淺談刀具可靠性研究

1、淺談刀具的可靠性研究1緒論刀具是機床最為重要的零部件之一，其完好程度直接關(guān)系到機床的加工精度。 在加工過程中，刀具在件表面上滑動，相互z間存在著極大的摩擦力，故刀貝也 是機床屮最容易發(fā)生失效的部件。據(jù)統(tǒng)計，由于刀具失效導致的停機時間超過了 機床被迫停機時間的三分之一。因此，怎樣提高機床，特別是高檔連續(xù)加工機床 刀具的平均故障間隔吋間，已經(jīng)成為當前機械裝備制造領(lǐng)域i個至關(guān)重要的研究 課題。而刀具的漸變可靠性是指在機床運行過程中，刀具在規(guī)定的時間和規(guī)定的 條件卜不發(fā)生漸變失效的能力。開展刀具可靠性的研究，不僅有助于提高刀具的 平均故障間隔時間，還是刀具進行維修優(yōu)化以達到減少維修成本的基礎(chǔ)。當前，已

2、經(jīng)有不少的研究者對機床刀具的可靠性進行了研究，可將其歸納為 三類方法。第一類是采用確定的方法來研究刀具的失效問題，。這一方法忽略了 刀具的失效是一個典型的隨機問題。第二類方法假設(shè)刀具的劣化狀態(tài)只有兩種， 即完好狀態(tài)和失效狀態(tài)。采用這一方法研究了加工條件對刀具可靠性的影響。liu 等忙在使用這類方法研究刀具的可靠性時，采用的數(shù)據(jù)為刀具的失效時間。由于 這類方法假設(shè)刀具的狀態(tài)只有兩種，故不是非常地合理，于是提出了第三類方法， 該方法假設(shè)刀具劣化過程是連續(xù)吋間離散狀態(tài)的。在研究刀具的可靠性吋采用了 非齊次連續(xù)時間離散狀態(tài)的馬爾科夫過程來描述刀具的劣化過程，其他的文獻也 對這類方法做出了貢獻。這類方法

3、雖然比前兩類方法更加接近于實際，但與連續(xù) 時間、連續(xù)狀態(tài)的刀具劣化過程還是有一定的差距。刀具的失效主要有兩種方式，笫一種是斷裂失效，而另一種是因磨損過量而 導致的失效。斷裂失效通常是由于加工條件的選擇過當造成，在刀具的可靠性分 析中可以忽略這一失效形式。刀具的磨損是一個典型的連續(xù)時間、連續(xù)狀態(tài)的隨 機過程，并且由于不可口我修復，也是一個增量非減的過程。2. 刀具可靠性的預測方法2.1加工質(zhì)量來預測刀具可靠性刀具可靠性的預測，可分為兩種方法，一種是有加工質(zhì)量來預測刀具可靠性, 傳統(tǒng)的基于樣本壽命統(tǒng)計基礎(chǔ)上的可靠性分析方法得到的是設(shè)備整體可靠性估 計，對于正在運行的單臺或小批量設(shè)備，這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)的

4、意義不大，人們更關(guān)心 的是當前所用設(shè)備的壽命裕度可靠性。作為設(shè)備運行過程的一種退化信息，加工 質(zhì)量能夠?qū)崟r反映設(shè)備的性能、精度，準確判定設(shè)備的吋間、動態(tài)特性?；诠?件加工質(zhì)量信息而提出的的可靠性預測方法，預測所采用的工貝是bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)輸入為工件加工質(zhì)量向量，這些指標能夠反映設(shè)備性能退化過程，具冇明顯 趨勢性變化和明確失效閾值定義。網(wǎng)絡(luò)輸出為設(shè)備運行到某一時刻時不同指標值 所對應的瞬吋可靠度。其屮瞬吋可靠度的確定是預測結(jié)果正確與否的關(guān)鍵，木文 結(jié)合baves方法和km評估器思想，以大于性能退化指標觀測值的正常樣本數(shù)0 和所有樣木數(shù)目比值連乘積作為設(shè)備的i舜時可靠度，這種算法簡單高效，而

5、且不 需耍對設(shè)備進行失效概率密度函數(shù)(pdf)估計，所以不會因樣本太少而引起大的 估計誤差。通過對實際刀具可靠度的準確預測，驗證了該方法的有效性。2. 2狀態(tài)監(jiān)測來預測刀具可靠性針對數(shù)控機床類退化失效型設(shè)備，提出了一種基于設(shè)備運行狀態(tài)信息的可靠 性預測方法，主耍包括狀態(tài)特征指標選取、瞬時可靠度計算以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模 型的建立和應用.其中，瞬時可靠度計算是準確預測的關(guān)鍵，結(jié)合bayes方法和 km估計器思想提出的基于狀態(tài)特征指標比例關(guān)聯(lián)關(guān)系的瞬吋可靠度算法簡單高 效.針對刀具加工過程中的磨損量時變數(shù)據(jù)，以口j靠度為評價標準，正確預測出 了刀具的失效時間，該過程表明設(shè)備狀態(tài)信息用于可靠性預測的可行

6、性和有效性, 是未來可靠性發(fā)展的一個重要方向。傳統(tǒng)的基于樣本壽命統(tǒng)計基礎(chǔ)上的可靠性分析方法得到的是設(shè)備的整體可 靠性佔計，但對于正在運行的單臺或小批量設(shè)備，這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)的意義則不大， 人們更關(guān)心的是當前所用設(shè)備的壽命裕度和口j靠性.設(shè)備運行過程的狀態(tài)信息能 夠?qū)崟r反映設(shè)備的運行性能、精度，準確判定設(shè)備的時間、動態(tài)特性，揭示產(chǎn)品 失效與性能退化z間的關(guān)系.國內(nèi)外很多專家已經(jīng)意識到設(shè)備運行狀態(tài)信息在設(shè) 備性能退化和可靠性評估中的重要性，并做了一些相關(guān)的研究和應用。一種方法 是選用軸承振動信號故障特征頻率及諧波頻率的幅值變化作為退化指標，來計算 軸承的剩余壽命及其分布另一種方法是將鉆削加工過程中推力

7、和扭矩變化作為 退化信號，對鉆頭的磨損狀況進行監(jiān)測并對刀具的可靠性進行了在線預測.還有 人利用二代小波方法捉取端銃刀加工過程屮聲發(fā)射信號特征頻率處的幅值變化 信息，運用馬氏距離評估方法對其損傷程度進行了定量診斷。預測所采用的工具是bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入為設(shè)備的狀態(tài)特征指標向量， 這些指標能夠反映設(shè)備性能的退化過程，具冇明顯的趨勢性變化和明確的失效閾 值定義.網(wǎng)絡(luò)輸出為設(shè)備運行到某一時刻時不同指標值所對應的ii舜時可靠度，其 屮瞬時可靠度的確定是預測結(jié)果正確與否的關(guān)鍵，常見的處理方法是先估計出狀 態(tài)特征指標在某一時刻的概率密度函數(shù)(pdf),然后由失效閾值和指標觀測值所 界定的區(qū)間積分來計算相應

8、的瞬吋可靠度。但是，這種方法需要考慮失效pdf 的選擇是否合適，并對觀測樣本的數(shù)量有要求，特別是當設(shè)備接近失效時，如果 樣木數(shù)太少，所估計出來的模型參數(shù)誤差就很大。結(jié)合bayes方法和km評估器思想，以大于狀態(tài)特征指標觀測值的正常樣本 數(shù)目和所有樣本數(shù)目比值的連乘積作為設(shè)備的瞬時可靠度，使算法簡單高效，而 且不需要對設(shè)備進行失效pdf估計，所以不會因樣木數(shù)太少而引起大的估計誤 差.通過對實際刀具可靠度的準確預測，驗證了該方法的有效性。2. 3 利用 logi st i c數(shù)學模型來預測刀具可靠性logistic冋歸模型是二分類因變量進行冋歸分析時經(jīng)常使用的統(tǒng)計分析方 法，由于充分考慮了內(nèi)稟增長

9、率和環(huán)境因素限制兩方面的因素，因此在生態(tài)學、 臨床醫(yī)學和流行病學等方面獲得了廣泛的應用.logistic回歸模型可在一系列 狀態(tài)特征參數(shù)表征卜給出事件發(fā)生的概率，為決策者的結(jié)杲分析和預測提供依據(jù), 這種做法與設(shè)備可靠性評估的思想是一致的。在機械設(shè)備性能評估和剩余冇效壽 命預測應用研究方面，一些專家已經(jīng)做了一些有意義的探索性工作。相關(guān)學者基 于歷史失效數(shù)據(jù)建立logistic,利用在線信號特征對設(shè)備性能進行評估，并采 用armr模型估計設(shè)備有效剩余壽命。ca0等人采用logistic回歸模型建立起退 化參數(shù)與失效概率間的映射關(guān)系，并采用svr退化趨勢預測方法估計設(shè)備剩余有 效壽命。l1a0等利用

10、比例危險模型和logistic 0歸模型預測軸承壽命。本文針 對在線測量的刀具振動信號，利用小波包分解方法和相關(guān)分析提取表征刀具磨損 狀態(tài)的能量和吋域特征，結(jié)合刀具狀態(tài)信息，建立logistic可靠性模型，對車 床刀具進行運行性能評估。雖然數(shù)控車床在運行時主軸具有穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)頻率，但是在切削加工過程中, 丿j具與工件始終是相互接觸的，其振動信號沒有類似旋轉(zhuǎn)機械故障的調(diào)幅調(diào)頻現(xiàn) 象出現(xiàn)，所以不可能通過查找某些特征頻率或其幅值變化的方法進行分析。但是 研究發(fā)現(xiàn)，與刀具磨損相關(guān)的特征主耍集中丁某些特定頻帶上，隨著磨損程度不 同，頻帶特征也發(fā)生相應的變化。因此可以利用時頻分析技術(shù)先對刀具振動信號 進行分

11、解，找出這些特定頻帶及頻帶上的顯著特征，然后結(jié)合logistic冋歸模 型進行可靠性預測。其主要步驟如下所述。步驟1：信號獲取。通過試驗測取車刀加工過程中的振動信號和相應磨損量 數(shù)據(jù)。步驟2：信號分析和特征捉取。利用正交小波基函數(shù)對振動信號進行小波包 分解，對各頻帶能量變化與刀具磨損量進行相關(guān)分析，找出刀具磨損量特征頻帶; 計算特征頻帶信號吋域特征，與刀具磨損量進行相關(guān)分析，提取刀具磨損量顯著 指標；以相關(guān)系數(shù)人小為依據(jù)，選取合適的頻帶能量、能量爛、時域指標組成輸 入特征矢量；參照相應標準，確定刀具失效閾值和刀具狀態(tài)。步驟3：建模應用。利用步驟2屮數(shù)據(jù)建立logistic回歸模型，對其他正 在

12、運行的刀具進行可靠性評估和失效壽命預測，指導生產(chǎn)維修決策。3. 高速切削刀具系統(tǒng)的可靠性曲于傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法對高速切削刀具系統(tǒng)的可靠性進行評價，而刀具系 統(tǒng)的可靠性直接決定著整個刀具系統(tǒng)的使用性能，因此對刀貝系統(tǒng)的可靠性研究 冇利于其設(shè)計使用。由于影響刀柄強度的參數(shù)如材料的性能、尺寸、表而質(zhì)量等 均為隨機變量，同時影響刀柄應力的參數(shù)如載荷工況、應力集中、工作溫度、潤 滑狀態(tài)也都是隨機變量，因此刀柄強度和工作應力均為隨機變量?？煽啃栽O(shè)計方 法與傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要區(qū)別就是在于前者考慮了載荷和零部件的尺寸及材料 性能的數(shù)據(jù)分散性。3.1高速切削刀具系統(tǒng)的失效形式1. 夾緊機構(gòu)的失效一個完整的高效夾

13、緊機構(gòu)的作用包括：產(chǎn)生夾緊力、控制夾緊力、維持夾緊 力、放大夾緊力和傳遞夾緊力。從目前的研究來看夾緊機構(gòu)的失效主要是由于夾 緊力不足（原始夾緊力不足或在工作過程屮由于夾緊機構(gòu)維持夾緊力能力的欠缺 而導致的傳遞到刀柄端面與主軸端面之間的夾緊力過?。┦沟侗F體部分在較小 的徑向力作用下發(fā)生彈性變形失效，以及由于夾緊系統(tǒng)的使用不當而導致夾緊彈 簧的松弛、磨損和拉桿斷裂。當夾緊力太小吋，使端面接觸剛度降低，進而導致 刀柄徑向剛度的降低。有關(guān)機構(gòu)對生產(chǎn)中的加工中心（機床）的實際使用夾緊力進 行調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大部分機床實際使用的夾緊力只冇規(guī)定夾緊力的70%左右， 最低的僅有30%,這不僅對高速加工甚至對于

14、普通加工都是十分危險的。2. 刀柄的失效高速下刀柄薄壁錐體部分以及其與主軸端面接觸的實體法蘭之間的過渡區(qū) 域在錐體彈性變形過程中容易引起應力集中，因此在較高的切削力和離心力的作 用下，經(jīng)過重復裝夾，引起刀柄破裂茯至斷裂。此外，還存在由于使用時夾緊力 不足、選擇的刀柄不合適、過大的彎矩或者過大的扭矩所引起的張動鍵槽的斷裂、 300夾緊面產(chǎn)生裂紋、刀柄根切部位所產(chǎn)生的咬邊區(qū)裂紋、徑向孔裂紋以及徑向 孔與驅(qū)動槽z間的裂紋導致的刀柄失效。3. 主軸/刀柄聯(lián)接失效主軸/刀柄聯(lián)接是靠主軸與刀柄的錐面和端面的雙重定位來實現(xiàn)定位作用 的。但在高速下巨人的離心力使主軸和刀柄薄壁錐體部分接觸區(qū)域發(fā)生彈性變形, 使主軸和刀柄錐面間出現(xiàn)間隙而引起刀柄錐面定位失效，以及在使用中由于施加 了過大的載荷而引起的刀柄端而定位失效。當?shù)侗艿降膹较蜉d荷很大時，會使 刀柄法蘭和主軸端面之間出現(xiàn)間隙，進而導致聯(lián)接系統(tǒng)的剛度和加工精度顯著降 低。3. 2高速切削刀具系統(tǒng)可靠性計算計算主要討論的是刀柄/主軸的聯(lián)接性能的可靠度。在材料允許的范圍內(nèi)，對刀 具系統(tǒng)可靠性分析時，首先耍研究刀柄與主軸z間的接觸應力，在求解接觸應力 時，應對過盈量、夾緊力、切削力的作用進行綜合考慮，但是在之前的研究中發(fā) 現(xiàn)