模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法
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 切削条件的系数，；，I , Zf, 分别为背吃刀量ap、进给量f和切削速度v。的指数，K为不同加工条件下的修正系数；
[0040] 步骤32 :校核实际切削力：采用切削力测试系统（KISTLER)实时测量加工试验工 件，根据步骤31制定的每一工序切削用量下目标刀架承受的三分量切削载荷，将测试结果 与步骤31中通过经验公式计算得到的切削力进行比较；
[0041] 步骤33 :根据轻载、中载、重载拟满足时长调整切削参数，包括切削用量三要素和 加工长度，最终使得在整个试验工件的切削过程中，目标刀架实际承受轻载、中载和重载的 时间比例满足步骤1所得比例Tkis :T巾载:T麵=3:5:2,试验工件工程图如图2所示，目标 刀架加工试验工件A区和B区的功率时间历程分别如图3. 1和3. 2所示；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，目标刀架加工试验工 件的切削载荷谱如图4所示。
[0042] 步骤4进行可靠性切削试验，并在切削试验过程中对待测刀架进行性能检测具体 如下：按照最终设定的切削工序和切削用量，编写加工程序，并按照图5执行试验内容。
[0043] 在安装有目标刀架的数控车床（CKH6156)上对不同材料毛坯件逐个进行切削加 工，首次加工时即对刀架的动态性能（包括转位噪声、转位振动和切削振动）、以及重复定 位精度进行测试，保证试件加工精度满足设计要求。之后每完成M= 10~30个工件的切 肖IJ，对刀架进行重复定位精度测试；每完成N = 40~80个工件的切削，对刀架进行动态性 能测试。在本发明中，M、N的具体取值根据实际产品设定。在切削试验过程中，一旦出现功 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。试验人员应根据故 障判据、计数原则（依据GB/T 23568. 1-2009机床功能部件可靠性评定第1部分总则）， 对故障进行记录、分析和排除。在本发明中，因为不同规格的刀架（刀架类别，大小规格都 不相同），相应的性能参数、承载能力都各不相同，所以对于刀架在完成试验工作量之后的 性能测试中的工作量要根据实际产品来设定。
[0044] 各项性能测试项目内容及测试方法如下：
[0045] 1)刀架重复定位精度测试
[0046] 重复定位精度受刀架的刚性以及摩擦特性等因素的影响，一般情况下，重复定位 精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性。
[0047] 测试参考"GB/J20960-2007数控卧式转塔刀架"和"Q/320405XSJ005-2010Y轴动 力刀架"规范。刀架处于锁紧状态，将测试装置固定在数控车床床导轨上，调节千分表与当 前工位测量面垂直接触，测点到刀架轴心距离为L。首先记录千分表初始读数，千分表让开 后刀盘回转360度，再将千分表转回测点并读数。重复以上动作5次，记录两两读数的差值。 对刀架每个工位均重复以上操作，以各工位读数差值的最大值max △ X作为测量结果，根据 转换公式
[0048]
[0049] 即得到刀架当前的重复定位精度α，当3.2"时，满足性能要求。
[0050] 2)刀架转位噪声测试
[0051] 对刀架的转位噪声进行测试，得到刀架转位时的声压级，该项动态特性的退化可 反映刀架性能的变化趋势。
[0052] 参考"GBT16769-2008金属切削机床噪声声压级测量方法"，规定测量位置如图6 所示，四个测点距地面的高度均为I. 55m±0. 075m，距刀架中心距离为lm。
[0053] 测试前，采用隔声罩降低机床结构主要噪声源一一液压站的噪声。在每个测点位 置，将声级计面向刀架，采用A计权声压级，并使用其特性的慢速档测量，点保持键，记录逐 位换刀时的读数最大值；测试结束后，求取四个测点读数的平均值。当所测试结果不高于 76dB时，满足性能要求。
[0054] 3)刀架转位振动测试
[0055] 测试规范参考"GB 16768-1997金属切削机床振动测量方法"。将三向加速度传感 器置于箱体侧面的平整面上，如图7所示，逐位旋转刀盘，获取刀架X、Y、Z三个方向的振动 信号。进行频谱分析，当系统固有频率（2500Hz范围内）及对应幅值相较于首次性能测试 值偏差均不高于20%，即认为系统性能满足要求。
[0056] 4)刀架切削振动测试
[0057] 切削时产生的振动对加工过程和工件的加工质量都有很大影响，测量切削振动信 号对分析刀架性能变化具有重要意义。
[0058] 将三向加速度传感器置于刀盘加工工位的对角线位置附近，如图8所示。执行试 验工件的数控加工程序，在切削加工过程时，获取刀架X、Y、Z三个方向的振动信号。进行频 谱分析，当系统固有频率（2500Hz范围内）及对应幅值相较于首次性能测试值偏差均不高 于20%，即认为系统性能满足要求。
[0059] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进 和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 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：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； 步骤3 :确定目标刀架的切削载荷谱：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， 通过统计得到目标刀架的切削载荷谱；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； 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。2. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 所述步骤3中确定刀架切削载荷谱的步骤如下： 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； 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； 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。3. 根据权利要求2所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 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。4. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 所述步骤4中的M和N的值根据实际产品设定。5. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 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。6. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 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。7. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于，
【专利摘要】本发明公开了一种模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，该方法的步骤为：1、对目标刀架进行市场使用调研；2、设备安装和试验工件材料准备；3、确定试验工件下的刀架切削载荷谱；4、进行可靠性切削试验，并在切削试验过程中对待测刀架进行性能检测。本发明针对数控刀架可靠性提出的试验方案，可以有效模拟实际切削工况，并且试验信号易于准确采集、试验周期短、费用较低，可有效找出产品设计及制造的缺陷、缩短其上市周期，同时还可建立设计能力、产品可靠性的基础数据，作为日后研发的重要依据。
【IPC分类】B23Q17/09, B23Q17/00
【公开号】CN104889821
【申请号】CN201510346996
【发明人】陈南, 刘晨曦, 崔政
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日
【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 切削条件的系数，；，I , Zf, 分别为背吃刀量ap、进给量f和切削速度v。的指数，K为不同加工条件下的修正系数；
[0040] 步骤32 :校核实际切削力：采用切削力测试系统（KISTLER)实时测量加工试验工 件，根据步骤31制定的每一工序切削用量下目标刀架承受的三分量切削载荷，将测试结果 与步骤31中通过经验公式计算得到的切削力进行比较；
[0041] 步骤33 :根据轻载、中载、重载拟满足时长调整切削参数，包括切削用量三要素和 加工长度，最终使得在整个试验工件的切削过程中，目标刀架实际承受轻载、中载和重载的 时间比例满足步骤1所得比例Tkis :T巾载:T麵=3:5:2,试验工件工程图如图2所示，目标 刀架加工试验工件A区和B区的功率时间历程分别如图3. 1和3. 2所示；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，目标刀架加工试验工 件的切削载荷谱如图4所示。
[0042] 步骤4进行可靠性切削试验，并在切削试验过程中对待测刀架进行性能检测具体 如下：按照最终设定的切削工序和切削用量，编写加工程序，并按照图5执行试验内容。
[0043] 在安装有目标刀架的数控车床（CKH6156)上对不同材料毛坯件逐个进行切削加 工，首次加工时即对刀架的动态性能（包括转位噪声、转位振动和切削振动）、以及重复定 位精度进行测试，保证试件加工精度满足设计要求。之后每完成M= 10~30个工件的切 肖IJ，对刀架进行重复定位精度测试；每完成N = 40~80个工件的切削，对刀架进行动态性 能测试。在本发明中，M、N的具体取值根据实际产品设定。在切削试验过程中，一旦出现功 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。试验人员应根据故 障判据、计数原则（依据GB/T 23568. 1-2009机床功能部件可靠性评定第1部分总则）， 对故障进行记录、分析和排除。在本发明中，因为不同规格的刀架（刀架类别，大小规格都 不相同），相应的性能参数、承载能力都各不相同，所以对于刀架在完成试验工作量之后的 性能测试中的工作量要根据实际产品来设定。
[0044] 各项性能测试项目内容及测试方法如下：
[0045] 1)刀架重复定位精度测试
[0046] 重复定位精度受刀架的刚性以及摩擦特性等因素的影响，一般情况下，重复定位 精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性。
[0047] 测试参考"GB/J20960-2007数控卧式转塔刀架"和"Q/320405XSJ005-2010Y轴动 力刀架"规范。刀架处于锁紧状态，将测试装置固定在数控车床床导轨上，调节千分表与当 前工位测量面垂直接触，测点到刀架轴心距离为L。首先记录千分表初始读数，千分表让开 后刀盘回转360度，再将千分表转回测点并读数。重复以上动作5次，记录两两读数的差值。 对刀架每个工位均重复以上操作，以各工位读数差值的最大值max △ X作为测量结果，根据 转换公式
[0048]
[0049] 即得到刀架当前的重复定位精度α，当3.2"时，满足性能要求。
[0050] 2)刀架转位噪声测试
[0051] 对刀架的转位噪声进行测试，得到刀架转位时的声压级，该项动态特性的退化可 反映刀架性能的变化趋势。
[0052] 参考"GBT16769-2008金属切削机床噪声声压级测量方法"，规定测量位置如图6 所示，四个测点距地面的高度均为I. 55m±0. 075m，距刀架中心距离为lm。
[0053] 测试前，采用隔声罩降低机床结构主要噪声源一一液压站的噪声。在每个测点位 置，将声级计面向刀架，采用A计权声压级，并使用其特性的慢速档测量，点保持键，记录逐 位换刀时的读数最大值；测试结束后，求取四个测点读数的平均值。当所测试结果不高于 76dB时，满足性能要求。
[0054] 3)刀架转位振动测试
[0055] 测试规范参考"GB 16768-1997金属切削机床振动测量方法"。将三向加速度传感 器置于箱体侧面的平整面上，如图7所示，逐位旋转刀盘，获取刀架X、Y、Z三个方向的振动 信号。进行频谱分析，当系统固有频率（2500Hz范围内）及对应幅值相较于首次性能测试 值偏差均不高于20%，即认为系统性能满足要求。
[0056] 4)刀架切削振动测试
[0057] 切削时产生的振动对加工过程和工件的加工质量都有很大影响，测量切削振动信 号对分析刀架性能变化具有重要意义。
[0058] 将三向加速度传感器置于刀盘加工工位的对角线位置附近，如图8所示。执行试 验工件的数控加工程序，在切削加工过程时，获取刀架X、Y、Z三个方向的振动信号。进行频 谱分析，当系统固有频率（2500Hz范围内）及对应幅值相较于首次性能测试值偏差均不高 于20%，即认为系统性能满足要求。
[0059] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进 和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 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：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； 步骤3 :确定目标刀架的切削载荷谱：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， 通过统计得到目标刀架的切削载荷谱；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； 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。2. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 所述步骤3中确定刀架切削载荷谱的步骤如下： 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； 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； 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。3. 根据权利要求2所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 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。4. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 所述步骤4中的M和N的值根据实际产品设定。5. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 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。6. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于， 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。7. 根据权利要求1所述的模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，其特征在于，
【专利摘要】本发明公开了一种模拟工况下的数控刀架可靠性切削试验方法，该方法的步骤为：1、对目标刀架进行市场使用调研；2、设备安装和试验工件材料准备；3、确定试验工件下的刀架切削载荷谱；4、进行可靠性切削试验，并在切削试验过程中对待测刀架进行性能检测。本发明针对数控刀架可靠性提出的试验方案，可以有效模拟实际切削工况，并且试验信号易于准确采集、试验周期短、费用较低，可有效找出产品设计及制造的缺陷、缩短其上市周期，同时还可建立设计能力、产品可靠性的基础数据，作为日后研发的重要依据。
【IPC分类】B23Q17/09, B23Q17/00
【公开号】CN104889821
【申请号】CN201510346996
【发明人】陈南, 刘晨曦, 崔政
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月19日
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