BTA深孔钻的结构优化及切削仿真分析

BTA深孔钻是一种典型的深孔加工内排屑钻头,刀具结构与刀具角度是影响加工质量与加工效率的重要因素。深孔加工过程中封闭,通过实验的方法优化刀具结构与角度难度较大。采用有限元的方法,用ANSYS软件建立了BTA深孔钻静力及模态三维分析模型,得到了BTA深孔钻变形特点及六阶振型图,为BTA深孔钻钻头结构优化提供参考;采用Advant Edge软件建立了BTA深孔钻各刀齿钻削过程模型,研究了切屑形成过程及刀具角度对切削力、扭矩的影响规律,进而为刀具角度优化提供理论参考。     

基于神经网络的BTA深孔钻耐用度分析及实验研究

为了能够准确预测深孔刀具耐用度,针对BTA深孔钻的磨损特征及耐用度展开了研究.利用神经网络较强的学习和泛化能力,建立了以切削速度和进给量为变量,以钻削加工长度作为刀具耐用度的度量标准的单齿BTA深孔钻的耐用度预测模型,实现了对BTA钻耐用度的理论预测.经过实验验证,该模型预测值与试验值相对误差≤3.8%,表明了该数学模型能够准确的预测BTA钻的耐用度,为刀具的更换周期提供了科学依据,对实际加工有一定的现实指导意义.     

内排屑深孔钻削加工刀具探讨

深孔钻削加工由于其特殊性,是比较难以实现的.通过BTA系统工作原理的分析,从角度、结构、材料上对BTA刀具进行了研究,提出了控制深孔钻削断屑的有效措施.试验证明,这些有效措施可以达到较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度,对实际深孔加工具有一定参考价值.     

基于机器视觉刀具几何参数检测算法与误差分析

为解决航空整体结构件数控加工过程中因换刀频繁而导致刀具出错的问题,提出一种连通域外接矩形的刀具几何参数检测算法,开发基于机器视觉的刀具几何参数在位快速检测系统。采用工业相机、双远心镜头等采集刀具图像,利用MATLAB软件对刀具图像进行灰度变换、二值化等预处理,详细分析连通域标记算法和外接矩形算法的处理过程。结果表明,基于机器视觉的刀具几何参数在位快速检测系统的直径误差小于0.01 mm,悬长误差小于0.08 mm、响应速度快、测量精度高和抗噪性强。     

现场勘验刀具图像特征描述与识别

针对人工录入现勘刀具图像耗时耗力、准确率低的问题,提出一种基于目标形状特征的现勘刀具图像识别算法。在分析现勘刀具图像特色数据基础上,总结现勘刀具图像的典型内容特性;利用基于结构森林的边缘检测和聚类的方法对目标定位和轮廓提取,再结合包含目标轮廓的最小外接矩形给出刀尖角度的计算方法,并与长宽比、矩形度、圆形度构建识别刀目标的形状特征向量,将该特征向量输入支持向量机建立二分类模型,实现对现勘刀具图像的识别。实验结果表明,该算法性能明显优于其他特征提取算法,且对现勘刀具图像识别准确率达到94.61%,可有效表征刀具图像的内容。     

超高速微细加工刀具微量磨损的在位三维测量应用技术探讨

超高速微细加工应用领域越发广泛,刀具的微量磨损检测一直是个难题,本文探讨了利用机械手夹持共聚焦镜头在线三维测量刀具磨损量的可行性,在磨损带宽和磨损面积的基础上,增加磨损深度信息更准确地表征了刀具的微量磨损.机械手驱动在位检测,实现刀具测量的同时不降低加工效率.     

电镀金刚石刀具切割石材磨损实验

目的研究数控设备各加工参数对电镀金刚石刀具磨损量的影响,确定合理的加工参数,提高加工效率.方法采用正交实验方法设计金刚石铣刀磨损实验,在数控石材机床上铣削玄武岩,金刚石铣刀采用电镀法制造,铣刀磨损量采用高精密度电子天平测量.金刚石铣刀磨损表面采用Leica MZ95体式显微镜分析.结果影响金刚石铣刀磨损量的主要加工参数为刀具主轴转速、其次是进给速度和切割深度、最后是金刚石粒度.刀具底面的磨损比侧面严重,底面金刚石主要以脱落为主,侧面金刚石磨损以冲击破碎为主.结论数控机床加工参数对电镀金刚石磨损量具有很大影响,金刚石粒度影响较小,刀具应以侧面加工为主.     

基于改进型脉冲耦合神经网络的刀具磨损图像检测

脉冲耦合神经网络(Pulse Coupled Neural Networks,PCNN)图像分割法能很好将机械 加工中的刀具磨损区域分割出来,但分割出来的图像是二值图像,很难将刀体和背景区分开来 ,这样就难于达到对刀具及其磨损状态进行精确监测的目的,为了解决这一难题,文中提出了 改进的脉冲耦合神经网络分割算法,可成功分割出刀具磨损区、刀体和背景区域,通过对分割 后图像的分析与识别,可以实现对刀具磨损状态的检测.对车削加工中刀具不同磨损阶段的磨损图像进行分割的实验,证明了该算法的有效性.     

模具钢Cr12MoV精密硬态切削过程刀具磨损

模具钢Cr12Mo V硬态切削过程中,工件材料的高硬度导致了刀具在切削过程中受到剧烈的热力耦合作用,刀具的磨损机制也明显不同于常规的切削过程.本研究以PCBN刀具精密硬态切削模具钢Cr12Mo V过程为对象,分析了刀具前刀面和后刀面的磨损规律,通过元素变化分析得到刀具不同位置的磨损机制;通过揭示不同切削速度和进给量下的刀具磨损规律为合理选择切削参数提供理论依据;研究揭示了切削合力和切削三分力受刀具磨损量的影响机制;通过建立磨损刀具的几何模型,采用有限元仿真软件Deform对不同刀具磨损量下的切削过程进行了仿真分析,得到了刀具磨损对切削温度场的影响机制.     

钛合金TC4的切削温度场分析及刀具磨损研究

在硬质合金刀具切削加工钛合金过程中,刀具磨损是限制刀具寿命的主要因素之一,而切削温度与刀具磨损、加工精度和工件加工表面的完整性密切相关。因此,研究切削过程中的切削温度变化规律及刀具磨损规律有助于提高生产率,降低生产成本。借助Deform-3D有限元软件,对硬质合金刀具切削钛合金过程中的切削温度场及刀具磨损进行了仿真分析,得出了切削速度、进给量、切削深度和刀具前角的动态变化对切削温度的影响规律以及刀具磨损量随切削温度的变化规律,此规律对切削参数的选择和刀具寿命及磨损的研究具有重要的指导作用。     

基于Blob分析的玻璃纤维织物缺陷检测方法研究

为了解决玻璃纤维织物在线检测效率低、实时性差等问题,提出了一种基于Blob分析的织物缺陷检测方法.首先对织物图像采用均值滤波器进行平滑处理,以削弱噪声和织物纹理的干扰,然后采用Otsu算法寻找最佳阈值将图像分割为Blob和背景的像素集合,采用形态学处理调整分割后的Blob形状,最后对图像进行连通性分析和特征提取,通过对Blob区域进行最小外接矩形拟合得到缺陷特征的个数和尺寸等信息.实验结果表明:该方法计算简单、检测结果稳健可靠、实时性好.     

刀具磨损时振动信号的分析

本文运用频域和时域分析方法对切削加工中刀具磨损时振动信号进行了试验分析。结果表明,刀具磨损量与功率谱重心、功率谱主峰、时间序列模型 ARC(2)的残差平方和具有相应的规律。本试验分析方法是研究刀具磨损在线监测的一个重要途径。     

CVD复合涂层刀具在天然大理石切削中的磨损特性

目的分析CVD复合涂层刀具在天然石材加工中的磨损特性,探讨涂层刀具在石材加工中参数选择的合理性．方法使用CVD复合涂层刀具对天然大理石进行了高速铣削试验,利用测力仪测量出不同加工参数下的切削力,分析不同参数对切削力的影响,利用扫描电子显微镜观察刀具磨损形貌,通过能谱分析刀具组成．结果CVD复合涂层刀具切削天然大理石过程中,切削力随切削深度和进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,切削深度对切削力的影响程度最大．刀具磨损量随主轴转速的增大而减小,与切削深度和进给速度之间为非线性关系,进给速度高于2000mm／min时出现整体磨损,磨损量不随进给速度的增大而变化．结论CVD复合涂层刀具铣削天然大理石时的磨损机理是：涂层和刀具基体的机械损耗去除（剥落和崩刃）、高温下的氧化磨损和粘结磨损．由于工件和刀具表面存在摩擦产生热量,刀具涂层发生粘结磨损,在周期性冲击力作用下造成后刀面涂层和基体的机械损耗去除,裸露的刀具基体与空气中的氧发生氧化磨损,其中机械损耗去除磨损和粘结磨损伴随整个刀具磨损过程．     

BTA刚性镗铰刀加工高强度钢大直径精密深孔——刀片材料对孔加工质量的影响

本文介绍了BTA刚性镗铰刀加工高强度钢大直径精密深孔的试验研究,给出了深孔加工中常用和新型刀片材料对孔加工质量的影响.研究得出:欲保证27SiMn等高强度钢精密大深孔的良好加工质量,新型复合陶瓷材料(AT_6,AG_2)是比较理想的刀具材料.该结论对目前国内精密大深孔加工具有实用意义.     

精密深孔加工技术的探索与研究

精密深孔加工是精密车削的重要组成部分。精密深孔加工时,特别当孔的直径较小而孔深较深时,加工就更困难,必须对切削刀具和加工工艺采取一系列措施,以改善可加工性。通过对深孔加工刀具深孔麻花钻、枪钻、喷射钻的结构特点、加工原理及加工优势等方面进行分析,在几个加工方法中进行试验与研究,结合零件实际,探索深孔加工方法。通过试验研究,总结出一套在带有深孔钻功能的数控车床上,用枪钻加工孔径范围Φ5-10mm,深径比15-30的深孔加工方法。     

冷硬铸铁激光加热辅助切削实验研究

冷硬铸铁具有很高的硬度、强度和很好的耐磨性，但其切削加工性能很差。激光加热辅助切削是加工冷硬铸铁这种高硬材料的有效方法。进行了常规切削和激光加热辅助切削对比性实验研究，检测了切削力随切削深度和切削速度的变化规律，实验结果表明，激光加热辅助切削冷硬铸铁时切削力下降非常明显，接近50％；进行刀具磨损实验，加热辅助切削明显减轻了刀具的磨损，磨损量降低了24％，提高了刀具的寿命。     

基于机器视觉的加工刀具磨损监测方法

为了对加工过程中刀具的磨损状态进行监测,针对麻花钻的磨损形式,提出基于机器视觉的加工刀具磨损监测方法. 根据磨损刀具图像的灰度分布特点,提出基于积分图加速和Turky bi-weight核函数的非局部均值去噪方法;采用单、双阈值大津法获取磨损区域的灰度区间,实现对图像的自适应对比度增强;提出基于形态学重构方法的磨损区域局部极值点提取方法,有效完成对磨损区域的检测和边界提取. 该刀具磨损检测方法成功应用于麻花钻头磨损状态的监测过程,实验结果表明,相较于目前已有的机器视觉监测方法,所提出的方法具有更高的检测精度和效率,准确地提取磨损轮廓,从而有效实现对刀具磨损状态的监测和自动化监控加工过程,达到降低人工成本和产品不合格率的目的.     

刀具磨损监测设计与研究

为获取变切削条件下刀具磨损量，对刀具磨损补偿值进行了分析研究。在合理选择人工神经网络模型的基础上，建立了切削条件下铣削磨损监控系统。依据机床相关切削参数，运用了人工神经网络的方法对铣削数据进行处理，以实验方法研究了高速钢立铣刀后刀面磨损BP网络对铣刀的磨损量预报。实验表明：该模型适用于变切削条件下的铣刀磨损监控，可以较准确地监控铣刀的剧烈磨损。     

Turning Affected Layers of GH4169 with Worn Tools

车削GH4169过程中的刀具磨损与表面影响层研究

孙剑飞^1,2,3*,侯广厦¹,王天明¹,陈五一^1,2

（1.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京 100191;

2.先进航空发动机协同创新中心,北京 100191;

3.北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心,北京 100191）

创新点说明：

本文创新提出切削时间范围、刀具磨损状态、表面残余拉应力水平间的映射关系,以及刀具磨损状态、表面残余应力层、表面变质层间的映射关系。一方面,通过控制刀具的切削时间范围,找到一种新的表面完整性预测与控制策略;另一方面,从工件表面完整性的角度提出一种新的刀具磨损评价方法。

研究目的：

切削加工是一个动态过程,在切削条件一定时,刀具磨损问题会引起工件表面完整性的差异,这种表面完整性的不一致性严重影响了航空发动机关键结构件的疲劳性能。本文研究旨在通过控制刀具磨损状态,实现对工件表面完整性的一致性控制,并从工件的角度实现对刀具磨损状态的评价。

研究方法：

(1) 在、、的切削参数下进行车削实验。以切削距离55mm (切削时间约7.37min)为一个切削单元,使用6个全新的涂层硬质合金车刀片分别进行1~6个切削单元下的切削实验,保留所有刀片和已加工表面以进行检测分析;

(2) 获取6个刀具的磨损状态,包括前刀面磨损、后刀面磨损,得到刀具磨损曲线、磨损率以及相邻两个切削单元间的磨损变化率;刀具形貌和后刀面磨损量VB的检测分析使用Dino-Lite AD4113T数码显微镜及其配套软件进行。

(3) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行残余应力检测,得到表面残余应力沿深度方向的分布规律;残余应力的检测分析使用PRISM激光小孔电子散斑干涉残余应力分析仪及其配套软件进行。

(4) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行制样与变质层检测,得到变质层形态及厚度的变化规律;变质层的检测分析使用OLYMPUS OLS4100共聚焦显微镜及其配套软件进行。

(5) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行表面粗糙度检测,得到表面粗糙度的变化规律;表面粗糙度的检测分析使用TIME 3220移动式粗糙度测量仪及其配套软件进行。

研究结果：

(1) 刀具处于初期磨损的切削时间约为6min,在切削时间30min左右时发生剧烈磨损,但在45min以前磨损量增长较为稳定。根据不同切削时间下磨损量的变化率对刀具磨损范围进行划分,获得五种刀具磨损状态：S1 (0-15min);S2 (15-22min);S3 (22-30min);S4 (30-37min);S5 (37min以后)。由于初期磨损时间较短,本文将其归入S1状态下,不作单独考虑。

(2) 不同刀具磨损状态下获得的加工表面残余应力虽不尽相同,但在深度方向上整体呈现出明显的“勺”型分布趋势,轴向和周向的应力曲线基本吻合。用拉应力峰值来表征残余应力水平,发现随着刀具磨损量的增加,残余应力水平与刀具磨损量的变化率存在一致性规律。

(3) 已加工表面10以内存在加工变质层,变质层内材料沿周向产生拉伸变形。随着刀具磨损量的增加,加工表面变质层的厚度与周向表面残余应力层的厚度存在一致性规律。

(4) 表面粗糙度是评价加工表面完整性的重要指标。随着刀具磨损量的不断增加,表面粗糙度Ra略有增大但增幅较小,在S5状态下粗糙度激增,表明刀具已经不适合继续进行切削加工。刀具磨损对粗糙度指标Rz的影响更大。

结论：

本文使用涂层硬质合金刀具,在、、的切削参数下,对镍基高温合金GH4169车削过程中的刀具磨损与表面影响层状况进行了研究。主要得到以下结论：

(1) 刀具总的切削时间应控制在37min以内,在6min左右时迅速进入正常磨损阶段,在30分钟左右时进入剧烈磨损阶段。按照刀具磨损量的变化率,可分为五种刀具磨损状态：S1 (0-15min);S2 (15-22min);S3 (22-30min);S4 (30-37min);S5 (37min以后)。

(2) 加工表面影响层的性质受副后刀面处的刀尖磨损影响严重。在连续切削过程中,由于刀具磨损的存在,刀尖位置发生偏移,实际切削深度减小,已加工表面和刀具副后刀面间的接触状态发生变化。

(3) 以刀具磨损状态为纽带,形成切削时间与残余应力水平间的映射,可实现对表面残余应力的预测。0-15min：周向450MPa,轴向330MPa;15-22min：周向360MPa,轴向120MPa;22-30min：周向560MPa,轴向300MPa;30-37min：周向100MPa,轴向60MPa;37min以上：周向320MPa,轴向470MPa。当工件残余应力水平低于400MPa时,可认为对应的刀具切削状态良好。

(4) 在15-22min和30-37min的刀具切削时间范围内,能够获得表面影响层状态较为一致的已加工表面,因此该处于该时间范围内的刀具应被用于关键零件结构的加工中。在切削时间37min以后,已加工表面粗糙度剧增,此时刀具不再适合继续用于加工,需及时更换。

关键词：刀具磨损,残余应力,加工影响层,表面完整性,高温合金

     

PCBN刀具和陶瓷刀具精车铜镍合金的切削性能研究

对PCBN刀具和陶瓷刀具精车铜镍合金MS204的车削性能进行了对比试验研究．基于实际观测数据,分析了PCBN刀具和陶瓷刀具后刀面磨损量及其所加工零件的表面粗糙度、毛刺高度随切削速度变化的情况．利用最小二乘法,给出了PCBN刀具和陶瓷刀具加工铜镍合金MS204的最优切削速度范围．