[发明专利]一种基于随机过程的刀具的动态可靠性及失效率方法

说明书

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种确定刀具动态可靠性及失效率的方法，具体涉及一种基于随机过程的刀具的动态可靠性及失效率方法。

背景技术

我国高档数控机床在国际上处于劣势地位，其主要原因就是机床可靠性低。影响机床可靠性的因素有很多，例如刀架系统故障、刀盘故障、电气和液压故障等，特别是切削刀具的失效占到机床总失效概率的30％。为了提高切削刀具的寿命及刀具系统的可靠性，国内外学者进行了一定的研究。美国学者Mazzuchi和Soyer建立了基于泰勒公式的数控机床刀具可靠性模型，用于计算加工过程参数，该方法从实验数据中为数控机床刀具确定比例风险模型的描述统计，并且将切削速度，吃刀量，切削深度等考虑到模型中，便于评估刀具失效的评价机制，虽然此模型比较简便，但是由于模型局限于统计模型的出发点，因此，不能提供加工过程对刀具可靠性的影响。哥伦比亚的Carmen研究了加工过程中刀具磨损与可靠性的关系，并且将可靠性概念用于切削换刀时间问题的处理中。德国学者M.Kronenberg首先针对端铣加工切入类型与刀具破损之间的关系进行了研究，解决了切入类型对可靠性影响的计算问题。

国内李兆前、艾兴、刘战强等人建立了一种动态切削力的数学模型，把切削振动和动态切削力联系起来，首次提出了动态切削中动态偏角的概念。杨俊茹、樊宁等人对刀具的寿命可靠性进行了分析，同时进行了大量的可靠性寿命切削试验来保证刀具的高可靠性。金雅娟等将鞍点逼近的方法应用到刀具磨损可靠性理论上，建立了针对于陶瓷刀具磨损可靠性的数学模型。

上述国内外有关刀具系统可靠性的研究，从实验角度看，研究方法都需要耗费大量的时间和财力物力，而且在进行刀具试验时，同一批次的试验刀具的几何、物理和切削参数的选取都具有一定的随机性，若按确定数值来处理势必对实验结果造成一定的误差，甚至给出错误的结论。从理论模型角度看，上述刀具可靠性模型都是建立在静态可靠性模型基础上的，计算得到的可靠度实际上是随机载荷作用一次或特定次数时的可靠度，不能反映出刀具可靠度随冲击载荷作用次数及切削时间的变化规律。而刀具在加工过程始终处于一种动态切削过程，用静态模型来分析，其准确性和精度已远远不够。

发明内容

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随机过程的刀具的动态可靠性及失效率方法，该方法能够计算刀具在任意时刻和冲击载荷作用次数下的可靠度和失效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种基于随机过程的刀具的动态可靠性及失效率方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，定义刀具的失效判据，建立刀具的可靠度数学模型；

步骤2，载荷作用过程为一随机过程，结合步骤1建立的可靠度数学模型，建立单位冲击次数下的刀具动态可靠性及失效率数学模型，延伸扩展，建立多次冲击作用下的刀具动态可靠性及失效率数学模型，进而得到考虑载荷作用次数下的刀具动态可靠度及失效率；

步骤3，结合步骤1建立的可靠度数学模型，建立考虑切削加工时间的硬质合金刀具的动态可靠性及失效率数学模型，进而得到在任意切削时间点下的刀具的动态可靠度及失效率。

本发明的特点和进一步改进在于：

步骤1中可靠度数学模型的建立过程如下：

以应力-强度干涉(SSI)模型为基础，将硬质合金刀具内部应力与临界疲劳应力相干涉的数学模型为其失效判据，设σ为刀片内某一点应力，σ₀为刀具临界疲劳应力，当σ分布F(σ)函数和σ_t分布函数F_t(σ)或概率密度函数f_t(σ)已知时，应用SSI模型即可求出刀具的可靠度，其表达式为：