线图； 0074 图24为刀齿后刀面与加工表面瞬时接触边界判断依据示意图。

30、； 0075 图25(a)为刀齿后刀面与加工表面瞬时接触区域切削速度分布云图； 0076 图25(b)为刀齿后刀面与加工表面瞬时接触区域等效应力分布云图； 0077 图25(c)为刀齿后刀面与加工表面瞬时接触区域铣刀温度分布云图； 0078 图26(a)为铣刀刀齿1后刀面累积摩擦磨损下边界仿真曲线图； 0079 图26(b)为铣刀刀齿2后刀面累积摩擦磨损下边界仿真曲线图； 0080 图26(c)为铣刀刀齿3后刀面累积摩擦磨损下边界仿真曲线图； 0081 图27为铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损检测边界解算模型图； 0082 图28(a)为不同切削行程下刀齿1后刀面累积摩擦磨损上边界实验曲线图； 00。

31、83 图28(b)为不同切削行程下刀齿2后刀面累积摩擦磨损上边界实验曲线图； 0084 图28(c)为不同切削行程下刀齿3后刀面累积摩擦磨损上边界实验曲线图； 0085 图29(a)为不同切削行程下刀齿1后刀面累积摩擦磨损下边界实验曲线图； 0086 图29(b)为不同切削行程下刀齿2后刀面累积摩擦磨损下边界实验曲线图； 0087 图29(c)为不同切削行程下刀齿3后刀面累积摩擦磨损下边界实验曲线图； 0088 图30(a)为不同切削行程下刀齿1后刀面累积摩擦磨损上边界仿真曲线图； 0089 图30(b)为不同切削行程下刀齿2后刀面累积摩擦磨损上边界仿真曲线图； 0090 图30(c)为不同切。

32、削行程下刀齿3后刀面累积摩擦磨损上边界仿真曲线图； 0091 图31(a)为不同切削行程下刀齿1后刀面累积摩擦磨损下边界仿真曲线图； 0092 图31(b)为不同切削行程下刀齿2后刀面累积摩擦磨损下边界仿真曲线图； 0093 图31(c)为不同切削行程下刀齿3后刀面累积摩擦磨损下边界仿真曲线图； 0094 图32(a)为切削行程5m刀齿1后刀面累积摩擦磨损边界实验与仿真、 叠加曲线对比 图； 0095 图32(b)为切削行程5m刀齿2后刀面累积摩擦磨损边界实验与仿真、 叠加曲线对比 图； 说明书 5/15 页 8 CN 111002104 A 8 0096 图32(c)为切削行程5m刀齿3后刀。

33、面累积摩擦磨损边界实验与仿真、 叠加曲线对比 图。 具体实施方式 0097 下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明， 但并不局限于此， 凡是对 本发明技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围， 均应涵 盖在本发明的保护范围中。 0098 实施例1 0099 结合图1-图32说明本实施例， 在本实施例中， 本实施例所涉及的一种高进给铣刀 刀齿后刀面摩擦磨损边界检测与解算方法， 它包括以下步骤： 0100 步骤一、 高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损实验方法： 采用多把具有相同结构的高 进给铣刀， 分别进行不同切削行程的铣削实验。 提取工件及加工表面几何结构参数， 建立。

34、工 件坐标系； 提取铣刀结构特征变量， 建立铣刀坐标系； 提取刀齿结构特征变量， 建立刀齿坐 标系和刀齿误差分布序列； 利用实验获取振动特征参数和刀齿后刀面摩擦磨损样本； 0101 步骤二、 铣刀刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法： 构建刀齿后刀面摩擦磨损 边界检测坐标系， 在检测坐标系中， 依据铣刀摩擦磨损前后刀齿后刀面形貌特征差别， 识别 出刀齿后刀面累积摩擦磨损边界， 按切削刃中点与最低点之间距离为采样点间距， 对整条 切削刃和后刀面累积摩擦磨损边界进行特征点提取； 采用多项式拟合方法， 获得刀齿后刀 面累积摩擦磨损边界分布函数， 揭示刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性； 为阐述检 测。

35、坐标系与铣刀坐标系之间的转换关系， 采用刀尖点与刀齿底面特征重合的方法， 确定检 测坐标系中刀尖点在铣刀坐标系中的位置关系； 0102 步骤三、 刀齿误差和铣削振动对刀齿刀尖点瞬时位置的影响特性识别方法： 铣削 加工过程受刀齿误差和铣削振动因素影响， 导致刀尖点的切削运动轨迹产生位移增量， 铣 刀整体姿态发生角度偏转， 进而影响刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系； 在铣刀坐标系 中沿铣削宽度和铣削深度方向对刀尖点位移进行投影， 解算沿铣削宽度和铣削深度方向的 刀尖点位置坐标， 给出受刀齿误差和铣削振动影响下的刀尖点位置坐标随切削行程增加而 变化的曲线， 揭示刀齿误差和铣削振动作用下刀齿刀尖点瞬时。

36、位置的变化特性； 0103 步骤四、 刀齿后刀面与加工表面瞬时接触关系模型构建方法： 考虑工件、 铣刀结构 特征变量和工艺变量， 以及刀齿误差和铣削振动对铣刀位姿的影响特性， 提出振动作用下 铣刀及刀齿轨迹和姿态的解算方法。 利用振动作用下铣刀及刀齿切削运动轨迹、 姿态和切 削刃的刃形方程， 获取工件加工过渡表面方程； 利用加工过渡表面方程和刀齿后刀面方程， 获取刀齿瞬时位置角、 切削刃参考点和瞬时接触边界曲线等特征参数； 通过分析上述特征 变量之间关系， 考虑刀齿后刀面摩擦磨损检测坐标系与振动作用下的铣刀坐标系转换关 系， 揭示刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界的变化特性； 0104 步骤五、 刀齿。

37、后刀面瞬时摩擦磨损边界解算方法： 建立有限元仿真模型及边界条 件， 获取刀齿后刀面热力耦合场， 提出铣刀刀齿后刀面与加工表面瞬时接触边界判剧； 以刀 齿后刀面等效应力场、 温度场和磨损深度为判剧， 获取刀齿后刀面与加工表面瞬时接触边 界； 依据刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测方法， 对刀齿后刀面瞬时接触边界特征点进行 识别和提取， 进而得到刀齿后刀面瞬时摩擦磨损边界曲线； 说明书 6/15 页 9 CN 111002104 A 9 0105 步骤六、 刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程及仿真结果验证： 利用刀齿后刀 面瞬时摩擦磨损边界曲线， 获取切削刃上不同位置处瞬时摩擦磨损下边界的最大值特征 。

38、点， 从而构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界曲线； 揭示刀齿后刀面磨损边界不断扩展和瞬 时摩擦边界非连续且频繁变动共同作用的刀齿后刀面累积摩擦磨损边界形成过程； 利用刀 齿后刀面累积摩擦磨损边界实验曲线和仿真曲线， 对比分析曲线方程系数的相近性， 验证 上述模型及方法的正确性。 0106 更为具体地： 0107 步骤一一、 采用多把具有相同结构的高进给铣刀， 分别进行不同切削行程的铣削 实验； 0108 步骤一二、 提取工件及加工表面的几何结构参数， 建立工件坐标系； 提取铣刀结构 特征变量， 建立铣刀坐标系， 在工件坐标系中描述铣刀的位置状态； 0109 步骤一三、 提取刀齿结构特征变量， 建立。

39、刀齿坐标系和刀齿误差分布序列， 在铣刀 坐标系中表征刀齿绕铣刀中心旋转运动状态； 0110 步骤一四、 利用实验获取振动特征参数和刀齿后刀面摩擦磨损样本。 0111 为保证不同切削行程下刀齿后刀面摩擦磨损的准确性， 解决由于单把铣刀实验停 机检测磨损所导致热力耦合场消散问题， 采用多把具有相同结构的高进给铣刀， 以顺铣、 轴 向分层切削的铣削方式， 进行不同切削行程的铣削实验， 特征变量集合如式(1)所示。 0112 Asq,Lq,r0,vf1,vf2,vf3,n,vf,ap,ae (1) 0113 0114 0115 式中， A为实验切削方法特征变量集合； sq为铣刀进行轴向分层切削的次数；。

40、 Lq为铣 刀进行sq次切削的累积切削行程； r0为铣刀名义半径； vf1为铣刀从刀路终点到抬刀位置的 速度； vf2为铣刀从抬刀位置到落刀位置的速度； vf3为铣刀落刀位置到刀路起点位置的速 度； n为铣刀转速； vf为铣刀相对于工件的进给速度； ap为铣削深度； ae为铣削宽度； (xod1， yod1， zod1)为铣刀刀路起点坐标； (xod2， yod2， zod2)为铣刀刀路终点坐标； rmax为铣刀刀齿刀尖 点沿径向的最大回转半径； W为工件宽度。 0116 提取工件加工表面几何结构及关系变量， 建立工件坐标系， 如图2所示。 0117 图2中， og-xgygzg为工件坐标系，。

41、 其中， og点为工件底面两条底边交点， xg轴为铣刀 进给速度方向， yg轴为铣刀切削宽度方向， zg轴为铣刀切削深度方向； od-abc为铣刀坐标系； j为铣刀刀齿编号， 即1jZ， 其中Z为铣刀齿数； s0j-ajbjcj为第j个刀齿坐标系； od1s为铣刀 沿xg轴反方向第1次进给时的起点； od1e为铣刀沿xg轴反方向第1次进给时的终点； xg1为铣刀 起点沿xg轴正方向距工件端部的距离； xe1为铣刀起点沿xg轴反方向距工件端部的距离； yg1 为铣刀起点沿yg轴反方向距工件端部的距离； xd为铣刀坐标轴原点沿xg轴反方向距工件端 部的距离； f为刀尖运动轨迹； L为工件长度； H。

42、为工件高度； t为切削时间； ld(t)为工件加工 表面长度； wd(t)为工件加工表面宽度。 0118 由图2可知， 工件加工表面几何结构及关系特征变量集合如式(4)所示。 0119 BL,W,H,ld(t),wd(t)， f (4) 0120 式中： B为工件加工表面几何结构及关系特征变量集合。 说明书 7/15 页 10 CN 111002104 A 10 0121 获取铣刀和刀齿结构特征变量， 建立铣刀坐标系、 刀齿坐标系和刀齿误差分布序 列， 如图3(a)至图3(c)所示。 0122 图3(a)至图3(c)中， lmax为铣刀刀齿沿轴向的最低点到铣刀刀柄端面的最大距离； j为铣刀齿间。

43、夹角； sjmin为铣刀第j个刀齿沿轴向的最低点； sju为铣刀第j个刀齿切削刃中 点； smin为铣刀刀齿沿轴向的最低点； s0j+1为铣刀第j+1个刀齿刀尖点； s0j-1为铣刀第j-1个刀 齿刀尖点； r为刃口半径； 为刀齿前角； 为刀齿后角； q为铣刀数量； lj为刀齿沿轴向的最 低点到刀柄端面的距离； 为刀齿安装角度； minj为铣刀刀齿切削刃上沿轴向最低点的基面 与切削宽度方向的夹角； 为铣刀刀齿刀尖点和铣刀回转中心连线与a轴夹角； jmin为铣刀 的第j个刀齿切削刃上沿轴向最低点处与该点前刀面的夹角； r0j为刀齿刀尖点沿径向的回 转半径； Ps为切削刃上沿轴向最低点处的切削平面。

44、； Po为切削刃上沿轴向最低点处的主剖 面； Pr为切削刃上沿轴向最低点处的基面。 0123 由图3(a)至图3(c)可知， 铣刀和刀齿结构特征变量集合如式(5)所示： 0124 Clmax,Z, j,r, ,q (5) 0125 式中： C为铣刀和刀齿结构特征变量集合。 0126 使用对刀仪对高进给铣刀刀齿轴向误差和径向进行测量， 其特征变量集合如式 (6)所示； 以铣刀刀齿最低点到铣刀端面的最大轴向距离为基准， 进行铣刀刀齿轴向误差测 量， 以铣刀刀齿刀尖点为到铣刀轴线的最大半径为基准， 进行铣刀刀齿径向误差测量， 如式 (7)所示； 选取铣刀刀齿轴向误差最大的刀齿， 以逆时针方向确定刀齿。

45、轴向误差分布序列， 刀齿径向误差分布序列依据刀齿轴向误差分布序列而自动生成。 0127 Ecjmin,r0j (6) 0128 cjminlmax-lj， r0jrmax-r0j (7) 0129 式中： E为铣刀刀齿误差特征变量集合； cjmin为铣刀刀齿轴向误差； r0j为铣刀 刀齿径向误差。 0130 为进一步分析铣削振动的变化特性， 通过对由更换刀片引起的刀齿误差分布改变 和不同切削行程的刀齿磨损共同作用所引起的铣削振动进行测试， 获取不同切削行程下最 后一次轴向分层切削时的振动加速度信号； 提取铣削振动频域信号中的主频及其频谱值， 如式(8)所示。 0131 GTj,fx,fy,fz。

46、,Epx,Epy,Epz,Rx,Ry,Rz (8) 0132 式中， G为铣削振动特征变量集合； Tj为铣刀切削任意一层所需时间； fx为沿进给速 度方向的频域信号主频； fy为沿切宽方向的频域信号主频； fz为沿切深方向的频域信号主 频； Epx为沿进给方向的频域信号主频的频谱值； Epy为沿切宽方向的频域信号主频的频谱 值； Epz为沿切深方向的频域信号主频的频谱值； Rx为沿进给方向的铣削振动位移。 Ry为沿切 宽方向的铣削振动位移。 Rz为沿切深方向的铣削振动位移。 0133 依据上述方法， 给出具体实验方案及检测结果： 实验采用10把相同结构直径32mm， 齿数为3的可转位高进给铣刀。

47、铣削钛合金试件， 其结构参数长为250mm， 宽为1000mm， 高为 20mm， 加工几何特征为上表面。 采用顺铣的铣削方式和轴向分层铣削方式进行加工。 铣削参 数为转速n1143r/min、 进给速度vf500mm/min、 铣削宽度ae16mm、 铣削深度ap0.5mm， 切削行程为0.5m、 1.0m、 1.5m、 2.0m、 2.5m、 3.0m、 3.5m、 4.0m、 4.5m、 5.0m。 对刀齿误差分布进 行表征， 如图4和图5所示。 铣削加工现场及铣削振动信号如图6所示。 说明书 8/15 页 11 CN 111002104 A 11 0134 更为具体地： 0135 步骤。

48、二一、 依据刀齿结构及特征参数， 构建刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测坐 标系； 0136 步骤二二、 在检测坐标系中， 依据摩擦磨损前后刀齿后刀面形貌特征差别， 识别出 刀齿后刀面累积摩擦磨损边界， 按切削刃中点与最低点之间距离为采样点间距， 对整条切 削刃和后刀面累积摩擦磨损边界进行特征点提取； 0137 步骤二三、 采用多项式拟合方法， 获得刀齿后刀面累积摩擦磨损边界分布函数； 分 析刀齿后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性； 0138 步骤二四、 依据刀尖点与刀齿安装定位面特征重合的方法， 在刀齿坐标系中反映 检测坐标系的空间位置关系。 0139 提出刀齿后刀面累积摩擦磨损边界检测坐标系构建。

49、方法： 以未磨损刀尖点在刀片 底部安装定位面投影为坐标原点， 以待测刀齿后刀面两刀尖点连线为水平参考线， 取切削 刃中点做竖直垂线， 并向左侧平移到刀尖点重合处建立测量坐标系V轴， 刀齿底部安装定位 面平行方向为U轴， 垂直UV平面并向上为W轴， 如图7所示。 0140 图7中， oj-UVW为刀齿后刀面累积摩擦磨损测量坐标系， 其中oj为检测坐标系原点， U为检测坐标系中平行于xg的坐标轴， V为检测坐标系中平行于yg的坐标轴， W为检测坐标系 中平行于zg的坐标轴； 为刀齿安装角度； (t)为振动作用下铣刀c轴偏转角度；为铣刀 瞬时位置角； s为刀齿厚度； l0为刀齿刀尖点与对应后刀面之间。

50、的最远距离； ls为刀齿中任意 两个刀尖点之间距离。 0141 为表征高进给铣刀刀齿后刀面摩擦磨损区域的完整性， 在刀齿后刀面累积摩擦磨 损边界检测坐标系中， 按切削刃中点与最低点之间距离为采样点的间距， 对整条切削刃进 行特征点提取， 采用多项式拟合方法， 获得刀齿后刀面累积摩擦磨损边界分布函数， 揭示刀 齿后刀面累积摩擦磨损边界的变化特性。 为阐述检测坐标系与铣刀坐标系之间的转换关 系， 采用刀尖点与刀齿底面特征重合的方法， 确定检测坐标系中参考点在铣刀坐标系中的 位置关系。 选取多把铣刀刀齿后刀面， 依据刀齿后刀面累积摩擦磨损边界测量坐标系， 对刀 齿后刀面摩擦磨损进行全区域检测； 采用。