車床類帶修光刃的大進給精加工可調式刀具綜合工具系統

上海敖智信息有限公司 范亞炯

上海宇自航測控科技有限公司 楊 峰

南京能新電力實業有限公司 楊 蕓

蘭州電務段 于 帆

我國至今尚未形成車削類工具系統，而歐美國家都已建立了完備的車削類工具系統，但該系統僅是針對刀柄工作特性而建立、建全的能滿足切削性能優良、不同形狀、不同規格、不同狀態加工刀具更換方便、可靠、重復定位精度高與配套工具所組成的工具系統，只是成熟與有所創新的刀桿更換技術，系統工序能力指數并未有效提高。不管是整體式車削工具系統，還是只更換刀頭模塊的模塊式工具系統，其可轉位的刀頭結構基本未脫離不可調刀具幾何參數相近、品種繁多的技術范疇。只是大批量、少品種現代大工業的產物，需要龐大的投入，明顯與我國企業集約化、綠色化發展的需求不符。

現代工業界經過長期實踐，已不再盲目追求加工過程的全盤自動化，而是更加注重信息集成與人在CIMS和FMS中的積極作用。對FMS而言，人們已經認識到：系統規模較小，并允許人的更多的介入，系統往往會更有成效，因而，車床類帶修光刃的大進給精加工可調式刀具綜合工具系統正是面對工具應用工程的新問題，針對現車削類工具系統的技術缺陷，對單元刀具刀頭結構功能進行分解與系統綜合且結構創新的新一代工具系統。

刀具的正向設計包含概念設計的全部內涵，即根據刀具生命周期各階段工藝切削需求，進行其使用功能關聯與有效性的市場需求與服務分析，確定其功能分解與綜合的原理、功能載體的選擇和方案組成等。這種設計使不可調刀具的單向可轉位、單項可調換、不重磨低層次的可調創新提高到刀具切削參數綜合可調的全面創新與效用的突破。因而，刀具系統的效用手段與方法，即系統目標必須具有的控制、調節等功能，進入與目標相適應的狀態，并能排除加工系統內外的非線性干擾，即：轉位、調整、重磨、調換、緊固、自保系列使用功能效用的有序關聯，映射到操作程序就能表達了刀具幾何參數動態優化與工序能力指數與集中程度的有效提高。其執行機構在接觸弧面上有限往返生成工藝動作的多樣性安全和可靠，保證了能力拓展的有效性。

目前我國許多加工企業仍在沿用單刃與多刃刀具的加工方法—即傳統的加工方法（Conventional Cutting）,未深刻認識制造強國這種單一轉位與調換先進技術的局限性?？赊D位不重磨刀具技術的推廣，并未完全改變刀具品種與類型繁多的結構狀態。其先進性由于進行了面向工藝事務處理的聯機系統應用，從而加快并提高了分布式工藝過程的總體效益。但無法發現與運用靜態數據中的相近關系與關聯技術，工序能力的進一步提高與集成還有待解決。刀具技術仍局限在不可調刀具的靜態范疇內，保守性強、工藝參數動態優化不足，使刀具缺乏為制造業工藝流程和柔性化的集成與設計能力。而車床類帶修光刃的大進給精加工可調式刀具綜合工具(發明專利申請號：201310171116.7) 適應了我國正處在工業制造2.0、3.0、4.0齊頭并進與發展多元化柔性加工的需求。針對傳統產業的高端化改造和高端新興產業發展兩個層面刀具市場所面臨的此類問題，提出了具體的思路與解決方法。

圖1

一、針對工藝系統的創新特點

1.快速和有效性

能快速相應加工市場與服務需求，深入分析加工系統工藝流程的特點與變化狀況，進行刀具工藝使用能轉位、重磨、調整、調換關聯技術的系統應用與綜合，有效提高刀具的工序能力指數與工序集成能力，排除了系統外對加工精密、高效、低成本、綠色的非常規性干擾。

基于對不可調刀具工藝使用功能的分解與綜合，該工具系統能及時應對刀具機構功能載體的動態變化，進行模塊的選擇和方案組成，使該工具系統全面突破車削類不可調刀具的靜態技術范疇，刀具工藝加工性能得到綜合提高，轉位、調整、重磨 、調換、自保的綜合可調技術，有效提高了刀具工藝加工加工性能的適應柔性化生產的科技含量，其執行機構在接觸弧面上高、低副的有限往返運動生成工藝動作的多樣性安全、可靠，保證了工藝系統能力拓展的的有效性。比僅換刀頭模塊的模塊式工具系統具有更廣泛的工藝加工性能與工藝集成能力，刀具生命周期得到加寬與延長。

2.運用模塊化優化運算程序

運用模塊化優化運算程序進行可調式刀具的種群設計，使得刀具系統能夠適應制造業各子系統的現代化目標的新需求。現代制造業系統綜合效能的提高日益依賴于各要素之間的集成，體系結構體現了“組成系統的各部件之間的關系，以及支配它們設計和演變的關聯原則”。可調式刀具實用簡化模型的方法對體系結構進行描述，進而運用該優化運算程序能開發優化其種群設計，例如:銀白色重型切削加工工具系統、帶修光刃的大進給精加工工具系統、粗加工與半精加工集成工具系統、半精加工與超精密工集成工具系統，適應了現代制造業小工藝系統對刀具行業的發展需求。

不可調刀具的靜態結構或剛性執行機構，不能考慮與實施工藝集中、綠色、環保等多項現代制造業的新要求，也不適應定制化不同批量生產形式集約化的經濟要求。

二、運用K-means算法的程序具體說明刀具可調的工作原理與機制

1.對刀具機構的可靠性設計

刀具工藝優化設計模型中的設計變量與參數具有隨機性，或有概率約束時，就必須進行概率優化設計或模糊可靠性設計。該問題涉及到工藝切削過程安全可靠與費用合理這對矛盾有關的各類結構。其廣義應力即作用于刀具或其零件上的物理量：切削壓力、應力、位移、變形、磨損等用s表示，而將刀具或其零件承這種應力的能力，統稱為其廣義強度,用r表示。因此，刀具的不可靠度（失效概率）與可靠度（安全概率）R，可分別用式a和b表示：

若根據設計基本設計變量x1,x2┈,xn的分布規律，將獲得隨機變量s和r的分布形式和參數，就可用上式a或b所對應的應力強度干涉模型計算刀具或其零件的是效率和v可靠度。如公式c與圖2：

圖2 應力-強度干涉法實施步驟

2.應力-強度干涉法實施步驟

（1）確定零部件應力、強度分布。

（2）根據應力-強度干涉模型計算零部件可靠度。常用概率分布的可靠度計算公式如附表所示。

表2 常用概率分布的可靠度計算公式

（3）根據可靠性建模的基本可靠性模型和任務可靠性模型預計產品的可靠性。

（4）極限狀態函數法

應力——強度干涉是概率分析和設計的基礎，但是由于應力——強度干涉法需要已知應力和強度的分布類型和概率密度函數，因此工程中有時難以直接應用。通過建立極限狀態函數，利用一次二階矩等方法，可以不需要知道應力和強度分布進行可靠性預計，該方法是近似概率法的一種，常用于結構可靠性概率設計。

應力強度干涉模型揭示了概率設計（可靠性設計）的本質，客觀地反映產品設計和運行中的實際情況,可以定量地回答產品在使用中的實際問題。不可調刀具的傳統設計不能考慮刀具在設計與運行中存在失效的可能性，即使意外損耗系數也不能具體說明實際情況，而應力——強度干涉模型所采用的可靠性設計方法則可以具體解決這一問題。

結構可靠性理論認為可調式刀具設計過程中存在各種不確定因素，例如：工藝系統的各種要求與加工條件、載荷、材料、尺寸精度、工藝集中能力、CP值 、應力集中等，可以通過引入一個隨機向量X={x1,x2，┈xn}來表示這些隨機參數，根據其構件與零件的功能與失效判據，可以建立一個函數來表示規定功能和這些隨機參數的關系。稱為功能失效極限狀態函數、簡稱極限狀態函數：

Z=G(X)

Z＞0, 表示可調式刀具能完成規定功能；Z＜0，表示可調式刀具不能完成規定功能，表示失效狀態；Z=0，表示刀具功能處于上述兩者之間的一種不穩定狀態。刀具切削穩定可靠的可靠性是指Z＞0狀態的概率。可表示為：

G=∫Ωf(x)dx

式中f(x)是聯合密度函數，Ω={x∣G(X)＞0}為安全數 。

從上分析，現有產品的應力強度分布受多種因素的影響，其中包括：減少使用環境的變異、減少產品個體強度的個體差異、提高產品的設計余量。焊接刀具，現可轉位車刀都不能同時滿足這三相要求，所以只能以工件強度和硬度最高標準來考慮約束條件。在考慮刀具耐用度的約束條件時，就必須以刀具最低耐用度來考慮；在考慮工藝系統剛性時，也必須以剛度最低狀態為標準，來選擇操作參數，有時甚至還要留有一定的設計余量。盡管如此其應力強度干涉區域仍較大，意外損耗系數，對于焊接刀具硬質合金外圓粗車刀Ky=0.95(焊接報廢的刀片約占總消耗量的20%，刀片總的利用匯率只占30%；)；對現可轉位車刀由于考慮到設計余量、個體強度差異干涉區域較小，意外損耗系數提高至：Ky=1.04 ，對可調式刀具來說，由于系統的考慮到對應力強度干涉區的三相要求，刀具結構有限動態可靠性得到保證，所以其刀具耐用度提高2倍，初步估計Ky=1.3～1.5左右。

總之，可靠的產品 = 健壯的設計+ 受控的工藝流程,如圖3所示。

3.小結

現國內外將應力強度干涉模型應用于刀具的分析很少，因而，可調式刀具的應用趕不上時代的需要。所以對可調式刀具構件在切削過程中的模糊可靠性設計具有開創性，不可調刀具對工藝切削問題的可靠性認識僅停留在可預知的平穩工藝環境、可預知的動態工藝環境和隨機的平穩工藝環境中，分析其系統作業與協調問題均可按封閉系統對待，也可概率論描述其概率分析各類加工材料的分步特征。其通用的靜態結構或剛性執行機構，不能考慮與實施工藝集中、綠色、環保等多項現代制造業的新要求，也不適應定制化不同批量生產形式集約化的經濟要求。

以可調刀具各機構有限運動、緊固強度可靠性為目標函數的優化設計，能滿足刀具工藝的集成與加工要求，分析刀具綜合調整（刀片夾緊、轉位、重磨、調整、調換）的邊界范圍，再依據等強度懸臂組合梁的強度，確定刀墊伸出刀臺、刀片伸出刀墊的長度，以及后側圓柱面在刀臺圓柱面上的旋轉角等結構特征。確定刀片平面有限往返轉動與在刃口主截面內的有限往返直線移動的最大參數，確定刀頭伸出刀臺長度(約為刀桿高度H的1～1.5倍為宜)；確定刀頭的厚度與刀臺的高度以及刀片調整前、后角的最大參數；從而確定刀頭的形位邊界特點，各機構獨立參數的調整幅度（主要是主偏角與前、后角，刃傾角為派生參數），刃口初始高度調整幅度的邊界條件，于是4類加工材料的切削數據中相近參數集與流程就能具體確定。

為使刀頭結構緊湊，需要優選各類參數的聚類中心，使其各獨立幾何參數的可調功能相對聚類中心（初相角）正負變化，并便于度量與工藝操作。例如：主偏角的調整基線與初相角；前后角調整初相角、刀尖初始高度。

處理流程實際就是一種流圖分析，不同類相近幾何參數的加工特征有相關性。其流向聚類中心能使工藝參數的分散度收斂到工藝集中工藝加工能力指數提高之處，簡化了工藝高層設計的流程，提高了流程集約化、綠色化的能力。

三、針對工藝流程的核心技術

（1）刀片伸出刀墊，刀墊伸出刀頭接合面一定長度，且符合等強度截面梁的強度要求，采用傾覆式夾具的機理，使切削力緊固式刀具進一步平穩、可靠。

（2）刀具主切削刃4個獨立參數（γ0、ɑ0、λs、кs） 旋轉矢量及其有限運動的的參數可靠技術。

（3）刀具主切削刃合理幾何參數有效延續與變化是延長刀具生命周期并提高工序能力指數與工序集成能力的過程。所以，刀具綜合可調功能（轉位、重磨、調整、調換）與適應車削工藝系統不同加工特征與節點的變化與關聯技術。

（4）圓柱刀桿的中空與刀套的小過盈配合結構以及尾部的密封結構，與夾持后的彈性微型位配合技術。該技術能平衡切削力載荷，保證穩定可靠的切削過程。

（5）刀具工序集成集成技術：刀片調換種類多，包括SNMM12-15、CNMM12-16、DNMM15、WNMG08，以及粗加工與半精加工、半精加工與精密加工、精密加工與超緊密加的集成與綠色加工（銀白屑加工）技術。

四、結束語

現刀具技術局限在不可調刀具的靜態范疇內，工藝參數動態優化不足，缺乏為制造業工藝流程和柔性化的集成與設計能力。明顯說明了模糊可靠性設計的不足，對加工系統工藝流程受控的剛性狀態。由于應用了模糊可靠性，可以在一定程度上改變現可轉位刀具技術的跟蹤、研仿的模式。而這種正向設計的方法能使車床類帶修光刃的大進給精加工可調式刀具綜合工具系統-的工藝加工能力的提高和拓展，使其具有比不可調刀具具有更廣泛的柔性加工與高質量的技術優勢與潛力，市場前景廣闊。因而是我國業制造業2.0、3.0、4.0齊頭并進、注重發展質量的必然產物，值得加工制造業推廣與應用。 □