本發(fā)明涉及刀具磨損預(yù)測領(lǐng)域，特別涉及一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法。

背景技術(shù)：

1、pcd刀具常用于陶瓷基復(fù)合材料工件的精密加工。pcd刀具的破損和微崩刃是導(dǎo)致陶瓷基復(fù)合材料工件表面質(zhì)量劣化和加工精度下降的直接原因。有效識別刀具的破損崩刃并及時進(jìn)行預(yù)防性的工藝決策成為保證工件加工質(zhì)量與加工精度的關(guān)鍵。

2、在實際工程中，基于經(jīng)驗的刀具磨損與工況識別是最常用的方式，通過利用工件振動、切削聲響以及切削表面的宏觀質(zhì)量的感觀變化進(jìn)行工藝調(diào)整，但這樣的方法缺乏客觀性，并存在滯后性，具體體現(xiàn)在：①基于經(jīng)驗的工藝調(diào)整缺乏統(tǒng)一的原則與標(biāo)準(zhǔn)，工況識別的偏差性較大，容易出現(xiàn)工藝調(diào)整不及時導(dǎo)致加工質(zhì)量劣化的情況；②工件表面的宏觀質(zhì)量作為工況的重要判據(jù)，一旦出現(xiàn)表面質(zhì)量下降的情況，刀具破損往往已經(jīng)比較嚴(yán)重，加工精度已經(jīng)收到了較嚴(yán)重的影響。

3、因此，開發(fā)一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法具有重大意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，包括以下步驟：

3、1)開展基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料正交切削試驗，獲得優(yōu)選的陶瓷基復(fù)合材料切削參數(shù)組合{s,v,aw,ap}。其中，s表示主軸轉(zhuǎn)速、v表示進(jìn)給速度、aw表示切削寬度，ap表示切削深度。

4、2)基于步驟1)獲得的切削參數(shù)組合，開展針對切削長度的單因素切削試驗，建立基于淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具損耗值預(yù)測模型：

5、u＝φ(d′)

6、式中，d′為降維后的切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣，u為刀具損耗列向量。

7、3)實時采集切削過程中的工況信號，利用建立的刀具損耗值預(yù)測模型計算得到刀具的損耗估計值ue。

8、4)判斷刀具的損耗估計值ue與預(yù)設(shè)的損耗閾值ub的大小關(guān)系，識別陶瓷基復(fù)合材料切削的異常工況。其中，當(dāng)pcd刀具的損耗估計值ue大于預(yù)設(shè)的損耗閾值ub時，判定為陶瓷基復(fù)合材料切削的異常工況，否則判定為正常工況。

9、進(jìn)一步，步驟1)具體包括以下子步驟：

10、1.1)開展基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料正交切削試驗，按一定的采樣頻率采集每組切削試驗過程中的刀具的徑向振動數(shù)據(jù)獲得時域工況數(shù)據(jù)集。

11、1.2)每組切削試驗后，測量刀具主切削刃和副切削刃后刀面的pcd材料層破損厚度作為刀具的主、副切削刃損耗值。

12、1.3)分別開展基于主、副切削刃損耗值的極差分析，獲得基于最小主、副切削刃損耗值原則的切削參數(shù)組合，包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度和切削深度。

13、進(jìn)一步，步驟2)中，開展切削長度等距遞增的單因素切削試驗。

14、進(jìn)一步，步驟2)具體包括以下子步驟：

15、2.1)基于獲得的優(yōu)選的切削參數(shù)組合，開展切削長度等距遞增的單因素切削試驗，按一定的采樣頻率采集每組切削試驗過程中的刀具的徑向振動數(shù)據(jù)獲得不同切削長度的時域工況數(shù)據(jù)集。

16、2.2)每組切削試驗后，測量刀具主切削刃后刀面的材料層破損厚度作為當(dāng)前切削長度的刀具損耗值，然后更換新刀具供下一組試驗使用，直至某組切削試驗后的刀具損耗值超過300μm，匯總數(shù)據(jù)獲得刀具損耗列向量。

17、2.3)針對時域工況數(shù)據(jù)集開展時域分析，獲得不同切削長度的時域特征數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集各元素數(shù)據(jù)屬性包括平均值、整流平均值、最大值、最小值、峰值、谷值、峰峰值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根。

18、2.4)對時域工況數(shù)據(jù)組進(jìn)行離散傅里葉變換，獲得不同切削長度的頻域特征數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集各元素數(shù)據(jù)屬性包括最大幅值、最大幅值頻率、重心頻率、平均幅值、頻帶總能量和40～200hz低頻能量占比。

19、2.5)組合相同切削長度的時域特征數(shù)據(jù)集和頻域特征數(shù)據(jù)集，得到一定切削長度的切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)行向量，并按切削長度的增長順序組合工況時頻域特征數(shù)據(jù)行向量，得到切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣。

20、2.6)通過對切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣中各列向量與刀具損耗列向量的相關(guān)性分析，獲得降維后的切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣。

21、2.7)以降維后的切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣為輸入，刀具損耗列向量為輸出，建立基于淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刀具損耗值預(yù)測模型。

22、進(jìn)一步，步驟2.6)具體包括以下子步驟：

23、2.6.1)依次計算切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣各列向量與刀具損耗列向量的斯皮爾曼相關(guān)性系數(shù)，獲得相關(guān)性系數(shù)行向量。

24、2.6.2)構(gòu)造服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的統(tǒng)計量，并利用獲得的斯皮爾曼相關(guān)性系數(shù)行向量，依次計算各個檢驗值，獲得檢驗值行向量。

25、2.6.3)利用獲得的檢驗值行向量，依次計算各個p值，獲得p值行向量。

26、2.6.4)根據(jù)p值行向量依次確定切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣對應(yīng)列向量與刀具損耗列向量的相關(guān)顯著性水平，并標(biāo)記冗余列向量。

27、2.6.5)去除切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣中的冗余列向量，獲得降維后的切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣。

28、進(jìn)一步，步驟3)具體包括以下子步驟：

29、3.1)按一定的采樣頻率實時采集切削過程中的刀具的徑向振動數(shù)據(jù)，按給定的時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，獲得某個采樣間隔時間段內(nèi)的分段時域工況數(shù)據(jù)集。

30、3.2)針對分段時域工況數(shù)據(jù)集開展時域分析，獲得分段時域特征數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集各元素數(shù)據(jù)屬性包括平均值、整流平均值、最大值、最小值、峰值、谷值、峰峰值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根。

31、3.3)對分段時域工況數(shù)據(jù)集進(jìn)行離散傅里葉變換，獲得分段頻域特征數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集各元素數(shù)據(jù)屬性包括最大幅值、最大幅值頻率、重心頻率、平均幅值、頻帶總能量和40～200hz低頻能量占比。

32、3.4)組合分段時域特征數(shù)據(jù)集和頻域特征數(shù)據(jù)集，得到切削工況分段時頻域特征數(shù)據(jù)行向量。

33、3.5)對切削工況分段時頻域特征數(shù)據(jù)行向量進(jìn)行降維處理，去除行向量中與步驟2.6)切削工況時頻域特征數(shù)據(jù)矩陣的降維過程所去除冗余列向量相同列號的元素。

34、3.6)以降維后的切削工況分段時頻域特征行向量為輸入，利用建立的刀具損耗值預(yù)測模型計算得到刀具的損耗估計值。

35、本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的：能夠?qū)崟r反饋基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削工況的狀態(tài)，預(yù)示切削工況的變化趨勢，提高對工況劣化的響應(yīng)及時性，提高陶瓷基復(fù)合材料的加工質(zhì)量。利用對基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削振動信號的數(shù)據(jù)分析與處理，實時預(yù)測刀具損耗值。

技術(shù)特征：

1.一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，其特征在于，步驟1)具體包括以下子步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，其特征在于：步驟2)中，開展切削長度等距遞增的單因素切削試驗。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，其特征在于，步驟2)具體包括以下子步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，其特征在于，步驟2.6)具體包括以下子步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于pcd刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法，其特征在于，步驟3)具體包括以下子步驟：

技術(shù)總結(jié)
發(fā)明提供一種基于PCD刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削異常工況實時感知方法。該方法包括獲得優(yōu)選的陶瓷基復(fù)合材料切削參數(shù)組合、建立刀具損耗值預(yù)測模型、計算得到刀具的損耗估計值、識別陶瓷基復(fù)合材料切削的異常工況等步驟。該方法能夠?qū)崟r反饋基于PCD刀具的陶瓷基復(fù)合材料切削工況的狀態(tài)，預(yù)示切削工況的變化趨勢，提高對工況劣化的響應(yīng)及時性，提高陶瓷基復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：凌麗,曹華軍,葉正茂,趙建設(shè),高遠(yuǎn),王增剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8