切削加工刀具磨损及其预测建模技术研究进展

刀具磨损不仅影响工件加工表面质量和加工精度,而且频繁地换刀还会降低加工效率、增加生产成本,通过研究刀具磨损机理,影响刀具磨损的因素以及刀具磨损预测模型建模技术,为降低刀具磨损提供技术支持。对切削加工过程中刀具磨损及其预测建模技术的研究进展进行了综述。首先,基于近年来刀具磨损机理研究进展,分别对几种主要刀具磨损机理的表现形式及特征进行了分析。其次,重点论述了切削加工过程中切削参数、刀具几何参数、刀具和工件材料特性及加工方法等因素对刀具磨损影响规律,总结分析了刀具磨损预测建模方法和形式。最后,结合制造业绿色节能的发展理念和高速发展的计算机技术,指出降低刀具磨损的加工方法和刀具磨损预测建模技术的未来发展方向。     

难加工材料刀具磨损检测技术研究与应用

利用刀具磨损检测技术,拍摄刀具后刀面磨损图像,以磨损图像为基础,分析刀具磨损状况、确定刀具磨损量,然后采用离散刀具磨损过程与有限元仿真相结合的方法实现长时间切削刀具磨损的仿真。对刀具磨损检测仪的原理、构成及检测过程等做了简要介绍,并对其在难加工材料切削参数优化、新刀具选用试切方面进行了初步应用。     

从第十二届模展看刀具发展趋势

2008年5月在上海举办的第12届国际模具展汇集了国内外众多著名刀具公司参展,展品包括新的刀具材料牌号、新型的刀具结构、刀具表面涂层技术和装备、工具系统及刀具装夹技术等,这些产品和技术代表了刀具工业发展的先进水平和刀具切削技术的发展趋势。     

超声椭圆振动精密切削

传统超声振动切削加工中刀具后刀面与工件已加工表面的高频摩擦使刀具承受交变拉压应力,导致刀具疲劳崩刃。超声椭圆振动切削技术使刀具以椭圆振动轨迹对工件进行切削,避免了刀具后刀面与已加工表面的摩擦,有效抑制了刀具的崩刃破损;同时,将刀具前刀面与切屑之间有害的摩擦力变为有利的切削力,增加了刀具的剪切角,降低了切削过程中的吃刀抗力,提高了加工精度。     

追求过硬进取无限——本刊主编刘柱与株洲钻石切削刀具股份有限公司总经理李屏先生对话

株洲钻石切削刀具股份有限公司(株硬刀具)生产的刀具作为国内最受欢迎的国产刀具品牌之一,其产品得到了市场的广泛认可,一些产品还达到了世界先进水平,其"钻石"品牌刀具享有良好的口碑和声誉.近日,本刊主编刘柱采访了株硬刀具总经理李屏先生,双方就该公司的产品研发、市场策略以及刀具行业发展现状和未来趋势等热点问题进行了全方位的交流.     

读来读往

成功举办的CIMES2012带来了世界机械加工行业的系列先进技术与产品,紧跟切削加工发展的新形势,本期特别推出了栏目异彩纷呈的刀具专刊。专稿中,山东大学李士鹏分析了MeSiN刀具涂层的研究现状及发展趋势;封面文章介绍了山特维克可乐满刀具在钛合金铣削方面的新进展;论坛分析了难加工材料切削加工的特点、刀具选择及发展趋势";刀具设计"、"刀具应用"、"刀具监测"及"技术前沿"栏目从科研单位、用户和厂商等多角度出发,分析了刀具设计、应用、监测的新技术及难点,并提出了解决     

TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169刀具磨损形貌及机理分析

针对难加工镍基高温合金GH4169切削过程中刀具磨损严重、加工效率低下、成本高等问题,使用新型PVD-TiAlN涂层硬质合金刀具高速铣削GH4169,获得了刀具的磨损形貌.采用电子扫描显微镜(SEM)观测了刀具的磨损形貌,通过能谱分析仪(EDS)分析了磨损刀具表面的元素分布,并对刀具的主要磨损机理进行了分析.结果表明:TiAlN涂层刀具高速铣削GH4169时,刀具的磨损形态主要表现为微崩刃、微裂纹和剥落,刀具的磨损机理主要为粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损.     

正交切削刀具应力的有限元分析

应用有限元方法计算了正交切削刀具的应力.对正剪切和负剪切的应力分布进行了比较,分析了负剪切易引起刀具破损的原因;对刀具前角分别为 0°、10°、15°时的等效应力进行了对比,分析了刀具前角变化对刀具强度的影响.     

智能制造刀具管理系统及刀具剩余寿命监测功能开发

伴随智能制造技术的深入推进,刀具管理系统的功能根据用户业务需求在不断拓展。针对工艺设计后的刀具选购、使用直至报废等环节,基于"刀具流"开发了一款智能制造刀具管理系统,更精确地实现了刀具使用过程的数字化、网络化、智能化和可视化全生命周期管理。鉴于目前刀具状态监测技术的复杂和可靠性低等问题,在工程应用上提出了一种基于被加工工件表面粗糙度间接预测刀具剩余寿命的方法。整个系统在现场得到了良好应用。     

微织构刀具切削钛合金的研究进展

针对钛合金切削加工过程中切削力大、切削温度高和刀具磨损严重等问题,近年学者们尝试采用微织构刀具来解决。本文综述了微织构刀具在钛合金切削加工中的应用,分析了微织构刀具在改善表面质量,降低切削力、刀具磨损、摩擦因数和切削温度等方面的切削机理,并指出微织构刀具切削钛合金存在的问题。     

自由曲面侧铣刀具轮廓与轨迹同步优化方法

针对自由曲面侧铣加工中轨迹规划困难、加工精度难保证等问题，提出了一种自由曲线母线类刀具的外形轮廓设计方法。该方法在优化刀具轮廓的同时，充分考虑了加工过程中的工件精度和刀轴光顺性问题，实现了自由曲线母线类刀具的形状设计和对应侧铣加工轨迹的生成。首先，通过分别定义刀具轮廓母线和刀轴轨迹面实现对刀具形状和侧铣加工轨迹的表达，并由此计算切削行上刀具工件干涉量来评价加工误差，以刀轴轨迹面能量评价刀轴光顺性，建立了基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型；其次，为实现对同步优化模型的求解，给出了基于序列逼近法的求解策略，以及优化初值中刀轴轨迹面控制参数和刀具轮廓控制参数获取方法；最后，分别通过加工轨迹规划实验和刀具轮廓设计实验，验证了本文算法在在自由曲面四轴侧铣加工刀具轮廓设计与加工轨迹优化中的正确性及有效性。研究成果为提高自由曲面类零件侧铣加工精度、实现侧铣加工刀具轮廓设计及侧铣加工轨迹规划提供了一种有效的方法和手段。     

Dual Drive Curve Tool Path Planning Method for 5-axis NC Machining of Sculptured Surfaces

The problem of finished surface being not first-order continuous commonly exists in machining sculptured surfaces with a torus cutter and some other types of cutters. To solve this problem, a dual drive curve tool path planning method is proposed in this article. First, the maximum machining strip width of a whole tool path can be obtained through optimizing each tool position with multi-point machining (MPM) method. Second, two drive curves are then determined according to the obtained maximum machining strip width. Finally, the tool is positioned once more along the dual drive curve under the condition of tool path smoothness. A computer simulation and cutting experiments are carried out to testify the performance of the new method. The machined surface is measured with a coordinate measuring machine (CMM) to examine the machining quality. The results obtained show that this method can effectively eliminate sharp scallops between adjacent tool paths, keep tool paths smooth, and improve the surface machining quality as well as machining efficiency.     

电火花铣削加工中工具电极损耗补偿策略研究

在电火花铣削加工中,由于工具电极作旋转运动,其损耗呈轴对称分布,使工具电极的补偿成为可能。本文对工具电极的损耗形状进行了研究,提出一种在线工具损耗补偿措施,从而避免了工具损耗形状的检测,极大地提高了生产效率和加工精度     

基于萤火虫算法的CFRP材料铣削刀具结构优化

为了提高CFRP零件的加工表面质量和刀具寿命,针对其铣削加工的刀具结构进行了优化。设计了刀具结构参数与CFRP材料铣削加工表面粗糙度、后刀面磨损量之间的正交试验。应用极差分析法分析了刀具结构参数对CFRP材料加工表面粗糙度、后刀面磨损量的影响规律,并应用多元线性回归法建立了刀具结构参数与表面粗糙度、后刀面磨损量之间的数学模型。基于此模型,采用FA萤火虫算法,优化了刀具的结构参数,并进行了实验验证。结果表明:在试验参数范围内,刀具结构参数对于CFRP工件铣削表面粗糙度的影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具的后角、螺旋角和前角增大时,工件的表面粗糙度都呈减小趋势,但减小的快慢程度不同;刀具结构参数对于后刀面磨损影响程度依次为:后角、螺旋角、前角。当刀具后角增大时,后刀面磨损量迅速上升,当螺旋角增大时,后刀面磨损量减小,当刀具的前角增大时,后刀面磨损量先减小后增大。采用FA萤火虫算法优化后的刀具结构对CFRP材料进行铣削实验,实验结果值与建立的模型预测值误差较小,表面粗糙度的误差率为3%,刀具后刀面磨损量的误差率为7.6%。     

基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成方法

框、梁、壁板、蒙皮等飞机关键零部件中包含大量型腔特征,其加工效率直接影响零件的整体加工效率。高速铣削机床的发展为此类零件的高效加工奠定了很好的硬件基础,也给型腔铣削刀具轨迹生成带来了新的问题。例如蒙皮镜像铣由于其特殊的设计,对刀具轨迹提出平滑无抬刀、步距变化严格控制在一定范围内等更严苛的要求,从而保证蒙皮高质量加工。结构件高速加工中为了保持刀具的高进给和高转速,也要求刀具轨迹平滑且步距平稳变化。然而现有的型腔铣削刀轨生成方法大多基于局部优化解决加工残余和刀轨不平滑问题,难以生成同时满足多工艺约束尤其是步距约束的刀具轨迹,无法完全发挥高速机床的性能。针对此问题,本文提出基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成及优化方法。该方法首先基于中轴变换提取型腔骨架线,并进一步修正从而生成刀轨偏置基准和初始刀轨。其次利用图像变形算法对初始刀轨进行迭代变形优化,使最终优化刀轨与目标型腔区域吻合,且满足高速加工的工艺约束条件。该方法在离散的图像域内从整体角度优化刀具轨迹,不仅保证轨迹平滑无抬刀,还能保证步距在容许范围内平稳变化。实验证明本文提出的方法在保证轨迹平滑和步距平稳变化等方面的有效性,能够满足高性能加工的要求。     

声发射刀具失效监控系统研究

通过对钻、车、镗削刀具失效过程中产生的声发射信号的分析,获得了信号的频谱特性,建立了描述刀具破损、磨损状态的数学模型。依据分析及实验结果,设计了一个智能化的刀具状态监控系统。刀具破损面积的分辨率为0.01mm~2,刀具破损的响应时间小于0.1ms,漏报率及误报率小于5％。     

在车间环境下实现刀具耐用度模型参数的辨识

为了方便地进行刀具磨损检测,特别设计了一套便携式刀具磨损检测装置,可以方便地在不拆卸刀具的条件下实现铣刀后刀面磨损量VB的测量,很适合于车间环境实现刀具耐用度模型的辨识.本实验中进行刀具耐用度模型参数辨识的方法可以成为工厂中进行刀具磨损检测的一种实用方法.     

Evaluation of tool wear and cutting performance considering effects of dynamic nodes movement based on FEM simulation

An accurate estimation of tool wear morphology can provide the opportunity to investigate the influence of tool wear on cutting performance as well as reduce the overall production cost. However, tool wear prediction is still a very challenging research issue. In this paper, a novel method for simulating the actual chip formation and wear evolution thorough the 3D finite element model has been carried out. In order to improve the accuracy of simulation results, the influence of worn tool, stress and temperature distribution on wear rate are considered. Then cutting experiment has been conducted by turning AISI1045 with uncoated carbide tools to validate the accuracy of the proposed model. The comparison between experimental and simulation results show good agreement which proves the ability of the proposed model in forecasting the tool wear. The validated finite element model has been further utilized studying how the worn tool affects the cutting performance including actual cutting rake, stress distribution, cutting force and temperature. The results of this paper not only provide a clear understanding of wear evolution between tool rake face and chip, but also are meaningful to optimize tool design and cutting parameters.     

To a problem of machining monoimpeller intervane passages

A basic design of a cutting tool is proposed and shaping motions in machining monoimpeller intervane passages with this tool are determined.     

微小刀具同轴全息对刀方法研究

针对现有对刀方法存在的各种不足,提出了一种微小刀具的同轴全息对刀方法。在对全息成像原理和全息图像关键问题进行研究与分析的基础上,搭建了一套微细铣刀的全息对刀检测装置,并利用标准刀具在五轴加工中心进行了微细铣刀的对刀测量试验。试验结果表明:该对刀装置能够高效地进行微细铣刀的对刀检测,系统相对检测精度达5.1μm。在相同检测条件下,与高精度机外预调仪的测量结果相比,接触式对刀仪的相对误差为0.033%,而全息对刀样机的相对误差为0.007%,后者更能有效地实现微小刀具的对刀检测。该结果验证了微小刀具的同轴全息对刀方法的可行性,即全息测量可用于微细铣刀的高精度对刀。