刀具寿命（共4篇）
刀具寿命 篇1
传统的金属切削的研究一般通过切削实验发现刀具的磨损机理, 进而预测切削力、切削温度以及刀具的磨损及耐用度, 从而为自动化加工过程中的换刀决策提供支持。但是, 这种研究方法需要对大量的切削实验数据进行分析, 受到研究费用、时间等条件的限制, 切削试验的次数往往是很有限的[3]。如何能用更加有效的途径研究金属切削过程愈来愈成为研究人员关注的焦点, 而灰色系统理论的出现使其成为可能。
灰色系统理论是一门新兴的横断科学, 其研究对象是“部分信息已知, 部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统[7]。灰色理论将原始随机数列采用生成信息的处理方法来弱化其随机性, 使原始数据序列转化为易于建模的新序列。灰色理论在经济、社会、气象、地质等领域的预测和决策中得到了广泛应用, 并取得了大批的科研成果。
在金属切削中刀具的磨损过程不仅受到刀具材料、工件材料的物理机械性能和切削条件的影响, 某些复杂的、未知的及不确定性因素也渗入其中, 因此金属切削过程可以看成一个典型的灰色系统。文献[3]将灰色理论应用于金属切削理论的研究, 建立了铣削力的灰色预测模型, 本文主要探讨灰色预测方法在刀具寿命预测中的应用。
1 灰色系统理论预测方法
部分信息已知, 部分信息未知的系统称为灰色系统, 而利用系统有限的已知信息建立灰色模型 (Grey Model) 是预测的关键。GM (1, 1) 模型为典型的一个变量的一阶灰微分方程, 其建模的基本原理如下。
设已知的时间序列为x (0) = (x (0) (1) , x (0) (2) , …, x (0) (n) ) , 对此数列进行一次累加, 得到一个新的数列x (1) = (x (1) (1) , x (1) (2) , …, x (1) (n) ) , 其中对x (1) 建立GM (1, 1) 模型, 其对应的微分方程为
求解方程式 (1) , 得
按照原则进行累减运算, 可得原始数列的预测值为
将实测值x (0) (k) 与模型的预测值x# (0) (k) 进行比较可得出相对残差e (0) (k) , 平均残差e (0) (avg) 及精度p°。
2 应用灰色GM (1, 1) 模型预测刀具磨损量
在CA6140普通车床上用YT15硬质合金刀具车外圆, 工件材料为45钢, 调质处理, 切削速度为250m/min, 进给量为0.2mm/r, 背吃刀量为1.5mm。保持上述切削参数不变, 在相同切削时间间隔下测量到的刀具磨损量如表1。
刀具初期磨损较快且不稳定[8], 一般初期磨损量为0.05~0.1mm, 按照这个标准, 选择第3min到第9min的磨损量作为磨损量的原始数据序列, 即x (0) = (0.120, 0.138, 0.157, 0.173, 0.193, 0.205, 0.216) , 进行一次累加运算得到序列x (1) = (0.120, 0.258, 0.415, 0.588, 0.781, 0.986, 1.202) , 进而求得矩阵
将a、b及x (0) (1) 的值代入式 (2) , 可得然后将所得的值代入式 (3) 即可求得对原始数列的预测值通过式 (4) 、 (5) 、 (6) 求得预测模型的相对残差e (0) (k) , 平均残差e (0) (avg) 及精度p°。表2为磨损量实测值与预测值的比较。
由表2可以得出, 预测值与实际值的误差均在5%以内, 平均残差e (0) (avg) =1.78%, 模型的精度p°=98.22%, 表明此预测模型可以满足工程的需要。
图1为刀具磨损量灰色预测结果曲线, 从曲线的发展趋势可以看出, 刀具的磨损量有随着切削时间的延长而加剧之势, 符合实际, 再次证明了预测模型的正确性。
3 刀具寿命的预测
假定以磨损量达到0.3mm作为刀具的磨钝标准, 根据式 (3) 可知[x (0) (1) -b/a] (1-ea) e-a (k-1) =1.59283396 (1-e-0.0863803) e0.0863803 (k-1) =0.3, 求解此方程, 可得k=10.52。因为选取切削进行到第3min时刀具的磨损量作为原始数列的第一个值, 所以可做出预测:当切削时间为12.52min时, 刀具的磨损量达到0.3mm。通过补充试验测得, 当切削时间为12.52min时, 刀具的磨损量为0.304mm, 实测值与预测值之间误差1.17%, 满足工程的需要。因此, 为了保证加工的质量, 需要在切削进行12.52min后换刀。
4 结语
刀具的磨损是一个复杂的过程, 其中包含一些未知的、不确定性的因素。通过采用灰色理论建立刀具寿命模型并进行试验研究, 得出如下结论: (1) 刀具磨损量的灰色预报模型采用实测的磨损数据按照设定的等时间间隔进行刀具寿命预报, 预报值与实测值能较好的吻合, 满足工程的需要。 (2) 灰色系统理论的预测以小样本、贫信息的不确定系统为研究对象, 计算方法比较简单, 且预测精度高, 完全可以满足一般工程预测的要求。可以预见, 用灰色理论研究金属切削过程将有广泛的应用前景。
参考文献
[1]陈庆斌, 秦树人.灰色预测法在机械测试中的应用[J].中国测试技术, 2007 (9) :10-13.
[2]郑聚龙.灰理论基础[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002.
[3]庞学慧.灰色预测及其在金属切削理论研究中的应用[J].新技术新工艺, 2002 (11) :17-18.
[4]李迎, 陈维金, 李小忠.基于灰色理论的高速动态铣削力在线预报研究[J].制造技术与机床, 2007 (8) :13-16.
[5]于雷.灰色系统理论在汽车齿轮寿命预测中的应用[J].汽车技术, 2006 (9) :24-26.
[6]郑聚龙.灰预测与灰决策[M].武汉:华中科技大学出版社, 2002.
[7]罗佑新, 张龙庭, 李敏.灰色系统理论及其在机械工程中的应用[M].长沙:国防科技大学出版社, 2001.
[8]陈日曜.金属切削原理[M].北京:机械工业出版社, 2002.
刀具寿命 篇2
目前高档数控系统中都具有刀具寿命管理功能,此功能可有效的提高数控机床设备的自动化水平,同时可以提升产品加工质量过程控制。机床设备制造商和多数机床用户往往忽略此功能,或应少数用户的需求才增加此功能的使用。总而言之,充分使用好此功能在实际产品加工中非常有意义。本文将结合公司研发的斜床身式数控车床SL50的刀具寿命管理功能调试,重点阐述此功能使用的方法及关键问题的分析。
1 刀具寿命管理功能介绍
将用户刀具群分类为几个组,在每个组中事先指定刀具的寿命(使用次数或者使用时间)。并且,在每次使用属于各组的刀具时计数其寿命,当寿命快到尽头时,在相同组内自动选择被事先按照一定顺序排列的新刀具。由此,便可以一边管理刀具的寿命,一边继续进行加工。管理刀具寿命的数据,由刀具组号、刀具寿命值、刀具号和刀具补偿量指定代码组成,将这些数据登录在CNC中[1,2],用户可以通过一个友好和可视的监控画面了解刀具整个使用过程。
2 刀具寿命管理功能的实现
2.1 刀具寿命管理的参数设置
#8132.0=1使用刀具管理功能
#6813=0刀具寿命数据表总容量0=128
#6800.2=1刀具寿命计数类型按时间予以指定(0为按次数计数)
#6800.4=1本参数被设定为“1”时,即使是在清除刀具寿命管理一览画面中的执行数据的“擦除操作”的情况下,也清除已被登录所有组的执行数据。
#6810=1000刀具寿命管理忽略号(刀具调用号超过该值时,扣除该值的为刀具组号)
#6811=71M71刀具寿命计数再启动
#3032=8T代码的最大位数
2.2 刀具寿命管理数据登录、改变和删除刀具寿命管理数据
FANUC系统提供标准的指令格式进行刀具寿命管理数据的登录,按照表1的指令格式执行完指令后,系统将刀具寿命管理数据登录在CNC中,用户可以在OFFSET SETTING中的TL寿命菜单中看到刀具寿命数据。
当一组中的所有刀具寿命均到时,需要更换刀具。更换完成后在程序画面运行G10L3P1;P_L_;T_;G11;M02;则该组的数据被更新。如果更新所有刀具组的数据,在程序画面运行M71;则所有刀具组的数据被更新。值得注意的一点,如果在程序换刀画面直接运行T0x0x直接换刀。刀具使用的情况将不计入刀具寿命管理数据。
2.3 刀具寿命管理PLC
为了实现数控系统刀具寿命管理功能,还应在机床的PLC梯图中增加对于刀具寿命管理的PLC如图1所示,当刀具寿命达到你设定的寿命值时,机床会出现报警。当出现报警A7.1:TOOL LIFE RUN OUT,即表示刀具寿命已到,需更换同组刀具(报警在下一次换刀时自动清除)。当出现报警A7.0:TOOL LIFE MANAGEMENT END,即表示一个组的刀具寿命已到,需更换当前组刀具,同时在主轴停止时,机床坐标轴停止运动并锁住。梯图中R230.0为选刀指令,R808.7为M71,R507.7为M71结束指令。
2.4 刀具寿命管理调试中关键问题分析
用户在使用数控车床刀具寿命管理时,指定刀具组指令(Txx99代码)时,将选择刀具组内寿命未到尽头的刀具。寿命计数类型为时间的情况下,一旦组内的最后一把刀具寿命到了尽头就立即输出换刀信号TLCH F64.0。在指定次数的情况下,在组内的最后一把刀具寿命已到尽头之后,通过M02或者M30等的指令复位CNC时,或者在指令刀具寿命计数再开M代码的时刻输出换刀信号。图1中刀具寿命管理PLC以时间指定情况下进行编写,在寿命计数为次数指定时,将不出现报警A7.1,因系统不出现逐把刀具更换信号TLCHI F64.2。
3 结束语
随着高档数控系统在数控车床中广泛使用。机床产品设计、调试人员应尽可能的挖掘系统的强大功能,满足不同机床使用者的需要。调试人员通过掌握刀具寿命管理功能的一般使用原理,即可在其他高档数控系统中使用刀具寿命管理功能,全面提升机床设备的自动化水平。
参考文献
[1]Fanuc0i Mate-TD系统操作说明书[Z].北京发那科,2008.
刀具寿命 篇3
“十一五”至“十二五”期间,我国煤矿机械装备需求量持续增加,煤矿机械加工制造业取得了长足发展,但近年来,我国煤炭行业经济整体面临较大下行压力,煤矿设备供应商更加注重从各个环节降低生产成本,由于立柱、千斤顶的机加工刀具消耗量大,成本高,且刀具更换周期及刀具寿命主要通过传统的统计方法获取,并以设备所使用刀具的平均寿命作为刀具定额标准,这种方式虽然对控制刀具使用成本有一定作用,但是机床使用频率、加工参数、加工零件等影响因素却未考虑在内,致使刀具的寿命值设定得不合理,造成刀具的成本上升。以加工零件这一因素为例,看似相同的材料,内部所含材料成分比例略有不同,可能切削性能就有很大的区别。即使完全相同的材料,如部件结构不同、成型方法不同、热处理设备或工艺不同、前道工序加工刀具不同,均会造成刀具寿命有显著差别。因此,有必要建立新的数控精加工刀具寿命计算数学模型,以解决数控加工刀具管理的这一难题[1,2,3,4,5]。
1 数控加工刀具的影响因素
刀具的寿命与切削三要素有关,其经验公式[6,7,8,9,10]如下:
由此可以发现,在进行刀具寿命研究之前,需要分类统一各种规格零件的加工三要素。但是在实际加工过程中,由于设备和操作工对刀具的认识程度不一,所选用的刀具加工三要素也不一致。根据刀具的研究理论,Vc对刀具寿命影响最大,f影响次之,ap影响最小[6,11]。同时,在精车过程中,操作工选用的f和ap往往相同或者相近,但是由于采用机床转速编程,不同规格零件其线速度会存在较大差异,而线速度又是影响寿命最大的因素,因此有必要建立线速度和刀具寿命的计算模型。
2 数控加工刀具寿命计算模型的建立
由于加工同一类零件时,精加工的背吃刀量和进给量基本一致[12,13],利用控制变量法,在固定背吃刀量和进给量后,利用式(1)得到Vc与刀具T寿命的关系式如下:
式中,C0为固定ap和f后的常数。
同时,刀具的寿命除了用刀具切削时间T表示外,还可以通过刀具螺旋切削长度SCL计算,两者关系如下:
SCL的计算分为2种:一种是外圆或内孔(图1),一种是端面(图2),其计算公式如下:
外圆和内孔切削[14]:
端面切削:
基于以上公式,测定刀具每刃加工不同零件的数量,进而根据其加工部位长度,即可计算出每种刀具加工的SCL,便能根据式(3)计算出刀具寿命。
按照式(3)测算出每种刀具2种Vc的刀具寿命后,通过式(2)能计算出Vc影响因素m值和C0值,具体如下:
使用这些数值,进而可以计算出刀具值:
3 油缸导向套精车刀具寿命的验证计算
如图3所示的导向套,通过测定表1中4种标准零件每刃加工数量,利用式(4)和式(5)能计算出精车外圆和内孔2种刀片的SCL,进而通过式(3)计算出刀片在2种加工参数下的刀片寿命。计算结果见表1。
通过表1中2种线速度和刀具寿命,利用式(6)和式(7),计算出2种刀片的m值和C0值。计算结果见表2。
由于不同规格的精加工背吃刀量和进给量相同,因此可以根据计算出的m值和C0值,计算出其他加工线速度的导向套的刀片寿命。即:
最后,根据每种加工线速度下的刀具寿命,计算出其他非标导向套加工时的刀具定额,即每个刀片能加工零件的数量,具体计算方式如下:
4 应用效果
建立数控精加工刀具寿命计算数学模型的主要目的是探索科学的刀具定额标准,替代传统的以设备所使用刀具的平均寿命作为刀具定额标准的粗放管理模式。该刀具寿命计算数学模型由于充分考虑了机床使用频率、加工参数、加工零件等影响因素,所以对刀具定额更加合理。
以郑州某大型煤矿机械专业生产厂家为例,应用该计算模型后,工艺部门在制订盘套类零部件刀具定额时,以刀具螺旋切削长度为研究对象,制订了关键刀具标准定额计算表,为刀具成本控制和管理提供了数据支撑;通过对现有刀具的加工参数优化和加工工步的规范,为盘套加工程序的规范和不同厂家刀具对比提供了技术支撑。该项目统计的不同部位应用的刀片型号及代号已在车间得到确认,优化后的加工参数已在大盘套单元试用,同时,制订的刀片定额标准已在车间试用。
5 结语
刀具寿命 篇4
近年来,加工中心和FMS线被大量使用,其配备的数控刀具的种类、数量也大大增多。刀具寿命直接关系到成本控制、加工质量等问题,靠以往的人工检查、维护,刀具管理的效率低且难以满足生产要求[1]。 因此,如何对刀具寿命进行实时、有效管理,是企业面临的一项重要课题。
针对上述问题,采用累积加工次数来计算刀具寿命的方法,开发了一套基于R参数的刀具寿命管理程序,针对不同刀具输入各自的寿命值,在加工中不断比对加工次数,最后发出中断运行、换刀报警指令,实现刀具寿命的实时管理。
1数控刀具寿命管理程序功能分析
图1为刀具寿命管理程序功能框架。以CNC为主控单元,实现对当前刀具寿命的读取、比对及错误警报控制,具体功能展开如下:
(1)读取功能:每把刀具加工完成后,CNC自动累计当前刀具的加工次数,并保存在各自的寿命计数器中,程序通过指定的R参数来实时调取当前刀具的实际寿命值。
(2)比对功能:为每把刀预先设定一个刀具寿命额定值(可使用次数)及刀具实际寿命与额定值差异的预警值。程序对读取的当前刀具实际寿命与该刀额定值进行差异计算,然后将差异值与设定条件进行判断。
(3)错误报警:伴随加工次数的累积,刀具寿命在不断减少,当刀具寿命达到临界状态准备换刀时,程序通过机床CRT报警,提示操作者做好换刀准备;当刀具寿命结束时,程序通过机床CRT报警告知操作者换刀,机床停止加工;若刀具寿命未达到额定值,会继续下一轮加工。
2基于R参数的数控刀具寿命在线管理程序开发
R参数编程是西门子840D系统提供的一种先进编程方法,通过使用参数变量来代替程序中的功能代码或地址值实现程序的灵活开发。R参数的数量可根据需要自行扩展,一般有1 000个(R0~R999)可供使用,增强了编程的灵活性[2]。
基于R参数编程功能,刀具寿命管理程序的开发流程如图2所示。
2.1积算刀具寿命
利用R参数计算功能,预先为每把刀具设定寿命 (使用次数)计数器。本程序使用加计数器,即使用1次后,CNC会自动使当前刀具的使用次数加1,并自动保存在每把刀具的R参数计数器中。
2.2比对刀具实际寿命值与额定值差异
基于R参数的刀具寿命管理程序能够进行算数及逻辑运算,具备条件判断功能。其中,刀具实际寿命值与额定值差异编程方式如下:
CNC实时获取当前刀具实际寿命并与额定值进行差异计算,并对该差值与设定条件进行判断处理。
2.3临界状态准备换刀预警及刀具寿命结束强制换刀报警
随着刀具使用次数的不断增加,当刀具实际寿命与额定值的差值小于预警值时,机床会继续动作,但在机床CRT上会显示准备换刀信息。当刀具寿命结束后,机床停止动作,并在CRT上显示需更换刀具的报警信息,当前刀具寿命计数器会自动清零。当然,差异值大于预警值时,机床会正常加工。通过在主程序中需要位置合理设置标签,引导操作者对警示信息进行正确处理。其中的编程方式如下:
3实例应用
下面以某气缸体缸孔加工工序为例,介绍刀具寿命管理程序的编程方法。为简化过程说明,仅选择止口、缸孔两工步进行程序的开发演示,加工内容见图3。
3.1工艺说明
缸孔加工工艺说明见表1。
3.2程序开发
(1)主程序代码如下:
(2)刀具寿命计数器清零子程序代码如下:
在实际应用中,可以将刀具寿命管理程序作为子程序预先存储在机床数控系统中,数控主程序可以简单、灵活调用,具有良好的编程通用性。
4结束语
刀具寿命管理是企业成本管理的一项重要内容。 通过应用刀具寿命管理程序,可以有效控制刀具的使用寿命,为企业的刀具成本管理提供准确的数据支持。 同时,降低了人工管理的难度,是一种低成本、高效率的自动刀具寿命管理方法。