[科普中国]-刀具可靠性

刀具的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。

刀具可靠性的预测方法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。1

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。

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。

失效形式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。

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学