一种基于动态可靠度确定换刀时间的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械加工技术领域，涉及一种确定换刀时间的方法，具体涉及一种基 于动态可靠度确定换刀时间的方法。
【背景技术】
[0002] 现代社会，高精自动化技术得到广泛应用，机械行业对产品整个工艺流程的可靠 性提出了更高的要求，它与机床、操作者、刀具的可靠性息息相关，所以研究刀具的可靠性 和灵敏度显得至关重要。如果刀具可靠性差，就会造成换刀频繁，产品不合格率上升，消耗 更多的工时和经济成本。
[0003] Ramalingam和Watson等对刀具的可靠性进行了研究，建立了确定刀具耐用度的 概率模型。K.-S. Wang等建立了考虑衰减因素在内的刀具磨损可靠性数学模型。Akturk等 提出了一种基于简单的调度规则和通用搜索的启发式模型。Oral和Cakir定义了可用于旋 转零件工艺设计系统的计算机辅助优化方案，它规定一个最佳方案必须具有最少的换刀次 数和最短的刀具空行程时间。Carmen Elena Patino Rodriguez提出了最佳换刀时间的数 学模型，降低了对工艺可靠性的影响。目前国内外学者大都研究如何进行合理地机械调度 与规划以达到减少工时的目的，而没有将刀具的可靠性作为影响换刀时间和机加工艺的重 要因素考虑在内。除此之外，由于机械振动、加工材料的质地分布情况等因素的影响，其切 削参数是随机变化的，作为随机变量更贴近真实工况，但关于切削参数对刀具可靠性影响 程度即可靠性灵敏度及换刀时间和整体工艺流程可靠性的影响还未见报道。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于动态可靠度确定 换刀时间的方法，该方法通过建立整个工艺流程动态可靠度模型，推导了各工序刀具的失 效率计算公式，以刀具失效率为判据确定被更换刀具。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0006] -种基于动态可靠度确定换刀时间的方法，具体按照以下步骤实施：
[0007] 步骤1，建立整个工艺流程动态可靠度模型；
[0008] 步骤2,根据步骤1建立的模型计算得到工艺流程的可靠度，将其与许用的可靠度 值进行比较，确定换刀时间。
[0009] 本发明的特点和进一步改进在于：
[0010] 步骤1中整个工艺流程动态可靠度模型的建立过程如下：
[0011] 在加工零件时，机床、操作者、刀具三者组成一个串联系统且相互独立，则整个工 艺流程的可靠度表示为：
[0012] Rb (t) = Rn (t) XR0(t) XRt(t) (I)
[0013] 式中，Rb(t)、Rjt)、RciU)、Rt(t)分别表示整体工艺、机床、操作者和刀具的可靠 度；
[0014] 假设机床在加工一批零部件时，机床本身和操作者不发生故障，即Rni (t) = Rci (t) =1，则有
[0015] Rb(t) = Rt(t) (2)
[0016] 刀具的可靠度依赖于机床的实际工作情况，且与各切削参数有关，刀具的可靠寿 命服从指数分布，则有
[0018] 式中：V为切削速度mm/min ;f为进给量mm/r ;d为切削深度mm ; λ、α、β i、β 2、 β 3均为常数，可由最大似然估计法求得；
[0019] 在实际加工过程中，通常以加工零件的个数N为计时单位，假设一个完整的工艺 流程共含有η道工序，且第i道工序刀具的切削加工时间为^，该道工序刀具的可靠度为 Rtl，那么整个工艺流程的可靠度看作是由η个串联的子系统组成的可靠度，由式（2)、（3)可 知，当加工N个零部件时第i道工序刀具的可靠度为：
[0023] 当η = 1时，式（5)表示整个工艺流程只含有一道工序时的可靠度。
[0024] 步骤2具体过程如下：
[0025] 当整个工艺流程只有一道工序时，以加工零件的个数N为计时单位，根据公式（5) 可计算出可靠度，将其与许用的可靠度值进行比较，若低于许用的可靠度值时，则必须进行 换刀，设工序的工作时间为t，则换刀时间Τ。为：
[0026] Tc= Nt (6)
[0027] 实际生产加工过程，一个完整的工艺流程将包括多道工序，假设不同的工序使用 不同的刀具，首先应根据公式（5)计算出整个工艺流程的可靠度并与许用的可靠度值进行 比较，若低于许用的可靠度值，则必须进行换刀；
[0028] 由于涉及不同的刀具，如何选择需要被更换的刀具成为关键性的问题，采用计算 各个刀具失效率的方法来确定需要被更换的刀具，定义失效率最大的刀具为临界刀具；
[0029] 已知刀具的失效概率函数为：
[0030] F(t) = I-Rt (t) (7)
[0031] 则刀具的失效概率密度函数为：
[0033] 将式（7)代入式⑶得
[0035] 以加工零件的个数N为计时单位，设一个完整的工艺流程共含有η道工序，且第i道工序的工作时间为h，则结合公式（4)与（9)，可得刀具的失效率函数为：
[0037] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038] 本发明基于动态可靠度确定换刀时间的方法，通过建立整个工艺流程动态可靠度 模型可以确定换刀时间，通过推导各工序刀具的失效率计算公式，可以确定具体被更换的 刀具，最终实现刀具的最大限度应用，节约成本。
【附图说明】
[0039] 图1为每次换刀前后可靠度的变化曲线；
[0040] 图2为盘类零件结构；
[0041] 图2-1为图2的C-C剖面图；
[0042] 图3为各工序刀具的失效率随加工零件个数的变化曲线；
[0043] 图4为换刀前后整个工艺流程的可靠度随加工零件个数的变化曲线；
[0044] 图5为1号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0045] 图6为2号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0046] 图7为3号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0047] 图8为4号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0048] 图9为5号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0049] 图10为6号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0050] 图11为7号刀具对切削参数的可靠性灵敏度变化曲线；
[0051] 图12为延迟换刀后整体工艺流程可靠度变化曲线。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0053] 本发明基于动态可靠度确定换刀时间的方法，具体按照以下步骤实施：
[0054] 步骤1，建立整个工艺流程动态可靠度模型
[0055] 在加工零件时，机床、操作者、刀具三者组成一个串联系统且相互独立，则整个工 艺流程的可靠度表示为：
[0056] Rb (t) = Rni (t) X R。(t) X Rt (t) (1)
[0057] 式中，Rb(t)、Rjt)、RciU)、Rt(t)分别表示整体工艺、机床、操作者和刀具的可靠 度；
[0058] 假设机床在加工一批零部件时，机床本身和操作者不发生故障，即Rjt) = RJt) =1，则有
[0059] Rb(t) = Rt(t) (2)
[0060] 刀具的可靠度依赖于机床的实际工作情况，且与各切削参数有关，刀具的可靠寿 命服从指数分布，则有
[0062] 式中：V为切削速度mm/min ;f为进给量mm/r ;d为切削深度mm ; λ、α、β i、β 2、 β 3均为常数，可由最大似然估计法求得；
[0063] 在实际加工过程中，通常以加工零件的个数N为计时单位，假设一个完整的工艺 流程共含有η道工序，且第i道工序刀具的切削加工时间为^，该道工序刀具的可靠度为 Rtl，那么整个工艺流程的可靠度看作是由η个串联的子系统组成的可靠度，由式（2)、（3)可 知，当加工N个零部件时第i道工序刀具的可靠度为：
[0067] 当η = 1时，式（5)表示整个工艺流程只含有一道工序时的可靠度。
[0068] 步骤2,根据步骤1建立的模型计算得到刀具的可靠度，将其与许用的可靠度值进 行比较，确定换刀时间
[0069] 当整个工艺流程只有一道工序时，以加工零件的个数N为计时单位，根据公式（5) 可计算出可靠度，将其与许用的可靠度值进行比较（这里设许用的可靠度值为〇. 8,根据实 际加工要求该许用的可靠度值可以任意调整），若低于许用的可靠度值〇. 8时，则必须进行 换刀，设工序的工作时间为t，则换刀时间Τ。为：
[0070] Tc= Nt (6)
[0071] 图1中的&、N2、N3、N4是换刀时加工零件的个数。假设工艺流程整体可靠度不能 低于0. 8,那么在&点换刀时，整体工艺流程的可靠度由原来0. 8的位置提升到大致0. 97 的位置；在队点换刀时，整体工艺流程的可靠度由原来0. 82的位置提升到大致0. 95的位 置，第2次换刀之所以在整体工艺流程的可靠度高于0. 8时，是因为再继续加工出一个零部 件后整体工艺流程可靠度将要低于0. 8,这样就会出现废品或者停车事故，所以需要提前一 个零部件进行更换。从图1中可以看出通过及时确定被更换的刀具和更换时间就能够始终 保持整体工艺流程可靠度高于许用的可靠度值。