鈦合金加工刀具壽命預(yù)測(cè)技術(shù)分析與研究

張戰(zhàn)英 徐廣勝 王一龍 宋振繼

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，咸陽(yáng) 712000；2.秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，寶雞 721009）

在實(shí)際生產(chǎn)與建設(shè)中，為避免由于加工刀具出現(xiàn)失效而產(chǎn)生加工故障，需要在刀具壽命到限前更換刀具，導(dǎo)致刀具浪費(fèi)而增加成本。基于這一問(wèn)題，在當(dāng)前加工領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸺庸さ毒邏勖难芯坑葹橹匾?zhǔn)確預(yù)測(cè)刀具使用壽命，減少刀具更換次數(shù)，降低刀具成本投入，控制加工故障發(fā)生率，是眾多企業(yè)需要高度重視的問(wèn)題。

1 鈦合金加工刀具使用壽命相關(guān)影響因素

1.1 切削實(shí)驗(yàn)

刀具材料試驗(yàn)選用3種不同類型的硬質(zhì)合金刀片和PCD復(fù)合片作為試驗(yàn)刀具材料，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、準(zhǔn)確性以及全面性。

工件材料試驗(yàn)過(guò)程采用的工件材料為Ti-6Al-4V鈦合金。

整個(gè)試驗(yàn)操作過(guò)程需在CA6140型車床上進(jìn)行，選擇干式外圓切削方式。正式切削操作需每隔一段時(shí)間使用JLC820052型工具顯微鏡測(cè)量刀具表面的磨損情況，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。選定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)平均磨損量VB為0.3mm。當(dāng)?shù)毒吣p度達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)后，利用掃描電鏡和能譜分析儀觀測(cè)和分析3種刀具的磨損狀態(tài)和局部化學(xué)成分。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，切削速度越快，3種刀具壽命越低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是切削速度加快導(dǎo)致切削溫度升高，而鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鐵的1/5、鋁的1/4，導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致刀片的切削區(qū)溫度相較于周邊更高，一定程度上加快了刀具磨損速度。另外，在不同切削速度下，PCD刀具相較于其他兩種硬質(zhì)合金刀具雖然也受到一定程度的磨損，但是整體的使用壽命更長(zhǎng)，尤其在高速（≥75m/min）切削下，PCD刀具使用壽命是其他兩種硬質(zhì)合金刀具的4～5倍，顯示出優(yōu)良的特性。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種硬質(zhì)合金刀具在切削速度不斷增加的情況下，使用壽命逐漸降低。當(dāng)切削速度為75m/min時(shí)，刀具壽命維持在7～9min；當(dāng)切削速度為90m/min時(shí)，刀具壽命僅剩4min左右。這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)足以表明，這兩種硬質(zhì)合金刀具在加工鈦合金的過(guò)程中需將切削速度控制在75m/min 之內(nèi)，否則將嚴(yán)重縮短刀具的使用壽命。究其原因，主要在于鈦合金具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，刀具表面的切削溫度會(huì)隨切削速度的提高而增加，且磨損和黏結(jié)等問(wèn)題加重了刀具的磨損程度，最終縮短其使用壽命[1]。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在機(jī)械加工過(guò)程中，鈦合金加工刀具使用壽命會(huì)受到加工方式、加工材料、人為因素和加工環(huán)境等多方面的影響。其中，切削速度、加工進(jìn)給和切深切寬等因素影響較大。在實(shí)際研究過(guò)程中，必須要綜合考慮多方面內(nèi)容，針對(duì)實(shí)際需要和具體情況，選擇最科學(xué)合理的操作方法，才能有效減輕刀具的磨損程度，延長(zhǎng)刀具使用壽命。

2 鈦合金加工刀具壽命研究技術(shù)

2.1 泰勒經(jīng)驗(yàn)公式壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

泰勒經(jīng)驗(yàn)公式最初由美國(guó)工程師提出，是最早用來(lái)估算刀具壽命的公式。初期的泰勒公式為：

式中，Vc為切削速度；T為刀具壽命；n和C是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或已發(fā)表的技術(shù)資料確定的常數(shù)，表示刀具材料、工件和進(jìn)給率的特性。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科技水平的提高，早期的泰勒公式逐漸表現(xiàn)出一些不足。經(jīng)過(guò)人們的逐漸完善與改進(jìn)，現(xiàn)在的泰勒經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，f為進(jìn)給率；d為切削深度；a和b為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出的常數(shù)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的泰勒經(jīng)驗(yàn)公式，添加了刀具加工過(guò)程中幾個(gè)常見(jiàn)的參數(shù)，使其更具精準(zhǔn)性和完善性，可以準(zhǔn)確估算出刀具的使用壽命，且在目前刀具使用壽命的估算過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 可靠度分析壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

在過(guò)去的幾十年中，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)刀具壽命和刀面磨損的變化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究和探討。經(jīng)過(guò)多次切削實(shí)驗(yàn)，鈦合金加工刀具壽命預(yù)測(cè)技術(shù)之間存在著密切的聯(lián)系。預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性直接影響刀具的利用效率和投入成本。基于多次切削實(shí)驗(yàn)，研究人員提出正態(tài)分布法來(lái)表達(dá)鈦合金刀具使用壽命的分布規(guī)律，在后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)中也得到了有力證實(shí)。此外，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一些刀具具有較長(zhǎng)的壽命值，其壽命值分布規(guī)律存在不對(duì)稱性。針對(duì)刀具壽命評(píng)估問(wèn)題展開(kāi)深入研究和討論，研究人員認(rèn)為刀具可靠度研究應(yīng)該立足于刀面磨損分析[2]。刀面磨損帶寬度存在一定的分布規(guī)律，可以通過(guò)分析計(jì)算失效概率來(lái)評(píng)估刀具的可靠度。

2.3 分析對(duì)比兩種壽命研究技術(shù)

2.3.1 優(yōu)缺點(diǎn)分析比較

泰勒經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)技術(shù)具有一定的直接性，可以直接預(yù)測(cè)刀具壽命，是鈦合金加工刀具壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，在實(shí)際加工與生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際刀具加工過(guò)程中應(yīng)用泰勒經(jīng)驗(yàn)公式，可以匹配和優(yōu)化加工參數(shù)。另外，泰勒經(jīng)驗(yàn)公式存在弊端，應(yīng)用前提是需要假設(shè)刀具壽命為一個(gè)定值，因此將其應(yīng)用到加工處理過(guò)程只能得到一個(gè)唯一不變的刀具壽命值。刀具加工環(huán)境十分復(fù)雜，會(huì)受到多種外界因素的影響，因此任何刀具的使用壽命都存在一定的波動(dòng)性，但泰勒經(jīng)驗(yàn)公式的刀具壽命為 定值。

相較于泰勒經(jīng)驗(yàn)公式，基于可靠度分析的刀具壽命研究技術(shù)更具全面性和客觀性，且充分考慮到刀具在加工過(guò)程的不穩(wěn)定性，強(qiáng)調(diào)刀具壽命預(yù)測(cè)值的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。通過(guò)分析刀具壽命的可靠度，可以在不同時(shí)間段預(yù)測(cè)刀具的失效概率，從而選擇合適的時(shí)間更換刀片，減少了刀具的浪費(fèi)，有效降低了刀具投入成本[3]。

2.3.2 數(shù)學(xué)算法分析比較

相較于泰勒經(jīng)驗(yàn)公式中的指數(shù)逼近算法，基于可靠度分析壽命研究技術(shù)中的多元多項(xiàng)式逼近算法精準(zhǔn)度更高，可以有效提高刀具壽命預(yù)測(cè)值的精準(zhǔn)性與可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

鈦合金材料加工難度大，對(duì)提高鈦合金材料加工效率和保證刀具使用壽命的研究十分重要。利用實(shí)驗(yàn)分析方法探討影響鈦合金加工刀具壽命的相關(guān)因素，結(jié)合實(shí)際情況分別介紹泰勒經(jīng)驗(yàn)公式和基于可靠度分析的刀具壽命研究?jī)煞N技術(shù)。前者雖然較常見(jiàn)，但是缺乏對(duì)加工過(guò)程的不穩(wěn)定性考量，需要更加全面精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)刀具壽命，因此可以選擇基于可靠度分析的刀具壽命研究技術(shù)。