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基於刀（dāo）具失效率的（de）換刀策略研（yán）究

2016-12-27 來源：東北大學機械工程（chéng）與自動化學院作者：王新剛呂春梅1 趙（zhào）玉（yù）倩陳曉明

摘要：將影響機（jī）加工（gōng）藝可靠性（xìng）的主要因素刀具的失效率作為研究對象（xiàng），將刀具的切削參數作為隨（suí）機變量，以最大似然估（gū）計為基礎（chǔ），結合可靠（kào）性分析方法（fǎ），建立機加工藝係統的（de）動態可靠性數學模型，推導各工序（xù）刀具的失效率計算（suàn）公式。在此基礎上，以刀具（jù）失效率為（wéi）判據，建立了如何確定被更換刀具的工序及換刀時間（jiān）的方法（fǎ）。研究結果表明，當整體工藝流程係統可靠度低於某一閾值時，即可確定更換刀具的時間，再應用刀具失效率（lǜ）模型，就能夠迅速找出失效率最大的工序所使用的刀（dāo）具，並及時更換（huàn），從而確保刀具在失效（xiào）之前滿足工藝可靠性要（yào）求，最大限度地利用刀具，減少換刀次數，降低成本，從而（ér）保障整（zhěng）體工藝係統的高（gāo）可靠性（xìng）。

關鍵詞：機械製（zhì）造工藝與設（shè）備；動態可靠（kào）性（xìng）；失效率；刀具

0. 引言

在高精自動化技術得到廣泛應用的今天，機（jī）械行業對產品整個工藝流程的可靠性提出（chū）了更高的要求（qiú），它與機床、刀具、操作者的可靠性息息相關（guān）。其中刀具的可靠性是最重要的影響因素，所以（yǐ）研究刀具的可靠（kào）性及失效率顯（xiǎn）得至關重要。如果刀具可靠性差、失效率高，就會造成換刀頻繁，產品不合格率上升，消耗（hào）更多的工時和經濟成本。

Ramalingam等（děng）?對刀具（jù）的（de）可（kě）靠性進行了研究（jiū），建立了確定刀具耐用度的概率模型。文獻[2—3]提出（chū）了（le）一種基（jī）於簡單的調度規則和通用搜索的啟發式模型。Oral等H o定義了可用於回轉零件工藝設計係統的計算機輔（fǔ）助優化方案，它規定一個最佳方（fāng）案必須具有（yǒu）最少的換刀次數和最短的（de）刀具空行程時間。Rodriguez等¨1提出了最佳（jiā）換刀時間的數學模（mó）型，降低了對工藝可靠性的影響。李兆前等¨o對（duì）刀具可靠壽命進行了深入的理論研（yán）究和實驗研（yán）究，建立了相應的（de）可靠性數（shù）學模型。陳雪峰等¨1、王新剛等¨1通過實（shí）驗數（shù）據分析和理論分析建立了幾種刀具可（kě）靠度數學模型，同時進行了大量（liàng）的可靠壽命切削試驗來保證刀具的高可靠性。上述國內外（wài）學者大都研（yán）究如何進行合（hé）理地機械調度與規劃以達到減少工（gōng）時的目的（de），或者單一對刀具進行可靠性及壽（shòu）命分析，並（bìng）沒有分（fèn）析每道工藝所使（shǐ）用刀具的可靠性對整體機加（jiā）工藝可靠性的影響。除此之外，在（zài）傳統的刀具可靠性模型中（zhōng），一般認為刀具的切削參數一旦選（xuǎn）取在整道工序中將保（bǎo）持不變。而（ér）實際生（shēng）產情況（kuàng）表明（míng），在連續切削加工過（guò）程（chéng）中，即（jí）使同一台機床，由於機械振動、加工材料（liào）的質地分布情況等因素的影（yǐng）響，它的切削參數也是（shì）隨機變化的一一0|。在（zài）這種情況下應如何保證總體工藝流程的可靠度、在何（hé）時（shí）換（huàn）刀、該更換哪道（dào）工序（xù）的刀具，對這類（lèi）問題的研究（jiū）還未見報道（dào）。

本文結合工藝流程設計、可靠性和動力學的（de）知識，在刀具的切削參數作為隨機變量的前提下，推導刀具可靠度和失效率的（de）計（jì）算公式，並建立基於刀具失效率的整體機加工藝流程可靠性的數學模型。該模型能夠準（zhǔn）確（què）地確定需要被更換刀具及換刀時間，進而為減（jiǎn）少工時與成本，同時保證產品質量及提（tí）高產品合格率提供理論依據。

1. 工藝流程動（dòng）態可靠（kào）性模型的建立

一個（gè）完整工藝流程的可靠性與（yǔ）每一道工（gōng）序的可靠性密（mì）切相關（guān），而每一道（dào）工序的可靠性又受到機床、操作者以及刀具可靠性的影響。機床的（de）可靠度（dù）由其本身的結構以及設（shè）計決定，包括自動化程度（dù）、所處（chù）工（gōng）作環境（jìng）、也與工廠管理者所製定（dìng）的維護（hù）方案有關，常采用經驗（yàn）值（zhí），某一台機床的可靠度可由建立在實驗基礎上的“無故障時間數據庫（kù）”取（qǔ）得。操（cāo）作者的可（kě）靠度也可通過實驗（yàn）獲得。本文（wén）中主要研究刀具的可靠（kào）度，而機床和操作者本身的可靠度認為是不變的（de）。在加工零件時，機床、操作者、刀具組成（chéng）一個串聯係統且相互獨立，則整個工藝流程的可靠度可表示為（wéi）

刀具的可靠度依賴於機床的實際工作情況，且與各切削參數有（yǒu）關。通常刀具的可靠壽命（mìng）服從（cóng）指（zhǐ）數分布，本文研究的換刀策略並不隻限於刀具壽命服從指（zhǐ）數分布，也可以服從任意分布。文中以服從指數分布為例來說明實施該策（cè）略的具體（tǐ）步驟，則有（yǒu）一道工序時的可靠度。

2.刀具（jù）失效率模型的建立

實際生產加工（gōng）過程中，一個完整的工藝流程包括（kuò）多道工序（xù）。假設不同的工序使用不同的刀具（jù），當整個工（gōng）藝流程的可靠度R。(Ⅳ)低於許用的可靠度值時，必須換（huàn）刀，在達到目標產量之前可能需要進（jìn）行（háng）多次換刀。如（rú）果不換（huàn）刀，會導致（zhì）整體工藝流程（chéng）可靠度的降低、產生廢品和增加經濟成本。由於涉及不同（tóng）的工序（xù）及刀（dāo）具，如何選擇需要被更換的刀具成為關鍵性的（de）問題（tí）。本文采（cǎi）用計算各（gè）工序刀具失效率的方法來確定需要被更換的刀具，刀具失效率最大的最先更換。每次換刀前後（hòu）整個工藝流程（chéng）的可靠度變化趨勢如圖1所示。

圖l 每（měi）次換刀前後整體工藝流程（chéng）司靠（kào）度的變化趨勢

圖1中（zhōng）的Ⅳ。、Ⅳ：、Ⅳ3、Ⅳ4是（shì）換刀時加工零件的個數。假設工藝流程（chéng）整（zhěng）體（tǐ）可靠度不能（néng）低於0．8這個閾值，那麽在Ⅳ．點換（huàn）刀時，整體工藝流程的可靠度由原來（lái）0．8的位（wèi）置提升到大致0．97的位置；在Ⅳ：點換刀時，整體工藝流（liú）程（chéng）的可靠度由原來0．82的位置提升到大致0．95的位（wèi）置。第（dì）2次換刀之所以在整體工藝流程的可靠度高於0．8閾值，是因為再繼續加工出一個零部件後整體工藝流程可靠度將要低於0．8，這樣就會出（chū）現廢品（pǐn）或者停車事故，所以需（xū）要提前一個零部件進行更換。從圖1中可以看出，通過及時確定被更換的（de）刀具（jù）和更換時間就能夠始終保持整（zhěng）體（tǐ）工藝流程的可靠度高於閾值。

由(5)式給出（chū）整個工藝流程的可靠度公式可知，當整個工藝流程可靠（kào）度（dù）低於許用值時，更換刀具的時間就確定了。這時就需要計算各工序刀具的失效率，為確定更換刀具提供理論依據。已（yǐ）知刀具的失（shī）效（xiào）率（lǜ）函數為

當更換刀具的時間確定後，由(7)式計算各工序刀具的失效率（lǜ），失效率（lǜ）最大刀具的最先替換掉。若替（tì）換之後整體工藝流程可（kě）靠度仍小於閾值，就需要替換（huàn）此時失效率最大的刀具，直至整體工藝流程可靠度（dù）仍大（dà）於閾值為止。一次換刀有可能更換一把，也有可能更換多把。

3.工藝流程換刀時間

從厚度為34 mm的（de）Q235鋼板中（zhōng）切（qiē）下90 mm×90 mm的鋼板，通過銑削、鑽削、鉸等加（jiā）工工藝使其滿足尺寸、形狀、公差等要求。圖2和表1分別（bié）給出了零件具體形狀和具體要求（qiú）。

表1 盤類零件各部分加S-要求（qiú）

圖（tú）2中，將零（líng）件分為13個部分，每部分（fèn）根據可圖2中，加工表麵的不同特征使（shǐ）用不同（tóng）的工序，進而確定各工序的先後順序。這裏，假設操作人員不會出現失誤（wù），刀具的各切（qiē）削參數都是隨機變量，且服從任意分（fèn）布‘12 3(本文以變量均服（fú）從正態分布為例)。各道工序及相應的加工時間，均可通過（guò）Mastercam仿真得到。在Mastercam中選擇正確的加工工藝，輸入相應（yīng）的（de）預先選取（qǔ）好的參（cān）數，進行仿真，查看工序時間並記錄，具體結果見表2．

表2 盤類零件各（gè）工序

利用表2中的參數構造最大似然函數（shù），求得各工序參數

、a、 β1、 β2 、β3 ，結果如（rú）表3所示。

表3 各工序的參數值

各工序可靠度可由(4)式計算獲得，其中各工（gōng）序（xù）工時及切削參數（shù）由表3獲得，最終可根據(5)式計算出整個工藝流程的可靠度。這裏，假設整體工（gōng）藝流程許（xǔ）用可靠度（dù）為0．8．若（ruò）可靠度小於（yú）0．8，則必須進行換刀。此（cǐ）時通過(7)式計算出各刀具的失效率並進行（háng）比較，確定更（gèng）換刀具的工序與時間。圖3～圖9為各工序刀具的失效率隨加工零件（jiàn）個數的（de）變（biàn）化曲線。從圖（tú）10中各工序（xù）刀具失效率對比曲線可以看出，在加工一定數量工件時第幾道工序的刀具失效率最大，為更換刀具提供判據。圖11為換刀前後整（zhěng）個工藝流程的可靠（kào）度隨加工零件個數的（de）變化曲線。從圖11中（zhōng）可以看出，當加工第18個零件時，計算得到整個工藝流程（chéng）的可靠度

為0．768 4，小於（yú）許用值0．8．這表明加工（gōng）第17個零件就需要進行換刀（dāo），這是整個工藝流程的第一次換刀。但具（jù）體更換哪個工序的刀具還需要結合圖10確（què）定。當（dāng）加工第18個零件時，工序5中對應的銑刀失效率最大，必須將（jiāng）它換掉。換（huàn）刀之（zhī）後，重新計算整

體工藝流程的可靠度值（zhí）為0．998 4，這時提高了整個工藝流程的可靠度，各工序及刀具可繼續切削加工，直到整體工藝流程可靠度再次小於許用值0．8時，再次進行換刀，直至完成所有需要加工（gōng）的零（líng）件。

4. 結（jié）論

I)建立了整體工藝流程係統的可靠性數學模型，通過該模型可以判斷（duàn）出需要換刀具的時間點。2)建立了刀具失效率數學模型。通過該模（mó）型能夠迅速判斷需（xū）要換刀工序及刀具，確保刀具在

破損或磨損失效之前還能滿足工藝可靠性要求。3)提出了基於靈敏度的換刀時間和工藝（yì）動（dòng）態可靠性研究方（fāng）法。通過改變即（jí）將失效刀具所對應的敏（mǐn）感參數（shù）的數值來提高刀具和整體工藝流程的（de）可靠度，從而（ér）達到了延遲換刀（dāo）、降低成本的目的。

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