高速铣削智能监测系统研究

针对目前加工状态监测系统存在的依赖系统事先的"教学"或"训练"过程的问题,在对刀具磨损规律分析的基础上,提出一种针对高速加工的智能化实时刀具状态监测系统.引入自学习能力使该系统初步具备了智能性,自动进行不同刀具状态的识别和磨损程度的估计,较大程度上摆脱了对系统"教学"或"训练"过程的依赖.运用离散小波分解技术对铣削过程中的三向切削力信号进行时域以及各子频段的能量和变动特征的提取,并利用分析技术进行特征筛选.基于两个嵌套的循环运行过程构建了监测系统,进行特征量的线性拟合和马氏距离计算.高速铣削试验证明了所提出的智能刀具状态监测系统的有效性.     

高档数控机床刀具磨损故障监测方法及实验系统

以数控机床刀具故障诊断系统构建与测试方法研究为目标,进行了刀具磨损实验。采用振动传感器、声发射传感器对切削过程中不同磨损程度刀具的信号进行检测、分析和故障诊断。以LabVIEW8.6为开发平台,开发了一套包括数据采集模块、信号分析模块、故障诊断模块的数控机床故障诊断实验系统。     

基于一维卷积神经网络的螺旋铣刀具磨损监测

基于传统机器学习的螺旋铣刀具磨损监测方法需要复杂的特征提取和丰富的经验知识,不同磨损阶段具有相同的错误分类代价,针对这些问题,结合电流信号一维性特点,提出基于一维卷积神经网络(1D CNN)和代价敏感学习的螺旋铣刀具磨损监测方法. 采集机器人螺旋铣末端执行器主轴、公转轴和进给轴电流作为监测信号,并采用滑动窗口法进行样本划分,在降低网络容量的同时增加样本数量和多样性;在网络损失函数中引入代价矩阵并增加急剧磨损阶段的错误分类代价,使得1D CNN具有代价敏感性;直接将电流时域信号输入1D CNN,网络可以自动提取刀具磨损特征,并将特征提取和不同磨损阶段分类融合在一起. 试验结果表明,在机器人螺旋铣系统中,该方法的刀具磨损监测准确率为99.29%,在急剧磨损阶段的查全率为99.60%.     

涂层硬质合金刀具铣削粉末冶金高温合金的切削性能研究

针对粉末冶金高温合金材料的铣削特性,选择了合理的铣刀盘和刀片材质.通过刀具磨损与寿命对比试验优选出了最佳的刀片几何参数,并给出了铣削过程中硬质合金铣刀片的典型磨、破损形态.研究结果表明:TiAlN-TiN涂层硬质合金刀片适于精铣粉末冶金高温合金,在30～70 m/min的铣削速度范围内,刀具寿命可达20～108 min.由于材料切削温度高和机械冲击严重,涂层刀具的主要失效形式为:崩刃和前刀面的剥落,其主要机理为高温条件下磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和疲劳损坏的综合作用.     

镍基粉末高温合金的铣削加工

为了研究镍基粉末高温合金的切削加工性,用整体硬质合金TiC涂层和未涂层立铣刀对镍基粉末高温合金FGH95进行铣削试验.通过研究铣削力、铣削温度与铣削用量之间的关系,分析硬质合金刀具的磨损、破损机理,观察其切屑形态,得出了镍基粉末高温合金FGH95的铣削力和铣削温度经验公式.试验表明：硬质合金涂层刀具加工镍基粉末高温合金FGH95的性能要明显优于未涂层刀具,未涂层刀具的崩刃现象严重,涂层刀具最佳铣削速度为40m/min,铣削速度对铣削温度的影响最大,并且随着铣削速度的提高形成了锯齿状切屑.     

CVD复合涂层刀具在天然大理石切削中的磨损特性

目的分析CVD复合涂层刀具在天然石材加工中的磨损特性,探讨涂层刀具在石材加工中参数选择的合理性．方法使用CVD复合涂层刀具对天然大理石进行了高速铣削试验,利用测力仪测量出不同加工参数下的切削力,分析不同参数对切削力的影响,利用扫描电子显微镜观察刀具磨损形貌,通过能谱分析刀具组成．结果CVD复合涂层刀具切削天然大理石过程中,切削力随切削深度和进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,切削深度对切削力的影响程度最大．刀具磨损量随主轴转速的增大而减小,与切削深度和进给速度之间为非线性关系,进给速度高于2000mm／min时出现整体磨损,磨损量不随进给速度的增大而变化．结论CVD复合涂层刀具铣削天然大理石时的磨损机理是：涂层和刀具基体的机械损耗去除（剥落和崩刃）、高温下的氧化磨损和粘结磨损．由于工件和刀具表面存在摩擦产生热量,刀具涂层发生粘结磨损,在周期性冲击力作用下造成后刀面涂层和基体的机械损耗去除,裸露的刀具基体与空气中的氧发生氧化磨损,其中机械损耗去除磨损和粘结磨损伴随整个刀具磨损过程．     

基于连续高斯密度混合HMM的刀具磨损状态监测

针对端面铣刀磨损状态的识别问题,根据隐式马尔可夫模型(HMM)具有良好的模式分类能力,提出了基于连续高斯密度混合HMM(CHMM)的刀具磨损状态监测系统.以铣削力作为监测信号,应用小波包理论对铣削力信号进行分析和消噪处理,并提取信号的能量特征作为CHMM的输入向量,训练CHMM模型,再用训练好的模型对未知的刀具磨损状态进行监测与识别,实验结果表明该模型可以对刀具磨损状态进行准确的识别,且所需训练样本数较少,对刀具状态的智能监测具有很好的实际意义.     

高速铣削Ti6Al4V刀具磨损的试验研究

针对钛合金Ti6Al4V加工过程中产生的切削热导致刀具的快速磨损这一工艺难题,进行了不同冷却条件下的铣削加工实验。借助扫描电镜分析(SEM)、能谱分析(EDS)等分析手段,研究了刀具的磨损形态及磨损机理。研究表明,粘结磨损是加工钛合金过程中刀具的主要磨损形式,切削液的使用并不一定提高刀具寿命,而机床的稳定性能对刀具磨损有较大影响。     

刀具磨损监测设计与研究

为获取变切削条件下刀具磨损量，对刀具磨损补偿值进行了分析研究。在合理选择人工神经网络模型的基础上，建立了切削条件下铣削磨损监控系统。依据机床相关切削参数，运用了人工神经网络的方法对铣削数据进行处理，以实验方法研究了高速钢立铣刀后刀面磨损BP网络对铣刀的磨损量预报。实验表明：该模型适用于变切削条件下的铣刀磨损监控，可以较准确地监控铣刀的剧烈磨损。     

微小车床刀具磨损检测方法

设计了微小型刀具磨损在位检测装置。基于机器视觉技术,结合微型刀具的几何特征,搭建微刀具刀尖磨损面积检测系统。在磨损刀具单张图像中,基于Facet模型提取刀具亚像素边缘,拟合刀具的主副切削刃,计算刀尖圆弧及未磨损边界,实现刀尖磨损面积测量。用图像作差法对算法进行验证,其检测精度为±1．51×10^-4mm^2。最后,通过测量硬质合金刀具切削45号钢时刃尖磨损面积,为微小车床刀具磨损机理的进一步研究奠定了基础。     

基于机器视觉的加工刀具磨损监测方法

为了对加工过程中刀具的磨损状态进行监测,针对麻花钻的磨损形式,提出基于机器视觉的加工刀具磨损监测方法. 根据磨损刀具图像的灰度分布特点,提出基于积分图加速和Turky bi-weight核函数的非局部均值去噪方法;采用单、双阈值大津法获取磨损区域的灰度区间,实现对图像的自适应对比度增强;提出基于形态学重构方法的磨损区域局部极值点提取方法,有效完成对磨损区域的检测和边界提取. 该刀具磨损检测方法成功应用于麻花钻头磨损状态的监测过程,实验结果表明,相较于目前已有的机器视觉监测方法,所提出的方法具有更高的检测精度和效率,准确地提取磨损轮廓,从而有效实现对刀具磨损状态的监测和自动化监控加工过程,达到降低人工成本和产品不合格率的目的.     

高速铣床主轴⁃轴承的振动特性分析

主轴是高速铣床的核心部件,其动力学特性直接影响铣床的加工精度。以德国GMN某型高速铣床电主轴为例,采用有限元方法,建立了主轴⁃轴承系统的有限元模型,研究了主轴的固有振动特性,分析了轴承刚度对主轴固有振型和临界转速的影响。在此基础上,研究了高速主轴的不平衡响应特性,分析了不平衡量大小和位置等因素对主轴振动敏感度的影响规律,发现主轴两端不平衡响应敏感,尤其是连接刀具的一端振幅明显,研究结果可为高速机床主轴系统的动力学设计提供一定的参考。     

Theoretical modeling of cutting temperature in high-speed end milling process for die／mold machining

A parametric model of cutting temperature generated in end milling process is developed according to the thermal mechanism of end milling as an intermittent operation, which periodically repeats the cycle of heating under cutting and cooling under noncutting. It shows that cutting speed and the tool-workpiece engagement condition are determinative for tool temperature in the operation. The suggested model was investigated by tests of A1TiN coated endmill machining hardened die steel JIS SKD61, where cutting temperature on the flank face of tool was measured with an optical fiber type radiation thermometer. Experimental results show that the tendency of cutting temperature to increase with cutting speed and engagement angle is intensified with the progressing tool wear.     

Implementation of remote monitoring system for prediction of tool wear and failure using ART2

Remote monitoring of tools for prediction of tool wear in cutting processes was considered, and a method of implementation of a remote-monitoring system previously developed was proposed. Sensor signals were received and tool wear was predicted in the local system using an ART2 algorithm, while the monitoring result was transferred to the remote system via internet. The monitoring system was installed at an on-site machine tool for monitoring three kinds of tools cutting titanium alloys, and the tool wear was evaluated on the basis of vigilances, similarities between vibration signals received and the normal patterns previously trained. A number of experiments were carried out to evaluate the performance of the proposed system, and the results show that the wears of finishing-cut tools are successfully detected when the moving average vigilance becomes lower than the critical vigilance, thus the appropriate tool replacement time is notified before the breakage.     

基于铁谱分析系统的机床健康检测

对某机床厂的龙门导轨磨床MMA52160A利用铁谱分析技术的油样进行定期检测,及时地掌握龙门导轨磨床的磨损状况.通过实验与分析发现,在检测时间段内导轨磨床内部存在着正常磨损、切削磨损、滚滑复合磨损磨粒以及铁的氧化物,在数量上以正常磨损居多,其它类型磨粒数量较少,可以判断导轨磨床仍处于正常运行状态.实验表明,铁谱分析技术可以对机床的运行状态进行预报故障;同时,可合理地确定机床的换油周期,节省油料,做到科学润滑,以延长龙门导轨磨床的使用寿命.     

模具材料的高温滑动冲击磨损过程的电镜观察

在模拟热作模具热磨损试验机上进行高温滑动冲击磨损试验,在各磨损阶段,用扫描电镜对模具试样表面形貌作细致观察,得出如下结论:高温滑动冲击磨损过程的主导磨损机制,早期为磨粒磨损,中期及后期逐步向点状剥落及大块疲劳剥落转移。全部过程都有粘着磨损,后期更为严重。     

Machining studies of die cast aluminum alloy-silicon carbide composites

Metal matrix composites(MMCs)with high specific stiffness,high strength,improved wear resistance,and thermal properties are being increasingly used in advanced structural,aerospace,automotive,electronics,and wear applications.Aluminum alloy-silicon carbide composites were developed using a new combination of the vortex method and the pressure die-casting technique in the present work.Ma-chining studies were conducted on the aluminum alloy-silicon carbide(SiC)composite work pieces using high speed steel(HSS)end-mill tools in a milling machine at different speeds and feeds.The quantitative studies on the machined work piece show that the surface finish is better for higher speeds and lower feeds.The surface roughness of the plain aluminum alloy is better than that of the aluminum alloy-silicon carbide composites.The studies on tool wear show that flank wear increases with speed and feed.The end-mill tool wear is higher on ma-chining the aluminum alloy-silicon carbide composites than on machining the plain aluminum alloy.     

考虑过程能力和成本的刀具策略研究

为了提高定期维修的刀具所加工的产品质量,减少停机时间和生产成本.考虑生产过程中工件尺寸的残差是时间的函数,利用Glejser检验方法,拟合工件尺寸残差符合的递增型异方差模型,提出了刀具磨损过程的过程能力指数计算方法;使用Bernstein概率密度函数描述刀具寿命和刀具磨损过程的一般特征,在每一个维修周期内均满足顾客要求的最小过程能力指数基础上,考虑质量损失、换刀成本、由刀具的突然失效引发的惩罚成本及维修刀具所需的成本,将过程能力与成本相结合,提出了用于确定最佳刀具初始状态和维修周期的模型.该模型为实际生产提供了一种离线的刀具管理方法.     

电镀金刚石刀具切割石材磨损实验

目的研究数控设备各加工参数对电镀金刚石刀具磨损量的影响,确定合理的加工参数,提高加工效率.方法采用正交实验方法设计金刚石铣刀磨损实验,在数控石材机床上铣削玄武岩,金刚石铣刀采用电镀法制造,铣刀磨损量采用高精密度电子天平测量.金刚石铣刀磨损表面采用Leica MZ95体式显微镜分析.结果影响金刚石铣刀磨损量的主要加工参数为刀具主轴转速、其次是进给速度和切割深度、最后是金刚石粒度.刀具底面的磨损比侧面严重,底面金刚石主要以脱落为主,侧面金刚石磨损以冲击破碎为主.结论数控机床加工参数对电镀金刚石磨损量具有很大影响,金刚石粒度影响较小,刀具应以侧面加工为主.     

汽轮机叶片圆环形盘铣刀包络铣削方法

为提高汽轮机叶片的加工效率,缩短汽轮机生产周期,在分析汽轮机叶片曲面构成及其加工方法的基础上,提出了采用圆环形盘铣刀包络铣削汽轮机叶片曲面的新方法.利用定向最小距离原理,对圆环形盘铣刀包络加工刀触点和刀具轨迹进行计算,研究了刀触点的计算模型和计算方法.采用该加工方法后,刀具轨迹行程相对于采用球头铣刀包络加工时有明显缩短,在提高叶片加工效率方面作用明显.研究内容为汽轮机叶片专用数控机床和叶片抛光机的设计提供了理论参考.