指导教师：左敦稳 教授
论文题目：大型滚珠丝杠硬旋铣刀具刃口表征及评价技术
答辩委员会：
主席：王耀华 教授/博导 中国人民解放军陆军工程大学
委员：孙序泉 研究员 南京数控机床有限公司
袁军堂 教授/博导 南京理工大学
左敦稳 教授/博导 南京航空航天大学
朱永伟 教授/博导 南京航空航天大学
徐 锋 教授/博导 南京航空航天大学
孙玉利 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：黎向锋 教授/博导 南京航空航天大学
答辩时间：2018年12月15日9:00
地 点：南航明故宫校区15#341
本文针对大型滚珠丝杠硬旋铣加工过程中刀具刃口参数与加工条件缺乏合理匹配的理论依据，刀具非正常磨损严重的问题，从刀具刃口精密测量、统一表征着手，提出了刀具刃口结构优化的新思路。依据硬旋铣加工工艺及硬旋铣刀具结构特点，发展了基于激光扫描共聚焦测量技术和分形插值理论为基础的刀具刃口高效、精密测量及表征方法，利用仿真及试验研究了刃口参数对丝杠滚道加工质量、刀具寿命的影响，为加工工艺参数及刃口参数优化提供了理论指导和技术支持。论文的主要工作如下：
（1）刀具刃口精密测量方法
分析了激光扫描共焦显微技术的测量特点，提出了基于激光扫描共焦显微镜（Laser Scanning Confocal Microscope, LSCM）的刀具刃口精密测量方法，分析了基于LSCM方法的测量精度和不确定度。研究表明激光扫描共焦显微技术，能够高效获取刀具刃口的丰富信息，测量精度较好，测量结果标准不确定度为0.08μm，可作为刀具刃口非破坏式高效、精密测量的有效手段。
（2）硬旋铣刀具刃口曲面重构技术
根据滚珠丝杠硬旋铣加工刀具的廓形特点，建立了刀具刃口稀疏采样及处理方法。研究了基于曲率差分刀具刃口截面线分界点识别和数据展平处理方法，为刀具刃口圆弧拟合以及刃口曲面高精度重构提供了基础。研究了刀具刃口曲面的分形插值重构方法，为刀具刃口精确建模以及表征提供了便利。在保证精度的前提下，基于LSCM线扫描和分形插值的刃口重构方法所需时间约为面扫描方法的3%左右，效率提升明显。
（3）刀具刃口表征方法
在刃口曲面分形插值的基础上，研究了包含刃口圆弧半径、刃口曲面分形维数和形状系数的双尺度多指标表征方法，为硬旋铣加工刀具刃口对其切削性能的影响评价提供了统一标准。
（4）硬旋铣加工过程建模
分析了硬旋铣加工的基本原理和运动特点，基于瞬时切削体积等效的原则建立了硬旋铣加工的简化模型，从切屑形态和切削力两方面验证了模型的有效性。利用等效模型，研究了刃口参数对切削温度和切削力的影响规律。结果表明，在设定加工参数的前提下，存在一个优化的刀具刃口圆弧半径，考虑微观特征的刃口切削力模拟结果更准确，与实验值的误差为3.95%。
（5）硬旋铣加工试验研究
利用实验方法研究了切削用量和刀具刃口参数对切削力和切削温度的影响规律。结果表明，采用小进给和高切速的组合有利于减小切削力，降低切削温度。在保证刃口强度、避免刃口破损的前提下，选择较小的刃口圆弧半径和倒棱参数组合也会减小切削力和切削温度。硬旋铣加工丝杠滚道表面均呈残余压应力状态，应综合考虑加工表面质量和加工效率，尽量选择中、低范围的的进给量和较高的切削速度。当采用小刃口半径时，增加倒棱尺尺寸，有利于降低滚道表面粗糙度；在大刃口半径情况下，增加倒棱尺寸时加工表面粗糙度呈增加趋势。
（6）大型滚珠丝杠硬旋铣加工刀具的磨损机理
采用实验方法研究了大型滚珠丝杠硬旋铣加工刀具的磨损形式、磨损机理及刀具寿命，分析了刀具刃口参数对刀具寿命的影响规律。结果表明，一定范围内增加刃口钝化半径可提高刃口强度，刀具早期破损的发生概率降低约60%左右。优先条件下，应该采用相对较大的刃口钝化半径并通过及时刃磨来延长刀具寿命，保证丝杠滚道加工质量。利用仿真方法研究了刃口圆弧半径、形状系数以及刃口曲面分形维数对后刀面磨损量的影响规律，并得到了经验模型。
（7）硬旋铣刀具刃口优化技术
研究了硬旋铣加工刀具刃口受载及破损特点，提出了一种刃口非均匀钝化方法。通过失效形式对比，表明非均匀钝化刀具的整体抗破损性能突出，为大型滚珠丝杠硬旋铣加工刀具刃口的延寿设计提供了思路。
主要创新点如下：
（1）提出了基于激光扫描共焦技术的刀具刃口测量方法，实现了硬旋铣加工刀具刃口的非破坏式高效、精密测量。基于曲率差分方法实现了刀具刃口截面线分界点准确识别，创新地利用曲线展平后的分形插值技术建立了复杂曲线型刀具刃口的高效、精确重构方法。
（2）提出了包含刃口圆弧半径、形状系数及刃口曲面分形维度的双尺度多指标刃口表征方法，丰富了刀具刃口评价指标体系，为评价刃口对大型滚珠丝杠硬旋铣加工刀具切削性能影响提供了新途径。
（3）基于瞬时切削体积等效原则，综合考虑了刀具安装倾角、刀具轴向进给等因素，构建了硬旋铣加工过程的等效简化模型，其有效性从切削力和切屑形态两方面获得了实验验证，为硬旋铣加工机理研究提供了便利。
（4）依据大型滚珠丝杠硬旋铣加工刀具非均匀受载及失效呈现非均匀、局部化的特征，提出了一种与切削厚度相匹配的刀具刃口非均匀钝化的优化设计思路，并通过一种非均匀钝化实验初步验证了该思路的有效性。
