可转位刀具动态可靠性灵敏度研究

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1、可转位刀具的动态可靠性灵敏度研究在现代化自动加工技术中，切削加工刀具要求具有高效、耐久、可靠和经济的特点，尤其是在NC,MC,FMS等自动化加工中，可靠性显得更加突出.如果刀具可靠性差，可能增加换刀时间或者产生废品，损坏机床和设备，甚至造成人员伤亡，所以研究刀具的可靠性及其灵敏度技术迫在眉睫.李兆前等卜3对刀具的可靠性进行了研究，建立了可靠性模型,并通过物理实验给予验证.董丽华等4对刀具切入类型和切削力对刀具寿命的影响进行了研究，并取得一定的成果.Lee和Kramaruddin等通过车床模拟断续切

2、削，证明了刀具切出时要比切入时的可靠度要低，并提供了令人信服的证据.目前国内外学者大都以研究如何正确选取刀具切削参数和刀具几何参数来达到提高刀具可靠性的目的，此研究较成熟,而对刀具的物理性能参数和材料参数对刀具可靠性的影响程度即灵敏度研究还未见报道.本文从可靠性的概念出发，结合随机过程、应力-强度干涉模型、灵敏度等数学力学方法，建立可转位刀具的动态可靠性及灵敏度的数学模型,给出刀具物理参数和材料参数的灵敏度变化规律,进一步完善刀具可靠性和可靠性灵敏度的理论方法.fi(a)1可转位刀具动态可靠性模型

3、建立(6)可转位刀具切削效率高,辅助时间少,工效较高，而且可转位刀具的刀体可重复使用，节约了材料和制造费用，进而广泛应用到NC机床上.但由于刀片的材料和制作工艺等因素，会导致刀片内部存在着许多微观裂纹.当刀片工作时,随机变化的切削力，特别是冲击载荷不断作用到刀头,导致刀体内部裂纹核发生疲劳扩展进而失效&]-为了降低刀具的失效概率，需要对影响刀具可靠性的敏感参数进行分析研究，这就需要建立刀具可靠性和灵敏度分析的数学模型.可转位刀具的失效判据是研究刀具可靠性及灵敏度的基础，所以本文提出了以SSI模型为

4、基础的考虑冲击载荷作用次数的刀具可靠性数学模型.e-jA<'dt-(7)本文设可转位刀具的刀片有d个刀头，每个刀头的工作状态都是相互独立的，那么整个刀具的可靠度可以看作是由d个并联的子系统构成的可靠度,则可转位刀具的整体可靠度为dr=i-n(i-Ri)，=i，(i)i=1NI设

5、性的干涉理论,就可以确定刀具任意子系统的可靠度,即+(2)RiFi(a)/,i(a)da,则刀具整体系统的可靠度为dR=1-n(1-jFi(a)/ti(a)da)，=1,2,•••，.(3)刀具在加工工件时，由于交变的切削力作用使其刀具材料内部裂纹发生疲劳扩展，当裂纹长度超过一定尺寸时就发生崩刃.当刀具内部应力没有达到刀具临界疲劳应力时，裂纹不一定马上失稳扩展,而是要冲击N次才能失效，所以考虑冲击载荷作用次数的等效载荷的累积分布函数08为Fl(a)=Fi(a)]s，=1,2,3,…,N.(4)其概

6、率密度函数为=Fl(a)Fi(a)]s-1/(a).(5)=a所以,考虑冲击载荷作用s次的可转位刀具的可靠度计算公式为1-1=^(1-j"f(at)a{jsFi(a)]s-1/(a)da}dat)-R(s)当s=1时,式(6)变为传统的应力-强度干涉模型-可转位刀具在断续切削加工时所受到的冲击载荷作用次数是随着加工时间的增加而递增的，所以冲击载荷作用过程可用泊松随机过程来描述63-当冲击载荷作用次数N(t)服从参数为A(t)的泊松随机过程时,在任意时刻t冲击载荷出现s次的概率可表示为[jA(t)d

7、t]P(N(t)-N(0)=s)s由式(6),式(7)可知，刀具在t时刻的可靠度为NR(t)=^P(N(t)-N(0)=s)R(s)=s=0t[jA(t)dt]-Ia(t)di-e0xsrda{1-^(1-jft(at){jsFi(a)]-/V)da}dat)}-(8)=-w-w由式(7)可知,只要确定了临界疲劳应力^的概率密度函数/t(a),就可以求出刀具的动态可靠度.可转位刀具在早期发生破坏时，主要原因是冲击载荷作用造成的，热冲击载荷很小可不计&3-当刀具在切削工件时，其冲击载荷主要与切削参数

8、（例如切削速度与进给量）有关,而热冲击载荷主要与切削速度有关.当刀具内部裂纹尖端应力强度因子达到或超过其材料的断裂韧性时而发生断裂.如果刀具材料内部已有某一长度裂d+r(s)=1-n(1-i=1at0(BN)n-2a；*-2—atl(9)(BN)n-2a;-)(10)I==生〜=«c=YaC-式中：〜，a。为裂纹长度;KK为平面断裂韧性；Y裂纹形状因子;ac为应力-对于该裂纹，如果施加其他的切削应力q(at