模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械设备的试验设计领域，具体涉及一种数控刀架的可靠性试验方 案。
【背景技术】
[0002] 数控刀架可靠性试验是提高数控刀架及整机可靠性的重要环节，可以充分暴露数 控刀架产品的薄弱环节，得到大量的可靠性数据信息，对数控刀架的改进设计及新产品的 可靠性设计等有重要意义。
[0003] 目前，数控刀架的可靠性试验主要分为整机用户现场可靠性试验和实验室台架可 靠性试验。但是，这两种试验方法都存在一定的弊端。用户现场可靠性试验虽然能够在实 际工况下完全、充分的暴露故障，但由于用户现场环境复杂，因此试验条件不易控制，导致 试验过程中获取的测试信号容易受现场环境干扰；另一方面，现场试验内容受企业实际生 产计划限制，因此要获得相对充分的测试数据需要较长的试验周期，甚至需要依托多家用 户以完成现场试验，这样必然造成较高的成本。刀架的实验室台架试验具周期短和信号易 于采集等优点，但目前所设计的试验内容仅局限于针对刀架本体的模拟加载刚度试验，以 及连续运转试验等无法复现实际使用环境，所设计任务剖面不包含实际切削任务，因此无 法真实全面地反映刀架可靠性水平。如何顺利解决上述两种可靠性试验方法存在的弊端， 是数控刀架可靠性试验设计中的难题。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对现有刀架可靠性试验方案存在的问题，提出了 一种能有效模拟切削工况且试验周期较短、信号容易获取的数控刀架可靠性切削试验方 法，以真正达到通过试验有效、全面地反映数控刀架可靠性性能水平的目的。
[0005] 为达到上述目的，本发明创造采用如下技术方案：模拟工况下的数控刀架可靠性 切削试验方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1 :获取目标刀架在生产使用过程中参与的加工类型，承受轻载、中载和重载 的时间分配比例，以及加工工件材料的种类和数量比例；
[0007] 步骤2 :设备安装和试验工件材料准备：将目标刀架安装在机床上，根据步骤1中 获取的结果准备试验工件材料；
[0008] 步骤3 :确定刀架的切削载荷谱：根据步骤1获取的结果设计试验工件的工艺流 程，使其包含所有加工类型，且目标刀架在切削试验工件时承受轻载、中载和重载的时间分 配比例满足步骤1获取的结果；通过切削力测试系统获取每一工序加工时的实际切削力， 通过统计得到刀架的切削载荷谱；所述工艺流程包括具体工序及切削用量，所述切削用量 包括背吃刀量、进给量和切削速度；
[0009] 步骤4 :进行可靠性切削试验，并在切削试验过程中对目标刀架进行性能检测：按 照步骤3设计的试验工件的工艺流程，编写加工程序，制定加工规范，进行切削加工试验； 每完成M个工件的切削，进行重复定位精度测试；每完成N个工件的切削，进行转位噪声测 试、转位箱体振动测试和切削刀盘振动测试；对测试信号进行特征提取和分析，其变化趋势 可以反映刀架的可靠性变化趋势。
[0010] 所述步骤3中确定刀架切削载荷谱的步骤如下：
[0011] 步骤31 :初定试验工件的工艺流程：根据步骤1获取的结果，初步设计试验工件的 工艺流程，使其包含所有加工类型，结合经验公式计算每一工序设定的切削用量下，目标刀 架承受的切削力和切削功率；得到目标刀架在切削试验工件的过程中承受轻载、中载和重 载的时间分配比例；
[0012] 步骤32 :校核实际切削力：按照步骤31中制定的工艺流程加工试验工件，并采用 切削力测试系统获取每一工序加工时的实际切削力，计算得到目标刀架在切削试验工件过 程中承受轻载、中载和重载的时间分配比例；
[0013] 步骤33 :确定试验工件的工艺流程：将步骤32得到的目标刀架在切削试验工件过 程中承受轻载、中载和重载的时间分配比例与步骤31得到的结果进行比较；若出现偏差， 则适当调整切削参数后重复步骤32,使其满足步骤1中获取的轻载、中载和重载的时间分 配比例；同时，通过切削力测试系统获取数据，统计得到目标刀架在加工试验工件时的切削 载荷谱。
[0014] 所述步骤33中的切削载荷谱为通过数理统计方法，根据步骤32所获得实际切削 力处于不同组段的频次绘制的直方图。
[0015] 所述步骤4中的M和N的值根据实际产品设定。
[0016] 所述步骤4中的M的取值范围为10~30, N的取值范围为40~80。
[0017] 所述步骤4的特征提取和分析根据具体环境选择最能反映特征规律的分析方 法。
[0018] 所述步骤4在试验过程中，刀架出现功能失效，包括刀架不转位、乱刀或者性能参 数超标，则立即停止检查；试验人员根据故障判据、计数原则，对故障进行记录、分析、排除。
[0019] 本发明优点：基于试验工件加工所制定的任务剖面具有代表性，可以有效模拟实 际工况用以研宄刀架在切削加工过程中的可靠性，弥补了目前数控刀架连续运转试验仅考 察转位功能可靠性的不足；同时，本发明相较于现场试验，具有信号易于准确采集、试验周 期短、费用较低等优点。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明方法的流程示意图。
[0021] 图2是本发明实施例中试验工件的工程图。
[0022] 图3是本发明实施例中目标刀架加工试验工件全过程的功率时间历程。
[0023] 图4是本发明实施例中目标刀架的切削载荷谱。
[0024] 图5本发明实施例中试验流程图。
[0025] 图6是本发明实施例中刀架转位噪声测试测量位置示意图。
[0026] 图7是本发明实施例中测量刀架转位振动时传感器摆放位置示意图。
[0027] 图8是本发明实施例中测量切削振动时传感器摆放位置示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合说明书附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以 下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0029] 结合图1，本实施例的数控刀架可靠性切削试验包括如下步骤：步骤1 :获取目标 刀架在生产使用过程中参与的加工类型，承受轻载、中载和重载的时间分配比例，以及加工 工件材料的种类和数量比例；步骤2 :设备安装和试验工件材料准备；步骤3 :确定刀架的 切削载荷谱；步骤4 :进行可靠性切削试验，并在切削试验过程中对目标刀架进行性能检 测。
[0030] 其中，步骤1获取目标刀架在生产使用过程中参与的加工类型，承受轻载、中载 和重载的时间分配比例，以及加工工件材料的种类和数量比例；具体过程如下：目标刀架 为数控转塔液压刀架（SAUTER 0. 5. 440. 216)。通过对多家加工企业数控车床加工件进行 统计，获取目标刀架在生产使用过程中参与的加工类型，其中，加工类型包括车外圆、车 端面、镗孔、切槽、车螺纹等类型；得出目标刀架在生产使用过程中主要用来加工钢、铸铁 和有色金属材料，数量比例大致为钢：铸铁：有色金属=6:3:1 ;记安装目标刀架的数控车 床额定功率为，刀架所承受载荷的轻重划分以切削功率来定义，其中，(KPgisS 〇. 3Ρ_ 定，0· 3P额定〈Ρ中载<0· TT额定，0· TT额定〈Pji载< P额定，P轻载、P中载、P1I载分别为目标刀架在受轻 载、中载、重载时的切削功率。在加工过程中，目标刀架承受轻载、中载和重载的时间比例大 致为Tggj :T巾载:T重U = 3:5:2 、T重U分别为目标刀架受:轻载、中载、重载时的时间。 此调研结果用来作为试验材料选择和切削载荷制定的依据。
[0031] 步骤2试验工件材料准备和设备安装具体如下：将目标刀架安装至数控车床 (CKH6156)上，根据步骤1中获取的结果准备试验工件材料。数控车床的精度、安全应 满足相关规范标准（GB/T 16462-1996数控卧式车床精度检验；GB/T16462-2007数控 车床与车削中心检验条件；GB 22997-2008机床安全小规格数控车床与车削中心JB/T 4368. 3-1996数控卧式车床技术条件）。
[0032] 为实现车端面、外圆、镗内孔、切槽、车螺纹多种加工类型，选取外径80mm，内径 30mm，长度150mm厚壁管作为毛坯件，其中45号钢150个、铸铁75个、有色金属材料25个 (包含铝件15个，铜件10个）。
[0033] 步骤3确定刀架的切削载荷谱具体步骤如下：步骤31 :初定试验工件的工艺流程， 具体如下：根据调研结果得出的目标刀架加工类型要求，初步设定试验工件的工艺流程，工 艺流程包括具体工序及切削用量；工件为两端加工，分为A、B两区，A区包含车端面、车外圆 和镗孔三种加工方式，B区包含车端面、车外圆、切槽和车螺纹4种加工方式。
[0034] 根据切削用量手册中的切削力和切削功率计算公式预设定切削用量三要素（背 吃刀量、进给量和切削速度），使目标刀架承受轻载、中载和重载的时间比例在理论上大致 夕两足T轻载：T中载：T Ji载=3:5:2。
[0035] 主切削力计算公式
[0036]
[0037] 切削功率计算公式
[0038] Pc= FcXvX 10-3/60
[0039] 式中，F。为主切削力（N)， I;取决于工件材料和