车床类带修光刃的大进给精加工可调式刀具综合工具系统

上海敖智信息有限公司 范亚炯

上海宇自航测控科技有限公司 杨 峰

南京能新电力实业有限公司 杨 芸

兰州电务段 于 帆

我国至今尚未形成车削类工具系统，而欧美国家都已建立了完备的车削类工具系统，但该系统仅是针对刀柄工作特性而建立、建全的能满足切削性能优良、不同形状、不同规格、不同状态加工刀具更换方便、可靠、重复定位精度高与配套工具所组成的工具系统，只是成熟与有所创新的刀杆更换技术，系统工序能力指数并未有效提高。不管是整体式车削工具系统，还是只更换刀头模块的模块式工具系统，其可转位的刀头结构基本未脱离不可调刀具几何参数相近、品种繁多的技术范畴。只是大批量、少品种现代大工业的产物，需要庞大的投入，明显与我国企业集约化、绿色化发展的需求不符。

现代工业界经过长期实践，已不再盲目追求加工过程的全盘自动化，而是更加注重信息集成与人在CIMS和FMS中的积极作用。对FMS而言，人们已经认识到：系统规模较小，并允许人的更多的介入，系统往往会更有成效，因而，车床类带修光刃的大进给精加工可调式刀具综合工具系统正是面对工具应用工程的新问题，针对现车削类工具系统的技术缺陷，对单元刀具刀头结构功能进行分解与系统综合且结构创新的新一代工具系统。

刀具的正向设计包含概念设计的全部内涵，即根据刀具生命周期各阶段工艺切削需求，进行其使用功能关联与有效性的市场需求与服务分析，确定其功能分解与综合的原理、功能载体的选择和方案组成等。这种设计使不可调刀具的单向可转位、单项可调换、不重磨低层次的可调创新提高到刀具切削参数综合可调的全面创新与效用的突破。因而，刀具系统的效用手段与方法，即系统目标必须具有的控制、调节等功能，进入与目标相适应的状态，并能排除加工系统内外的非线性干扰，即：转位、调整、重磨、调换、紧固、自保系列使用功能效用的有序关联，映射到操作程序就能表达了刀具几何参数动态优化与工序能力指数与集中程度的有效提高。其执行机构在接触弧面上有限往返生成工艺动作的多样性安全和可靠，保证了能力拓展的有效性。

目前我国许多加工企业仍在沿用单刃与多刃刀具的加工方法—即传统的加工方法（Conventional Cutting）,未深刻认识制造强国这种单一转位与调换先进技术的局限性。可转位不重磨刀具技术的推广，并未完全改变刀具品种与类型繁多的结构状态。其先进性由于进行了面向工艺事务处理的联机系统应用，从而加快并提高了分布式工艺过程的总体效益。但无法发现与运用静态数据中的相近关系与关联技术，工序能力的进一步提高与集成还有待解决。刀具技术仍局限在不可调刀具的静态范畴内，保守性强、工艺参数动态优化不足，使刀具缺乏为制造业工艺流程和柔性化的集成与设计能力。而车床类带修光刃的大进给精加工可调式刀具综合工具(发明专利申请号：201310171116.7) 适应了我国正处在工业制造2.0、3.0、4.0齐头并进与发展多元化柔性加工的需求。针对传统产业的高端化改造和高端新兴产业发展两个层面刀具市场所面临的此类问题，提出了具体的思路与解决方法。

图1

一、针对工艺系统的创新特点

1.快速和有效性

能快速相应加工市场与服务需求，深入分析加工系统工艺流程的特点与变化状况，进行刀具工艺使用能转位、重磨、调整、调换关联技术的系统应用与综合，有效提高刀具的工序能力指数与工序集成能力，排除了系统外对加工精密、高效、低成本、绿色的非常规性干扰。

基于对不可调刀具工艺使用功能的分解与综合，该工具系统能及时应对刀具机构功能载体的动态变化，进行模块的选择和方案组成，使该工具系统全面突破车削类不可调刀具的静态技术范畴，刀具工艺加工性能得到综合提高，转位、调整、重磨 、调换、自保的综合可调技术，有效提高了刀具工艺加工加工性能的适应柔性化生产的科技含量，其执行机构在接触弧面上高、低副的有限往返运动生成工艺动作的多样性安全、可靠，保证了工艺系统能力拓展的的有效性。比仅换刀头模块的模块式工具系统具有更广泛的工艺加工性能与工艺集成能力，刀具生命周期得到加宽与延长。

2.运用模块化优化运算程序

运用模块化优化运算程序进行可调式刀具的种群设计，使得刀具系统能够适应制造业各子系统的现代化目标的新需求。现代制造业系统综合效能的提高日益依赖于各要素之间的集成，体系结构体现了“组成系统的各部件之间的关系，以及支配它们设计和演变的关联原则”。可调式刀具实用简化模型的方法对体系结构进行描述，进而运用该优化运算程序能开发优化其种群设计，例如:银白色重型切削加工工具系统、带修光刃的大进给精加工工具系统、粗加工与半精加工集成工具系统、半精加工与超精密工集成工具系统，适应了现代制造业小工艺系统对刀具行业的发展需求。

不可调刀具的静态结构或刚性执行机构，不能考虑与实施工艺集中、绿色、环保等多项现代制造业的新要求，也不适应定制化不同批量生产形式集约化的经济要求。

二、运用K-means算法的程序具体说明刀具可调的工作原理与机制

1.对刀具机构的可靠性设计

刀具工艺优化设计模型中的设计变量与参数具有随机性，或有概率约束时，就必须进行概率优化设计或模糊可靠性设计。该问题涉及到工艺切削过程安全可靠与费用合理这对矛盾有关的各类结构。其广义应力即作用于刀具或其零件上的物理量：切削压力、应力、位移、变形、磨损等用s表示，而将刀具或其零件承这种应力的能力，统称为其广义强度,用r表示。因此，刀具的不可靠度（失效概率）与可靠度（安全概率）R，可分别用式a和b表示：

若根据设计基本设计变量x1,x2┈,xn的分布规律，将获得随机变量s和r的分布形式和参数，就可用上式a或b所对应的应力强度干涉模型计算刀具或其零件的是效率和v可靠度。如公式c与图2：

图2 应力-强度干涉法实施步骤

2.应力-强度干涉法实施步骤

（1）确定零部件应力、强度分布。

（2）根据应力-强度干涉模型计算零部件可靠度。常用概率分布的可靠度计算公式如附表所示。

表2 常用概率分布的可靠度计算公式

（3）根据可靠性建模的基本可靠性模型和任务可靠性模型预计产品的可靠性。

（4）极限状态函数法

应力——强度干涉是概率分析和设计的基础，但是由于应力——强度干涉法需要已知应力和强度的分布类型和概率密度函数，因此工程中有时难以直接应用。通过建立极限状态函数，利用一次二阶矩等方法，可以不需要知道应力和强度分布进行可靠性预计，该方法是近似概率法的一种，常用于结构可靠性概率设计。

应力强度干涉模型揭示了概率设计（可靠性设计）的本质，客观地反映产品设计和运行中的实际情况,可以定量地回答产品在使用中的实际问题。不可调刀具的传统设计不能考虑刀具在设计与运行中存在失效的可能性，即使意外损耗系数也不能具体说明实际情况，而应力——强度干涉模型所采用的可靠性设计方法则可以具体解决这一问题。

结构可靠性理论认为可调式刀具设计过程中存在各种不确定因素，例如：工艺系统的各种要求与加工条件、载荷、材料、尺寸精度、工艺集中能力、CP值 、应力集中等，可以通过引入一个随机向量X={x1,x2，┈xn}来表示这些随机参数，根据其构件与零件的功能与失效判据，可以建立一个函数来表示规定功能和这些随机参数的关系。称为功能失效极限状态函数、简称极限状态函数：

Z=G(X)

Z＞0, 表示可调式刀具能完成规定功能；Z＜0，表示可调式刀具不能完成规定功能，表示失效状态；Z=0，表示刀具功能处于上述两者之间的一种不稳定状态。刀具切削稳定可靠的可靠性是指Z＞0状态的概率。可表示为：

G=∫Ωf(x)dx

式中f(x)是联合密度函数，Ω={x∣G(X)＞0}为安全数 。

从上分析，现有产品的应力强度分布受多种因素的影响，其中包括：减少使用环境的变异、减少产品个体强度的个体差异、提高产品的设计余量。焊接刀具，现可转位车刀都不能同时满足这三相要求，所以只能以工件强度和硬度最高标准来考虑约束条件。在考虑刀具耐用度的约束条件时，就必须以刀具最低耐用度来考虑；在考虑工艺系统刚性时，也必须以刚度最低状态为标准，来选择操作参数，有时甚至还要留有一定的设计余量。尽管如此其应力强度干涉区域仍较大，意外损耗系数，对于焊接刀具硬质合金外圆粗车刀Ky=0.95(焊接报废的刀片约占总消耗量的20%，刀片总的利用汇率只占30%；)；对现可转位车刀由于考虑到设计余量、个体强度差异干涉区域较小，意外损耗系数提高至：Ky=1.04 ，对可调式刀具来说，由于系统的考虑到对应力强度干涉区的三相要求，刀具结构有限动态可靠性得到保证，所以其刀具耐用度提高2倍，初步估计Ky=1.3～1.5左右。

总之，可靠的产品 = 健壮的设计+ 受控的工艺流程,如图3所示。

3.小结

现国内外将应力强度干涉模型应用于刀具的分析很少，因而，可调式刀具的应用赶不上时代的需要。所以对可调式刀具构件在切削过程中的模糊可靠性设计具有开创性，不可调刀具对工艺切削问题的可靠性认识仅停留在可预知的平稳工艺环境、可预知的动态工艺环境和随机的平稳工艺环境中，分析其系统作业与协调问题均可按封闭系统对待，也可概率论描述其概率分析各类加工材料的分步特征。其通用的静态结构或刚性执行机构，不能考虑与实施工艺集中、绿色、环保等多项现代制造业的新要求，也不适应定制化不同批量生产形式集约化的经济要求。

以可调刀具各机构有限运动、紧固强度可靠性为目标函数的优化设计，能满足刀具工艺的集成与加工要求，分析刀具综合调整（刀片夹紧、转位、重磨、调整、调换）的边界范围，再依据等强度悬臂组合梁的强度，确定刀垫伸出刀台、刀片伸出刀垫的长度，以及后侧圆柱面在刀台圆柱面上的旋转角等结构特征。确定刀片平面有限往返转动与在刃口主截面内的有限往返直线移动的最大参数，确定刀头伸出刀台长度(约为刀杆高度H的1～1.5倍为宜)；确定刀头的厚度与刀台的高度以及刀片调整前、后角的最大参数；从而确定刀头的形位边界特点，各机构独立参数的调整幅度（主要是主偏角与前、后角，刃倾角为派生参数），刃口初始高度调整幅度的边界条件，于是4类加工材料的切削数据中相近参数集与流程就能具体确定。

为使刀头结构紧凑，需要优选各类参数的聚类中心，使其各独立几何参数的可调功能相对聚类中心（初相角）正负变化，并便于度量与工艺操作。例如：主偏角的调整基线与初相角；前后角调整初相角、刀尖初始高度。

处理流程实际就是一种流图分析，不同类相近几何参数的加工特征有相关性。其流向聚类中心能使工艺参数的分散度收敛到工艺集中工艺加工能力指数提高之处，简化了工艺高层设计的流程，提高了流程集约化、绿色化的能力。

三、针对工艺流程的核心技术

（1）刀片伸出刀垫，刀垫伸出刀头接合面一定长度，且符合等强度截面梁的强度要求，采用倾覆式夹具的机理，使切削力紧固式刀具进一步平稳、可靠。

（2）刀具主切削刃4个独立参数（γ0、ɑ0、λs、кs） 旋转矢量及其有限运动的的参数可靠技术。

（3）刀具主切削刃合理几何参数有效延续与变化是延长刀具生命周期并提高工序能力指数与工序集成能力的过程。所以，刀具综合可调功能（转位、重磨、调整、调换）与适应车削工艺系统不同加工特征与节点的变化与关联技术。

（4）圆柱刀杆的中空与刀套的小过盈配合结构以及尾部的密封结构，与夹持后的弹性微型位配合技术。该技术能平衡切削力载荷，保证稳定可靠的切削过程。

（5）刀具工序集成集成技术：刀片调换种类多，包括SNMM12-15、CNMM12-16、DNMM15、WNMG08，以及粗加工与半精加工、半精加工与精密加工、精密加工与超紧密加的集成与绿色加工（银白屑加工）技术。

四、结束语

现刀具技术局限在不可调刀具的静态范畴内，工艺参数动态优化不足，缺乏为制造业工艺流程和柔性化的集成与设计能力。明显说明了模糊可靠性设计的不足，对加工系统工艺流程受控的刚性状态。由于应用了模糊可靠性，可以在一定程度上改变现可转位刀具技术的跟踪、研仿的模式。而这种正向设计的方法能使车床类带修光刃的大进给精加工可调式刀具综合工具系统-的工艺加工能力的提高和拓展，使其具有比不可调刀具具有更广泛的柔性加工与高质量的技术优势与潜力，市场前景广阔。因而是我国业制造业2.0、3.0、4.0齐头并进、注重发展质量的必然产物，值得加工制造业推广与应用。 □