浅谈刀具可靠性研究

浅谈刀具的可靠性研究
1.绪论
刀具是机床最为重要的零部件之一，其完好程度直接关系到机床的加工精度。

在加工过程中，刀具在件表面上滑动，相互之间存在着极大的摩擦力，故刀具也是机床中最容易发生失效的部件。

据统计，由于刀具失效导致的停机时间超过了机床被迫停机时间的三分之一。

因此，怎样提高机床，特别是高档连续加工机床刀具的平均故障间隔时间，已经成为当前机械装备制造领域一个至关重要的研究课题。

而刀具的渐变可靠性是指在机床运行过程中，刀具在规定的时间和规定的条件下不发生渐变失效的能力。

开展刀具可靠性的研究，不仅有助于提高刀具的平均故障间隔时间，还是刀具进行维修优化以达到减少维修成本的基础。

当前，已经有不少的研究者对机床刀具的可靠性进行了研究，可将其归纳为三类方法。

第一类是采用确定的方法来研究刀具的失效问题，。

这一方法忽略了刀具的失效是一个典型的随机问题。

第二类方法假设刀具的劣化状态只有两种，即完好状态和失效状态。

采用这一方法研究了加工条件对刀具可靠性的影响。

LIU 等忙在使用这类方法研究刀具的可靠性时，采用的数据为刀具的失效时间。

由于这类方法假设刀具的状态只有两种，故不是非常地合理，于是提出了第三类方法，该方法假设刀具劣化过程是连续时间离散状态的。

在研究刀具的可靠性时采用了非齐次连续时间离散状态的马尔科夫过程来描述刀具的劣化过程，其他的文献也对这类方法做出了贡献。

这类方法虽然比前两类方法更加接近于实际，但与连续时间、连续状态的刀具劣化过程还是有一定的差距。

刀具的失效主要有两种方式，第一种是断裂失效，而另一种是因磨损过量而导致的失效。

断裂失效通常是由于加工条件的选择过当造成，在刀具的可靠性分析中可以忽略这一失效形式。

刀具的磨损是一个典型的连续时间、连续状态的随机过程，并且由于不可自我修复，也是一个增量非减的过程。

2.刀具可靠性的预测方法
2.1加工质量来预测刀具可靠性
刀具可靠性的预测，可分为两种方法，一种是有加工质量来预测刀具可靠性，传统的基于样本寿命统计基础上的可靠性分析方法得到的是设备整体可靠性估计，对于正在运行的单台或小批量设备，这些统计数据的意义不大，人们更关心的是当前所用设备的寿命裕度可靠性。

作为设备运行过程的一种退化信息，加工质量能够实时反映设备的性能、精度，准确判定设备的时间、动态特性。

基于工件加工质量信息而提出的的可靠性预测方法，预测所采用的工具是BP神经网络，网络输入为工件加工质量向量，这些指标能够反映设备性能退化过程，具有明显趋势性变化和明确失效阈值定义。

网络输出为设备运行到某一时刻时不同指标值所对应的瞬时可靠度。

其中瞬时可靠度的确定是预测结果正确与否的关键，本文结合Baves方法和KM评估器思想，以大于性能退化指标观测值的正常样本数目和所有样本数目比值连乘积作为设备的瞬时可靠度，这种算法简单高效，而且不需要对设备进行失效概率密度函数(PDF)估计，所以不会因样本太少而引起大的估计误差。

通过对实际刀具可靠度的准确预测，验证了该方法的有效性。

2.2状态监测来预测刀具可靠性
针对数控机床类退化失效型设备，提出了一种基于设备运行状态信息的可靠性预测方法，主要包括状态特征指标选取、瞬时可靠度计算以及神经网络预测模型的建立和应用．其中，瞬时可靠度计算是准确预测的关键，结合Bayes方法和KM估计器思想提出的基于状态特征指标比例关联关系的瞬时可靠度算法简单高效．针对刀具加工过程中的磨损量时变数据，以可靠度为评价标准，正确预测出了刀具的失效时间，该过程表明设备状态信息用于可靠性预测的可行性和有效性，是未来可靠性发展的一个重要方向。

传统的基于样本寿命统计基础上的可靠性分析方法得到的是设备的整体可靠性估计，但对于正在运行的单台或小批量设备，这些统计数据的意义则不大，人们更关心的是当前所用设备的寿命裕度和可靠性．设备运行过程的状态信息能够实时反映设备的运行性能、精度，准确判定设备的时间、动态特性，揭示产品失效与性能退化之间的关系．国内外很多专家已经意识到设备运行状态信息在设备性能退化和可靠性评估中的重要性，并做了一些相关的研究和应用。

一种方法是选用轴承振动信号故障特征频率及谐波频率的幅值变化作为退化指标，来计算轴承的剩余寿命及其分布．另一种方法是将钻削加工过程中推力和扭矩变化作为退化信号，对钻头的磨损状况进行监测并对刀具的可靠性进行了在线预测．还有人利用二代小波方法提取端铣刀加工过程中声发射信号特征频率处的幅值变化信息，运用马氏距离评估方法对其损伤程度进行了定量诊断。

预测所采用的工具是BP神经网络，网络输入为设备的状态特征指标向量，这些指标能够反映设备性能的退化过程，具有明显的趋势性变化和明确的失效阈值定义．网络输出为设备运行到某一时刻时不同指标值所对应的瞬时可靠度，其中瞬时可靠度的确定是预测结果正确与否的关键，常见的处理方法是先估计出状态特征指标在某一时刻的概率密度函数(PDF)，然后由失效阈值和指标观测值所界定的区间积分来计算相应的瞬时可靠度。

但是，这种方法需要考虑失效PDF 的选择是否合适，并对观测样本的数量有要求，特别是当设备接近失效时，如果样本数太少，所估计出来的模型参数误差就很大。

结合Bayes方法和KM评估器思想，以大于状态特征指标观测值的正常样本数目和所有样本数目比值的连乘积作为设备的瞬时可靠度，使算法简单高效，而且不需要对设备进行失效PDF估计，所以不会因样本数太少而引起大的估计误差．通过对实际刀具可靠度的准确预测，验证了该方法的有效性。

2.3利用Logistic数学模型来预测刀具可靠性
Logistic回归模型是二分类因变量进行回归分析时经常使用的统计分析方法，由于充分考虑了内禀增长率和环境因素限制两方面的因素，因此在生态学、临床医学和流行病学等方面获得了广泛的应用。

Logistic回归模型可在一系列状态特征参数表征下给出事件发生的概率，为决策者的结果分析和预测提供依据，这种做法与设备可靠性评估的思想是一致的。

在机械设备性能评估和剩余有效寿命预测应用研究方面，一些专家已经做了一些有意义的探索性工作。

相关学者基于历史失效数据建立logistic，利用在线信号特征对设备性能进行评估，并采用ARMR模型估计设备有效剩余寿命。

CAO等人采用logistic回归模型建立起退化参数与失效概率间的映射关系，并采用SVR退化趋势预测方法估计设备剩余有效寿命。

LIAO等利用比例危险模型和Logistic回归模型预测轴承寿命。

本文针对在线测量的刀具振动信号，利用小波包分解方法和相关分析提取表征刀具磨损状态的能量和时域特征，结合刀具状态信息，建立Logistic可靠性模型，对车
床刀具进行运行性能评估。

虽然数控车床在运行时主轴具有稳定的旋转频率，但是在切削加工过程中，刀具与工件始终是相互接触的，其振动信号没有类似旋转机械故障的调幅调频现象出现，所以不可能通过查找某些特征频率或其幅值变化的方法进行分析。

但是研究发现，与刀具磨损相关的特征主要集中于某些特定频带上，随着磨损程度不同，频带特征也发生相应的变化。

因此可以利用时频分析技术先对刀具振动信号进行分解，找出这些特定频带及频带上的显著特征，然后结合Logistic回归模型进行可靠性预测。

其主要步骤如下所述。

步骤1：信号获取。

通过试验测取车刀加工过程中的振动信号和相应磨损量数据。

步骤2：信号分析和特征提取。

利用正交小波基函数对振动信号进行小波包分解，对各频带能量变化与刀具磨损量进行相关分析，找出刀具磨损量特征频带；计算特征频带信号时域特征，与刀具磨损量进行相关分析，提取刀具磨损量显著指标；以相关系数大小为依据，选取合适的频带能量、能量熵、时域指标组成输入特征矢量；参照相应标准，确定刀具失效阈值和刀具状态。

步骤3：建模应用。

利用步骤2中数据建立Logistic回归模型，对其他正在运行的刀具进行可靠性评估和失效寿命预测，指导生产维修决策。

3.高速切削刀具系统的可靠性
由于传统的设计方法无法对高速切削刀具系统的可靠性进行评价，而刀具系统的可靠性直接决定着整个刀具系统的使用性能，因此对刀具系统的可靠性研究有利于其设计使用。

由于影响刀柄强度的参数如材料的性能、尺寸、表面质量等均为随机变量，同时影响刀柄应力的参数如载荷工况、应力集中、工作温度、润滑状态也都是随机变量，因此刀柄强度和工作应力均为随机变量。

可靠性设计方法与传统的设计方法主要区别就是在于前者考虑了载荷和零部件的尺寸及材料性能的数据分散性。

3.1高速切削刀具系统的失效形式
1．夹紧机构的失效
一个完整的高效夹紧机构的作用包括：产生夹紧力、控制夹紧力、维持夹紧力、放大夹紧力和传递夹紧力。

从目前的研究来看夹紧机构的失效主要是由于夹紧力不足(原始夹紧力不足或在工作过程中由于夹紧机构维持夹紧力能力的欠缺而导致的传递到刀柄端面与主轴端面之间的夹紧力过小)使刀柄锥体部分在较小的径向力作用下发生弹性变形失效，以及由于夹紧系统的使用不当而导致夹紧弹簧的松弛、磨损和拉杆断裂。

当夹紧力太小时，使端面接触刚度降低，进而导致刀柄径向刚度的降低。

有关机构对生产中的加工中心(机床)的实际使用夹紧力进行调查统计发现，大部分机床实际使用的夹紧力只有规定夹紧力的70％左右，最低的仅有30％，这不仅对高速加工甚至对于普通加工都是十分危险的。

2．刀柄的失效
高速下刀柄薄壁锥体部分以及其与主轴端面接触的实体法兰之间的过渡区域在锥体弹性变形过程中容易引起应力集中，因此在较高的切削力和离心力的作用下，经过重复装夹，引起刀柄破裂甚至断裂。

此外，还存在由于使用时夹紧力不足、选择的刀柄不合适、过大的弯矩或者过大的扭矩所引起的驱动键槽的断裂、300夹紧面产生裂纹、刀柄根切部位所产生的咬边区裂纹、径向孔裂纹以及径向
孔与驱动槽之间的裂纹导致的刀柄失效。

3．主轴／刀柄联接失效
主轴／刀柄联接是靠主轴与刀柄的锥面和端面的双重定位来实现定位作用的。

但在高速下巨大的离心力使主轴和刀柄薄壁锥体部分接触区域发生弹性变形，使主轴和刀柄锥面间出现间隙而引起刀柄锥面定位失效，以及在使用中由于施加了过大的载荷而引起的刀柄端面定位失效。

当刀柄受到的径向载荷很大时，会使刀柄法兰和主轴端面之间出现间隙，进而导致联接系统的刚度和加工精度显著降低。

3.2高速切削刀具系统可靠性计算
计算主要讨论的是刀柄／主轴的联接性能的可靠度。

在材料允许的范围内，对刀具系统可靠性分析时，首先要研究刀柄与主轴之间的接触应力，在求解接触应力时，应对过盈量、夹紧力、切削力的作用进行综合考虑，但是在之前的研究中发现，在实际高速切削加工中，相对于夹紧力，切削力对刀柄／主轴联接性能的影响是很小的，因此可以忽略，在研究刀柄／主轴的可靠性问题时，主要考虑夹紧力的作用。

先计算确定量如，主轴刀具半径，静态夹紧力，刀具内部工作应力等参数。

然后计算随机量，刀柄与主轴材料的各项机械性能也是随机变量。

材料的屈服强度δ是服从正态分布的，屈服强度取过盈配合中强度较弱的零件进行计算，求出此材料的均值、标准差，代入公式求出刀柄的强度均值，标准差，最后可求出刀具的可靠度系数。