CN106021796A - 一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，首先通过实验测量方式获得一系列所述球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度及其对应的已加工寿命数据，根据实测数据建立该球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，再在使用球头铣刀对铬钢叶片型面进行实际加工的过程中，结合所述球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式实现对所述球头铣刀的剩余加工寿命的预测；包括步骤：采用球头铣刀铣削铬钢叶片试样的型面，其外法线与球头铣刀中心线偏转角为10°；每间隔一定加工时间测量并记录后刀面磨损带平均宽度和已加工寿命，根据实测数据建立球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，进而进行球头铣刀剩余加工寿命的预测。本发明操作简单有效，预测精确高，充分挖掘了刀具使用寿命。

Description

一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法

技术领域

本发明涉及金属切削加工刀具，具体涉及一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，属于机械切削加工技术领域。

背景技术

随着我国制造业数控加工技术的迅猛发展，数控机床在自动化生产中的应用越来越普遍。刀具作为制造系统中的核心部件之一，成本在整个制造系统中所占的比例高达7％，但其寿命却是最为薄弱的环节。数控加工刀具容易出现磨损和破损，既会影响工件质量，还有可能带来安全隐患，因此对于达到磨钝标准的刀具应停止使用，立即修磨。然而，受刀具材料和刃形精度的限制，其修磨次数是十分有限的。在实际生产中，采取合理措施提高刀具的使用寿命将有利于降低生产成本，提高资源利用率和生产效率，达到节能环保效果，进而提升制造型企业的核心竞争力。

近年来，我国对如何提高刀具的使用寿命开展了广泛研究。公开号为CN102218551A的中国发明专利提出了一种提高数控机床刀具的使用寿命的方法，针对不同的待加工材料选用不同的刀具，并在加工过程中设定好工艺参数，添加切削液，从而提高刀具的加工寿命。公开号为CN103419071A的中国发明专利提出了一种能够提高刀具切削寿命的方法，通过对比原始分形维数与实时分形维数并相应改变切削刀具的切削参数，从而实现对刀具的磨损情况进行实时监控，延长切削刀具的使用寿命。公开号为CN104850736A的中国发明专利提出了一种基于状态空间模型的高速数控铣床刀具寿命预测方法，利用贝叶斯方法实现刀具退化状态的实时迭代更新，并根据刀具状态失效阈值获得刀具的剩余寿命概率密度函数，实现了刀具的在线剩余寿命预测。公开号为CN103793762A的中国发明专利提出了一种基于小样本多类型参数的刀具寿命预测方法，根据获取的小样本刀具寿命试验数据，通过不断调整预测模型的迭代方向得到最终的刀具寿命预测模型，其特点是考虑了刀具的设计、制造和使用参数对刀具寿命的影响。公开号为CN104002195A的中国发明专利提出了一种基于能量的刀具寿命预测系统，通过对刀具切削过程中电流、电压信号的实时监测，进而得到刀具消耗能量的实时变化，从而预测刀具的剩余寿命。然而，上述专利有的只是通过调整加工工艺参数来延长刀具的使用寿命，并没有对刀具的剩余寿命进行预测进而充分挖掘刀具的剩余使用潜力；有的虽然给出了刀具剩余寿命的预测方法，但或者数学模型形式复杂，实际应用不便，或者搭建了高精度的测试设备，造价昂贵；有的单纯借助传统的理论公式和加工经验对刀具寿命加以预测的手段，计算难以全面且效率低下。

本发明通过对加工作业过程中的刀具使用状态进行实时跟踪，探索出一种既快速准确又简单易行的刀具寿命预测方法，进而实现刀具寿命的在线预测与管理，具有重要的现实意义。

发明内容

针对传统的刀具剩余寿命预测方法的不足，本发明提供一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，能够快速准确地对铣刀的寿命进行在线预测，使刀具使用寿命得到充分挖掘，从而提高产品质量、生产效率和资源利用率，降低生产成本。

为解决其技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：首先通过实验测量方式获得一系列所述球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度及其对应的已加工寿命数据，根据实测数据建立该球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，再在使用球头铣刀对铬钢叶片型面进行实际加工的过程中，结合所述球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式实现对所述球头铣刀的剩余加工寿命的预测。

进一步地，所述剩余寿命预测方法包括以下步骤：

1)安装第一把球头铣刀并进行数控机床开机前检查；

2)将铬钢叶片固定置放在机床工作台上，保持型面朝上且该型面的外法线与所述球头铣刀的中心线形成10°的偏转角；

3)开启机床，使用球头铣刀以主轴转速N₁铣削所述铬钢叶片的型面，经历加工时间T后，停机并拆下球头铣刀，测量该球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB，并按照公式X＝N₁×T计算该球头铣刀的已加工寿命X，记录该后刀面磨损带平均宽度VB及与其对应的已加工寿命X，之后将球头铣刀装回数控机床主轴上的原位置；

4)不断重复步骤3)，获得并记录后刀面磨损带平均宽度的测量值序列[VB₁,VB₂,…,VB_n]和相应的已加工寿命值序列[X₁,X₂,…,X_n]，直至测得的后刀面磨损带平均宽度VB达到预设的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim，同时记录下当时的主轴转速N₁与相应的极限加工寿命T₁；

5)应用高次多项式对步骤4)所得到的后刀面磨损带平均宽度的测量值序列[VB₁,VB₂,…,VB_n]和相应的已加工寿命值序列[X₁,X₂,…,X_n]进行拟合，获得球头铣刀的剩余寿命预测关系式：

VB＝a₀+a₁X+a₂X²+…+a_nXⁿ；

6)选用规格参数与第一把球头铣刀相同的第二把球头铣刀，以主轴转速N₂并保持其它铣削工艺参数不变，重复步骤1)至4)，记录下主轴转速N₂与相应的极限加工寿命T₂；

7)参照标准ISO-8688并引入刀具直径修正系数K_R和加工进给修正系数K_f，建立球头铣刀全寿命函数关系式：

T＝K_R·K_f·f₂(N)

其中，T为球头铣刀的极限加工寿命，N为主轴转速；

8)结合球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，预测所述球头铣刀的剩余加工寿命；

所述球头铣刀的已加工寿命X是指已完成的切削长度；

所述的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim是指球头铣刀发生磨损失效时最大的后刀面磨损带平均宽度；

所述的极限加工寿命T是指球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB达到预设的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim时，该球头铣刀已完成的切削长度；

所述的剩余加工寿命是指进行预测的当时至发生磨损失效时，球头铣刀对铬钢叶片的可切削长度。

进一步地，所述的步骤3)中，所述拆下球头铣刀是将球头铣刀与刀柄整体拆下，将球头铣刀装回数控机床主轴上的原位置时只需将刀柄固装回主轴，以保证所述球头铣刀在整个加工过程中的坐标原点不变。

进一步地，所述的步骤8)中，结合球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，预测所述球头铣刀的剩余加工寿命的方法为：

测量加工中球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB_present，根据剩余寿命预测关系式反求出唯一实根，即实际已加工寿命X_real，根据加工时数控机床的主轴转速N以及全寿命函数关系式，求出该球头铣刀的极限加工寿命T_real，则该球头铣刀的剩余加工寿命为T_real-X_real。

进一步地，所述的步骤4)中，所述后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim取0.2～0.3mm。

进一步地，所述的步骤5)的剩余寿命预测关系式中，n＝5。

本发明的有益效果是：

对比背景技术本发明具有如下优点：

(1)操作简单有效，预测精确高；

(2)能够快速准确地对球头铣刀的剩余寿命进行在线预测，达到了充分挖掘刀具使用寿命潜力的效果；

(3)提高了产品质量和生产效率，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的加工状态示意图。

图2为实施例中球头铣刀后刀面磨损带平均宽度与已加工寿命之间的关系曲线图。

具体实施方式

本发明所述铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，首先通过实验测量方式获得一系列所述球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度及其对应的已加工寿命数据，根据实测数据建立该球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，再在使用球头铣刀对铬钢叶片型面进行实际加工的过程中，结合所述球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式实现对所述球头铣刀的剩余加工寿命的预测。

所述剩余寿命预测方法包括以下步骤：

1)安装第一把球头铣刀并进行数控机床开机前检查。

2)将铬钢叶片试样固定置放在机床工作台上，保持型面朝上且该型面的外法线与所述球头铣刀的旋转中心线形成10°的偏转角。

3)开启数控机床，使用球头铣刀以主轴转速N₁、进给量F和切削深度A_p对所述铬钢叶片试样的型面进行粗铣，经历加工时间T后，停机并将球头铣刀与刀柄整体拆下，测量该球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB，并按照公式X＝N₁×T计算该球头铣刀的已加工寿命(已切削长度)X，记录该后刀面磨损带平均宽度VB及与其对应的已加工寿命X，之后将球头铣刀装回数控机床主轴上的原位置，将球头铣刀装回主轴原位置时只需将刀柄安装部固装回主轴，保证球头铣刀在整个加工过程中的坐标原点不变。

4)不断重复步骤3)，获得并记录后刀面磨损带平均宽度的测量值序列[VB₁,VB₂,…,VB_n]和相应的已加工寿命值序列[X₁,X₂,…,X_n]，直至测得的后刀面磨损带平均宽度VB达到预设的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim，一般取0.2～0.3mm，同时记录下当时的主轴转速N₁与相应的极限加工寿命T₁(极限切削长度)。

5)应用高次多项式对步骤4)所得到的后刀面磨损带平均宽度的测量值序列[VB₁,VB₂,…,VB_n]和相应的已加工寿命值序列[X₁,X₂,…,X_n]进行拟合，获得球头铣刀的剩余寿命预测关系式：

VB＝a₀+a₁X+a₂X²+…+a_nXⁿ，

其中，a₀,a₁,a₂,…a_n为多项式的系数，n一般取5。

6)选用规格参数与第一把球头铣刀相同的第二把球头铣刀，改变主轴转速为N₂，并保持其它铣削工艺参数不变，重复步骤1)至4)，记录下主轴转速N₂与相应的极限加工寿命T₂。

7)参照标准ISO-8688并引入刀具直径修正系数K_R和加工进给修正系数K_f，建立球头铣刀全寿命函数关系式：

T＝K_R·K_f·f₂(N)

其中，T为球头铣刀的极限加工寿命，N为主轴转速。

具体方法为：

①在双对数坐标系lg N-lg T中，求出过已知两点(lg N₁,lg T₁)和(lg N₂,lg T₂)的直线方程lg T＝f₃(lg N)；

②变换上述直线方程得到T＝f₂(N)；

③引入刀具直径修正系数K_R和加工进给修正系数K_f，进而得到球头铣刀全寿命公式。

8)结合球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，预测所述球头铣刀的剩余加工寿命(剩余可切削长度)，其具体方法为：

①测量加工现场中球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB_present，根据剩余寿命预测关系式反求出唯一实根，即实际已加工寿命X_real；

②根据加工时数控机床的主轴转速N、进给量、刀具直径以及全寿命函数关系式，求出该球头铣刀的极限加工寿命T_real；

③则该球头铣刀的剩余加工寿命为T_real-X_real。

上述步骤中，所述球头铣刀的已加工寿命X是指已完成的切削长度；所述的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim是指球头铣刀发生磨损失效时最大的后刀面磨损带平均宽度；所述的极限加工寿命T是指球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB达到预设的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim时，该球头铣刀已完成的切削长度；所述的剩余加工寿命是指进行预测的当时至发生磨损失效时，球头铣刀对铬钢叶片的可切削长度。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

试验刀具为国产R5球头铣刀，4刃，具体参数为R5×4°×D16×120L。加工用的数控机床为美国赫克公司生产的VMX42型五轴联动数控加工中心，加工试样为铬钢叶片。

应用本发明对铬钢叶片型面加工球头铣刀的剩余寿命进行预测的方法，具体步骤如下：

(1)安装球头铣刀1，如图1所示，并进行数控机床开机前检查；

(2)将铬钢叶片试样2通过专用夹具固定于工作台上，保持型面朝上且其外法线与球头铣刀中心线偏转成10°角；

(3)开启机床，在主轴转速N₁为3800rpm、进给量F为1520mm/min和切削深度A_p为0.8mm的条件下，用所述R5球头铣刀1对叶片2的型面进行粗铣，经历加工时间T后，停机并将球头铣刀1与刀柄整体拆下，通过超景深三维显微镜测量其后刀面磨损带平均宽度为0.072mm，同时按照公式X＝N₁×T计算其已加工寿命(已切削长度)为629m，之后将球头铣刀1的刀柄安装部固装回主轴，从而将球头铣刀1装回主轴原位置，保证了球头铣刀1在整个加工过程中的坐标原点不变。

(4)重复步骤(3)直至后刀面磨损带平均宽度达到其阈值0.2mm，获得球头铣刀后刀面磨损带平均宽度数据依次为0，0.072，0.103，0.121，0.137，0.146，0.171，0.234；对应的后刀面磨损带平均宽度序列为[0，0.072，0.103，0.121，0.137，0.146，0.171，0.234]。球头铣刀已加工寿命数据依次为0，629，1167，1788，2578，3239，3980，4367；对应的已加工寿命序列为[0，629，1167，1788，2578，3239，3980，4367]；同时记录下主轴转速3800rpm与相应的极限加工寿命(极限切削长度)4228m。

(5)应用五次多项式对步骤(4)中的后刀面磨损带平均宽度序列和已加工寿命序列进行拟合，如图2所示，获得球头铣刀1的剩余寿命预测关系式为：

VB＝-1.19×10^-4+1.85×10^-4X-1.52×10^-7X²+7.87×10^-11X³-2.06×10^-14X⁴+2.05×10^-18X⁵ (A)

(6)选择另一规格参数相同的球头铣刀，改变主轴转速为5400rpm，保持铣削工艺参数不变，重复步骤(1)～(4)，记录相应的极限加工寿命4026m。

(7)参照标准ISO-8688并引入修正系数K_R和K_f，建立球头铣刀全寿命函数关系式为：

T＝K_R·K_f·10^4.12483·N^-0.13937 (B)。

该全寿命函数关系式的具体建立方法为：

①在双对数坐标系lg N-lg T中，求出过已知两点(lg 3800,lg 4228)和(lg 5400,lg 4026)的直线方程lg T＝-0.13937lg N+4.12483；

②变换上述直线方程得到T＝10^4.12483·N^-0.13937；

③引入刀具直径修正系数K_R和加工进给修正系数K_f，进而得到球头铣刀全寿命函数关系式。

以本实施例中的R5球头铣刀为参考基准，设定其刀具直径修正系数K_R＝1，加工进给修正系数K_f＝1。

(8)结合球头铣刀剩余寿命预测公式和全寿命公式，预测球头铣刀的剩余加工寿命(剩余可切削长度)。

以下结合一具体案例对应用球头铣刀剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式预测其剩余加工寿命的过程作详细说明：

假设加工现场采用刀具为一R3球头铣刀，铣削工艺参数为：主轴转速6400rpm，进给量250mm/min，切削深度0.3mm。球头铣刀工作一段时间后，测得其后刀面磨损带平均宽度为0.12；试估计该球头铣刀的剩余加工寿命。

对于上述问题，求解过程如下：

①考虑刀具直径对球头铣刀极限加工寿命的影响，对于R3球头铣刀，取K_R＝0.9；

②考虑进给量对球头铣刀极限加工寿命的影响，由于进给量250mm/min小于实施例中R5球头铣刀的进给量1520mm/min，取K_f＝1.4；

③将已知量代入式(B)，求得该球头铣刀的极限加工寿命T_real＝4951m；

④将已知量代入式(A)，通过MATLAB软件求得其唯一实根X_real＝1740m；

⑤该R3球头铣刀的剩余加工寿命即为T_real-X_real＝3211m。

Claims (6)

1.一种铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：首先通过实验测量方式获得一系列所述球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度及其对应的已加工寿命数据，根据实测数据建立该球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，再在使用球头铣刀对铬钢叶片型面进行实际加工的过程中，结合所述球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式实现对所述球头铣刀的剩余加工寿命的预测。

2.根据权利要求1所述的铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：所述剩余寿命预测方法包括以下步骤：

1)安装第一把球头铣刀并进行数控机床开机前检查；

2)将铬钢叶片固定置放在机床工作台上，保持型面朝上且该型面的外法线与所述球头铣刀的中心线形成10°的偏转角；

3)开启机床，使用球头铣刀以主轴转速N₁铣削所述铬钢叶片的型面，经历加工时间T后，停机并拆下球头铣刀，测量该球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB，并按照公式X＝N₁×T计算该球头铣刀的已加工寿命X，记录该后刀面磨损带平均宽度VB及与其对应的已加工寿命X，之后将球头铣刀装回数控机床主轴上的原位置；

4)不断重复步骤3)，获得并记录后刀面磨损带平均宽度的测量值序列[VB₁,VB₂,…,VB_n]和相应的已加工寿命值序列[X₁,X₂,…,X_n]，直至测得的后刀面磨损带平均宽度VB达到预设的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim，同时记录下当时的主轴转速N₁与相应的极限加工寿命T₁；

5)应用高次多项式对步骤4)所得到的后刀面磨损带平均宽度的测量值序列[VB₁,VB₂,…,VB_n]和相应的已加工寿命值序列[X₁,X₂,…,X_n]进行拟合，获得球头铣刀的剩余寿命预测关系式：

VB＝a₀+a₁X+a₂X²+…+a_nXⁿ；

6)选用规格参数与第一把球头铣刀相同的第二把球头铣刀，以主轴转速N₂并保持其它铣削工艺参数不变，重复步骤1)至4)，记录下主轴转速N₂与相应的极限加工寿命T₂；

7)参照标准ISO-8688并引入刀具直径修正系数K_R和加工进给修正系数K_f，建立球头铣刀全寿命函数关系式：

T＝K_R·K_f·f₂(N)

其中，T为球头铣刀的极限加工寿命，N为主轴转速；

8)结合球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，预测所述球头铣刀的剩余加工寿命；

所述球头铣刀的已加工寿命X是指已完成的切削长度；

所述的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim是指球头铣刀发生磨损失效时最大的后刀面磨损带平均宽度；

所述的极限加工寿命T是指球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB达到预设的后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim时，该球头铣刀已完成的切削长度；

所述的剩余加工寿命是指进行预测的当时至发生磨损失效时，球头铣刀对铬钢叶片的可切削长度。

3.根据权利要求2所述的铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：所述的步骤3)中，所述拆下球头铣刀是将球头铣刀与刀柄整体拆下，将球头铣刀装回数控机床主轴上的原位置时只需将刀柄固装回主轴，以保证所述球头铣刀在整个加工过程中的坐标原点不变。

4.根据权利要求2所述的铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：所述的步骤8)中，结合球头铣刀的剩余寿命预测关系式和全寿命函数关系式，预测所述球头铣刀的剩余加工寿命的方法为：

测量加工中球头铣刀的后刀面磨损带平均宽度VB_present，根据剩余寿命预测关系式反求出唯一实根，即实际已加工寿命X_real，根据加工时数控机床的主轴转速N以及全寿命函数关系式，求出该球头铣刀的极限加工寿命T_real，则该球头铣刀的剩余加工寿命为T_real-X_real。

5.根据权利要求2所述的铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：所述的步骤4)中，所述后刀面磨损带平均宽度阈值VB_lim取0.2～0.3mm。

6.根据权利要求2所述的铬钢叶片型面加工用球头铣刀的剩余寿命预测方法，其特征在于：所述的步骤5)的剩余寿命预测关系式中，n＝5。