一种基于反转形貌法的刀具磨损三维形貌原位检测方法

摘要

本发明公开了一种基于反转形貌法的刀具磨损三维形貌原位检测方法，包括以下步骤：选取软金属作为磨损形貌刻印材料；将刀具放置于盛有丙酮溶液的烧杯中进行超声清洗；确定测量标记点；将待加工的工件和软金属分别用夹具安装在机床的不同位置；控制机床移动将刀具缓慢拔出，使用该刀具对工件进行加工；获取磨损后刀具在软金属上的压印的三维形貌；取下软金属，用非接触式表面轮廓测量仪对软金属进行测量；对测量图像进行处理。本发明可以对刀具磨损区的三维形貌进行原位测量，测量精度高，测量过程简单。本发明中工件和软金属装夹在不同的位置，复刻磨损形貌时不需要拆卸工件，避免了工件拆装对后续加工造成较大的误差。本发明可以实现原位检测。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种基于反转形貌法的刀具磨损三维形貌原位检测方法。

背景技术

随着科学技术日新月异的发展，超精密加工逐渐成为了现代高技术战争的重要支撑技术，也是现代高科技产业和科学技术的发展基础以及现代制造科学的发展方向。但是，对于超精密加工而言，必须要有符合要求的超精密加工工具，金刚石刀具就是其中一种。金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点，在日常生产以及高精密生产中的应用十分广泛，目前已用于非金属硬脆材料，如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。其中，刀具磨损对于工件的表面加工质量有着非常重要的影响，刀具磨损后，会使加工表面的粗糙度增大，影响工件的加工精度，并会导致切削力增大、切削温度升高，甚至会产生振动，不能进行正常的切削。为了避免上述问题的产生，需要对刀具的磨损进行测量，根据测量的结果来判断是否要换刀。但是，对于刀具磨损的检测较为困难，无法实现实时监控和在线监测，且检测技术较为繁琐，这大大限制了其应用领域和范围，所以刀具磨损程度的测量技术及表征方法成为了当代学者研究的重点。

目前金刚石刀具磨损程度的测量方法主要有：光学显微测量方法、扫描电子显微镜方法、原子力显微镜方法。光学显微测量方法会受到光的衍射效应的影响，不能满足纳米级的测量要求；采用扫描电子显微镜测量时，需要在刀具表面涂覆一层导电薄膜材料，会对刀具产生污染；原子力显微镜(AFM)虽然具有极高的分辨率与测量精度，但其测量范围仅为2-4μm，无法准确表征参与切削刃区域刃口的准确形貌，且原子力测量设备很难在机床上做到高度集成，一般用于线下测量。中国专利CN200910031737.9公开了一种基于形状复制的数控铣削加工刀具磨损测量方法，该方法将工件材料和复印材料安装在同一数控机床工作台上，将加工前后的刀具形貌分别复制到复印材料上，通过对前后所复制的形貌进行仪器测量、数学处理来实现对刀具磨损的测量，该方法可以大大提高机床的利用率，但是这种方法没有考虑加工过程中刀具上粘连的切屑等杂质，这将影响测量精度，所以无法满足高精度刀具的测量，此外，这种方法需要将工件拆卸后进行测量，这会影响后续的加工精度。中国专利CN104463887A公开了一种基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具磨损检测方法，该方法通过电荷耦合元件(CCD)显微镜对刀具磨损区域进行分层聚焦采集图像，后期通过对分层图像的亮度方差作比较的方法确定每张分层图像的清晰区域，并用医学影像控制系统(MIMICS)软件对所得的图像进行三维重建，最终得到刀具磨损区域的三维形貌图。但该方法采集图像受成像感光芯片像元和感光灵敏度所限，并且对图像处理过程要求很高。当前影响超精密切削加工的加工精度的参数很多，如刀具与工件的接触、刀具的几何形状(包括刃口轮廓)、切削刃锋利度和刀具表面等因素。所以对刀具磨损的检测不能仅仅局限于对刀具切削刃的磨损检测，而是应该对于参与切削的部分进行全部检测，进而运用软件进行图像处理，得出各部分的磨损量，最后根据标准判断该刀具是否已经不能再参与切削。因此，使用测量范围更广的三维形貌测量是很有必要的。

上述检测方法虽然都能反映刀具的磨损程度，但也存在测量精度不高、受到外界因素影响过多、测量过程较为繁琐等缺点。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种测量精度高、测量过程简单且不影响加工精度和加工效率的基于反转形貌法的刀具磨损三维形貌原位检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于反转形貌法的刀具磨损三维形貌原位检测方法，包括以下步骤：

第一步，选取软金属作为磨损形貌刻印材料，对其表面进行研磨，以改善其表面粗糙度以及平面度，减小压印过程中因基材表面质量差而引起的误差。

所述的软金属的杨氏模量大于100GPa且屈服强度小于40MPa。

第二步，将刀具放置于盛有丙酮溶液的烧杯中，超声清洗半个小时，去除未加工刀具表面的油污和其他杂质，防止压入时不能准确刻印刀具形貌。

第三步，确定测量标记点

根据刀具特性，选取刃磨区域与非刃磨区域的交点做为测量标记点a、b、c。测量刀具磨损时，以标记点a、b、c在软金属上留下的痕迹做定位，根据此点的定位功能，保证刀具磨损前后测量路径一致。

第四步，将待加工的工件和软金属分别用夹具安装在机床的不同位置，具体来说：工件安装在机床主轴上，软金属安装于主轴附近且不干涉工件加工的位置。控制机床移动使刀具的切削刃缓慢压入软金属的表面，将该切削刃的磨损形貌刻印到软金属上。压印过程中要控制压入力的大小，以便压印过程不会损坏切削刃。

所述刀具切削刃压入软金属深度保证第三步中选取的标记点压印入软金属内；

第五步，控制机床移动将刀具缓慢拔出，使用该刀具对工件进行加工。

第六步，待工件加工完成，将磨损后的刀具在同样的条件、同样的操作下重复进行上述的第二步、第四步和第五步的步骤，获取磨损后刀具在软金属上的压印的三维形貌。

第七步，取下软金属，用非接触式表面轮廓测量仪对软金属进行测量，步骤如下：

将软金属放置于测量平台上，手动调整操纵杆找到测量区域，微调操纵杆，将视场内的测量区域调整至测量屏幕内出现2～4个条纹且条纹清晰时，设置好测量间隔及测量长度后，点击测量图标后几秒内即得到刀具的三维形貌。及时测量软金属，避免金属在空气中氧化导致较大的测量误差。

第八步，对第七步中的测量图像进行处理。

在相同的坐标系和坐标原点下，设磨损前刀具每个点的坐标为Xn、Yn、Zn，磨损后每个点的坐标为xn、yn、zn，n为正整数，且磨损前后选取标记点a作为坐标原点，将加工前后的所测得的三维形貌依据标记点进行坐标重合。由于坐标重合后，刀具的磨损相当于刀具只在Y方向坐标发生了变化，计算对应点的高度差dn＝Yn-yn，得到所有位置的高度差，即得到刀具磨损区的磨损量。

本发明的有益效果为：

1、本发明所提出的测量方法，可以对刀具磨损区的三维形貌进行原位测量，测量精度高，测量过程简单。

2、本发明中工件和软金属装夹在不同的位置，复刻磨损形貌时不需要拆卸工件，避免了工件拆装对后续加工造成较大的误差。

3、本发明在测量时只需拆卸软金属，不需要拆卸刀具，避免了每次测量都拆卸刀具的麻烦。

4、本发明可以实现原位检测，同时可以提高加工效率，节省加工时间。

附图说明

图1为本发明的操作步骤流程图；

图2为压印过程示意图；

图3为定位示意图；

图4为磨损前后对比图；

图5为车刀压印过程示意图；

图6为铣刀压印过程示意图；

图7为测量装置示意图。

图中：1、工件，2、软金属，3、车刀，4、铣刀，5、非接触式表面轮廓测量仪，6、磨损区。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施案例1：如图1-5所示，对车刀3的磨损在软金属2上进行表征，然后用图7的方法测量刀具磨损；

第一步，选取尺寸为Φ100mm、厚度为10mm的软金属2，对其表面进行研磨，达到一定表面粗糙度和平面度后，用去离子水清洗，并进行干燥处理。

第二步，将车刀3放置于盛有丙酮溶液的烧杯中，超声清洗半个小时，去除刀具表面残留的油污和其他杂质。

第三步，在未发生磨损的刀具表面选取刃磨区域与非刃磨区域的交点做为测量标记点a、b、c。

第四步，将要加工的工件1和软金属2分别安装在机床的不同位置上，工件1装在主轴上，软金属2安装在主轴附近且不干涉工件1加工的位置。控制机床移动使车刀3缓慢压入软金属2中，将该刀具前刀面，后刀面及切削刃的磨损形貌压印到软金属2上。

第五步，控制机床移动使车刀3和软金属2相互分离，车刀3移动至加工工位对工件1进行加工。

第六步，待加工完成后，将磨损后的刀具在同样的条件、同样的操作下重复进行上述的第二步、第四步和第五步的步骤，获取磨损后刀具在软金属2上的压印的三维形貌。

第七步，取下软金属2，将软金属2放置于非接触式表面轮廓测量仪5上，通过手动调整至测量屏幕内出现2～4个条纹且条纹清晰可见时，设置测量间隔和测量长度后测量得到车刀3磨损处在磨损前后的三维形貌。

第八步，将加工前后的所测得的三维形貌依据标记点进行重合比对，通过对应点磨损前后的坐标信息，计算处理得到对应点的高度差，进一步得到车刀磨损区6的磨损量。

实施案例2：如图1-4和图6所示，对铣刀4的磨损在软金属2上进行表征，然后用图7的方法测量刀具磨损；

第一步，选取尺寸为Φ100mm，厚度为10mm的软金属2，对其表面进行研磨，达到一定表面粗糙度和平面度后，用去离子水清洗，并进行干燥处理。

第二步，将铣刀4放置于盛有丙酮溶液的烧杯中，超声清洗半个小时，去除刀具表面残留的油污和其他杂质。

第三步，在未发生磨损的刀具表面选取刃磨区域与非刃磨区域的交点做为测量标记点a、b、c。

第四步，将要加工的工件1和软金属2分别用夹具安装在铣床工作台的不同位置上，工件1装在主轴上，软金属2安装在主轴附近且不干涉工件1加工的位置。控制机床移动使铣刀4缓慢压入软金属2中，将该刀具前刀面，后刀面及切削刃的磨损形貌压印到软金属2上。

第五步，控制机床移动使铣刀4和软金属2相互分离后取下软金属2，铣刀4移动至加工工位对工件1进行加工。

第六步，待加工完成后，将磨损后的刀具在同样的条件，同样的操作下重复进行上述的第二步、第四步和第五步的步骤，获取磨损后刀具在软金属2上的压印的三维形貌。

第七步，取下软金属2，将软金属2放置于非接触式表面轮廓测量仪5上，通过手动调整至测量屏幕内出现2～4个条纹且条纹清晰可见时，设置测量间隔和测量长度后测量得到铣刀磨损区6在磨损前后的三维形貌。

第八步，将加工前后的所测得的三维形貌依据标记点进行重合比对，通过对应点磨损前后的坐标信息，计算处理得到对应点的高度差，进一步得到铣刀4的磨损量。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。