一种耦合圆跳动与动平衡的刀具寿命预测方法

本发明属于精密加工与智能制造，具体涉及一种耦合圆跳动与动平衡的刀具寿命预测方法，适用于航空发动机整锻轴、整体叶盘、整体叶轮、精密模具等复杂曲面零件的高速铣削加工过程。

背景技术：

1、在航空航天及精密模具制造等高端装备制造领域，高速精密加工技术已确立其核心工艺的主导地位。作为实现材料去除功能的关键执行部件，切削刀具的服役寿命与状态稳定性直接决定了工件的最终加工质量及生产经济效益。在现有技术体系中，刀具寿命预测方法主要涵盖两大范畴：一类是依托经典泰勒公式及其衍生修正理论建立的经验模型；另一类则是通过采集切削过程中的主轴电流、声发射及振动等多源信号，利用深度学习算法进行非物理机理的“黑箱式”状态表征与预测。比如公开号为cn111390647a的专利申请公开了“刀具寿命预测系统及其方法”，该发明通过在机械加工端提取多个测量数据，将这些数据转换为工艺能力指数，并利用训练好的类神经网络模型来生成刀具寿命预测数据，最终依据该数据判断刀具寿命。这类技术代表了当前主流的“黑箱式”预测思路，即通过采集过程信号，利用深度学习算法建立信号与磨损状态之间的非线性映射。

2、而且，现有的预测方法大多存在理想化假设，即假设刀具处于理想装配状态，忽略了刀具-主轴系统在实际装配中不可避免存在的初始缺陷。这种忽略在低速加工中尚可接受，但在高速加工中会产生显著误差，具体表现为：

3、由于刀柄夹头精度、装配间隙或锥面磨损，刀具轴线与主轴旋转中心不重合，导致多齿刀具的每齿切削负荷严重不均匀。部分刀齿过载切削，而部分刀齿甚至可能空切，导致切削力呈现低频幅值调制特征。高速旋转下，刀具-主轴系统微小的质量分布不对称产生的离心力与转速平方成正比。这种离心力会引起强烈的周期性强迫振动，不仅恶化表面质量，更会加速主轴轴承磨损。

4、现有技术往往将这两者孤立看待，未能充分考虑圆跳动与动平衡在高速工况下的耦合放大效应：

5、圆跳动导致的时变切削力本身是一个激振源，而动不平衡产生的离心力会改变刀具-主轴系统的动态平衡位置。两者在特定相位关系下会发生调制叠加。例如，当动不平衡引起的离心力方向恰好将存在高跳动的刀齿推向工件表面时，实际切削厚度会呈非线性急剧增长，导致瞬时冲击载荷成倍增加。这种复杂的耦合动力学行为直接导致刀具发生早期的崩刃、热疲劳或机械疲劳磨损，使得传统静态模型在高速精密加工工况下的预测精度严重不足。因此，亟需一种能够在给定工艺参数下，将刀具径向圆跳动、等效动不平衡量及其相位关系引入动态载荷计算，并进一步预测刀具寿命的方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术问题，本发明提出了一种耦合圆跳动与动平衡的刀具寿命预测方法，通过建立耦合动力学方程（刀具-主轴系统的振动微分方程），量化装配误差对动态载荷和磨损速率的影响，进而实现当前装配状态和给定工艺参数下的刀具寿命预测。

2、本发明一种耦合圆跳动与动平衡的刀具寿命预测方法，具体步骤如下：

3、步骤一、将激光位移传感器布置在刀具刀齿某个横截面的径向，机器视觉相机置于刀具侧方，动平衡仪安装于机床旁。

4、步骤二、刀具以10-300的转速空转，利用激光位移传感器采集刀具刀齿的径向圆跳动，构建圆跳动分布模型，且通过机器视觉相机同步识别各刀齿转角，得到各刀齿的径向圆跳动。接着，刀具以350-10000的转速空转，动平衡仪输出刀具的等效动不平衡量及等效动不平衡量相对于相位基准的相位角。

5、步骤三、构建考虑径向圆跳动-动平衡耦合效应的径向力预测模型：修正瞬时切削厚度模型引入径向圆跳动修正项和动态位移反馈项，将所述修正瞬时切削厚度模型代入径向力预测模型，得到第个刀齿的修正瞬时切削厚度模型，再将径向力预测模型和时域下的动不平衡离心力沿刀具振动位移方向的分力表达式代入刀具-主轴系统的振动微分方程，求解刀具在加工过程中的振动位移，并代回修正瞬时切削厚度模型求解修正瞬时切削厚度，最后由径向力预测模型求解得到时域下的径向力。

6、步骤四、建立基于动态载荷的刀具磨损速率非线性关联模型，计算后刀面磨损量vb的磨损速率，为动态载荷特征指标，为材料常数，指数大于1，为切削速度，指数p在1.0到5.0之间取值，为活化能，为气体常数，为切削温度。

7、步骤五、基于刀具的等效动不平衡量和当前检测的刀齿径向圆跳动，计算当前装配状态和预设工艺参数下的径向力时域谱，所述工艺参数包括主轴转速、进给速度和轴向切深；然后调用步骤四中刀具磨损速率非线性关联模型，通过积分计算后刀面磨损量达到失效阈值所需的时间，即为刀具剩余使用寿命。

8、优选地，所述修正瞬时切削厚度模型为，为第个刀齿的修正瞬时切削厚度，为每齿进给量，为刀齿转角，时刻，为主轴角速度，为第个刀齿的径向圆跳动，是当前刀齿在时刻t切削时沿刀具与工件切点处径向的振动位移，t是相邻刀齿切削时的时间间隔，表示径向圆跳动修正项，表示动态位移反馈项。

9、更优选地，所述径向力预测模型为，为径向力，为径向力系数，为轴向切深。

10、更优选地，所述时域下的动不平衡离心力沿刀具振动位移方向的分力，为动平衡仪输出刀具的等效动不平衡量，为等效动不平衡量相对于相位基准的相位角。

11、更优选地，所述刀具-主轴系统的振动微分方程为，、、分别为刀具-主轴系统的等效质量、等效阻尼和等效刚度。

12、优选地，所述动态载荷特征指标：

13、

14、其中、、为权重系数，为刀具旋转统计时间内的平均径向力，表示求均方根，为径向力中的峰值。

15、优选地，计算当前装配状态和预设工艺参数下的径向力时域谱，具体步骤如下：a.确立仿真时间步长、总仿真时长及刀具-主轴系统初始状态变量；b.针对每一个仿真时间步长，执行以下计算序列：i.依据预设工艺参数求解主轴角速度，计算当前时刻的动不平衡离心力沿刀具振动位移方向的分力。ii.从历史迭代记录中调取上一时刻的振动位移以及滞后相邻刀齿通过时间间隔t对应的振动位移计算值。iii.利用运动学映射关系将当前时刻转换为对应的刀齿转角，代入修正切削厚度模型计算瞬时切削厚度，进而计算瞬时径向力。iv.将时刻的动不平衡离心力沿刀具振动位移方向的分力与瞬时径向力代入刀具-主轴系统的振动微分方程，利用四阶龙格-库塔算法解算出当前时刻的刀具-主轴系统加速度，进而更新振动位移和振动速度；c.记录全过程中各离散时刻的径向力，生成随时间变化的径向力时域谱。

16、更优选地，步骤c后执行步骤d；步骤d具体如下：分析径向力时域谱的波形特征，完成离心力矢量方向与最大径向圆跳动对应刀齿的切入方向的相位重叠现象以及相位重叠尖峰识别。

17、优选地，对刀具磨损速率非线性关联模型进行积分计算时，若刀具已发生磨损，以刀具的后刀面磨损量当前实测值作为积分初值，若刀具为新刀，以后刀面磨损量初始值0作为积分初值。

18、本发明具有的有益效果如下：

19、本发明突破了传统静态预测模型的局限，通过引入径向圆跳动与动平衡的耦合动力学项，并建立了装配误差-动态载荷-磨损速率的定量传递链，量化了耦合机理，明确了径向圆跳动导致的切厚不均与动不平衡导致的离心力在动态切削过程中的相互作用机制，解决了单一因素分析无法解释的异常磨损问题，显著提高了高速、不平衡敏感工况下的刀具寿命预测精度。因此，本发明在实际测试中，能够提高高速、不平衡敏感工况下刀具寿命预测结果与实际加工状态的一致性，并为换刀、重新装夹或工艺参数重新设定提供判断依据。