CN104476326A - 一种陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷刀具沟槽磨损预测的新方法，属于金属高速切削领域。该模型预测方法步骤包括：检测难加工材料被加工表面硬化层深度；进行难加工材料陶瓷刀具高速加工实验，获得并定量测量对应刀具沟槽磨损边界；通过测量分析，获得沟槽磨损宽度和深度数据；通过多元线性回归方法获取沟槽磨损宽度和硬化深度的关系；建立沟槽磨损宽度和深度之间的微分关系；最后建立沟槽磨损深度和硬化层厚度之间的对应关系。由于本发明中在预测陶瓷刀具沟槽磨损时考虑了被加工表面的硬化层深度，从而更加接近真实的加工状况，提高了沟槽磨损预测的准确性。

Description

一种陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法

技术领域

本发明属于数控车削加工领域，更具体地，涉及一种用于陶瓷刀具车削加工时的沟槽磨损预测的方法。

背景技术

对于金属切削加工领域而言，难加工材料具备明确的含义，即指包括镍基高温合金、高锰钢、钛合金、铁基高温合金、稀有难溶金属、超高强度钢、复合材料等在内的金属材料，具体而言，金属材料切削加工性能的好坏，主要是从切削时的刀具耐用度、已加工表面的质量以及切削形成和排除的难易程度三个方面来衡量。通常所说的难加工材料譬如高强度钢、钛合金、高锰钢以及镍基高温合金等，这些材料在多个制造加工领域获得了频繁运用，其中的镍基高温合金在航空、航天领域尤其是航空发动机内的叶轮上应用得十分广泛，因此正日益成为近来学术界的研究热点所在。

由于难加工材料一般具备导热系数低、热硬强度高、切削变形系数大以及加工硬化严重等物理特性，所以目前针对难加工材料的高速切削加工还是一个国际难题。陶瓷刀具的出现使得高速切削难加工材料成为可能，由于切削量大，影响广，它常常适用于粗加工，能极大的提高材料去除率并提高加工效率，因此在目前的技术条件下使用陶瓷刀具是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一。陶瓷刀使用精密陶瓷高压研制而成一种新型切削刀具，目前常用于难加工材料切削的一般指氧化铝、氮化硅、氧化锆等陶瓷刀具。对于难加工材料的切削加工而言，陶瓷刀具切削的效率远远高于常规的硬质合金刀片切削方法。然而目前在难加工材料加工领域，陶瓷刀具由于其使用寿命短，应用得还不是很广泛，而且对于陶瓷刀具高速车削中的磨损机理，更是没有系统的、准确的预测方法。

现有的陶瓷刀具磨损预测一般以刀具的侧刃磨损为主，缺少对陶瓷刀具高速车削镍基高温合金的沟槽磨损预测模型。目前对圆刀片的磨损模型研究是基于Kasim,Mohd Shahir等人于2013年文章中所提出的磨损位置预测(Wear mechanism and notch wear location prediction model in ballnose end milling of Inconel 718，Wear 2013，302：1171–1179)，目前暂时缺少对陶瓷刀具沟槽磨损区域形状的预测模型，相应地，不能够为陶瓷刀具高速车削男技工材料提供刀具寿命的预测指导工作。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于加工硬化现象对圆形刀片沟槽磨损的预测模型，其目的在于更好的预测圆形刀片切削难加工材料时的沟槽磨损，由此能够为陶瓷刀具高效切削镍基高温合金的磨损情况提供有效指导。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)检测难加工材料被加工表面硬化层深度t；进行难加工材料陶瓷刀具高速加工实验，获得并定量测量对应刀具沟槽磨损边界；

(2)通过重复所述步骤(1)，对所获得的刀具沟槽磨损边界进行多次的测量分析，获得刀具沟槽磨损宽度w、磨损深度d在不同硬化层深度t的数据；通过多元线性回归方法获取沟槽磨损宽度w和硬化层深度t的关系；

(3)建立沟槽磨损宽度w和深度d之间的微分关系；由所述步骤(2)中获取的w和硬化层深度t的关系与沟槽磨损宽度w和深度d的关系，建立沟槽磨损深度d和硬化层厚度t之间的对应关系，由此，在获知硬化层深度t的数值的情况下，即可预测出沟槽磨损深度d。

进一步地，所述刀具沟槽磨损边界为弧线形。

进一步地，所述步骤(2)中通过多元线性回归方法获取的沟槽磨损宽度w和硬化层深度t的关系为t＝0.99*w+0.17   (Ⅰ)。

进一步地，所述弧线形沟槽的半径r与磨损宽度w和深度d的关系为：

$r^2={\left(\frac{w}{2}\right)}^2+{(r-d)}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

进一步地，所述步骤(3)中的建立沟槽磨损宽度w和深度d之间的微分关系的过程如下：

所述弧线形沟槽的面积为：

$S={\left(\frac{A}{2d}\right)}^2(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2}).---\left(\mathrm{III}\right)$

其中： $A=d^2+{\left(\frac{w}{2}\right)}^2,B=d^2-{\left(\frac{w}{2}\right)}^2,$ C＝wd

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dd}}{\mathrm{dd}}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dd}}/\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dd}}=\frac{D\left(w\right)}{D\left(d\right)}\\ =\frac{\frac{\mathrm{Aw}}{{4d}^2}(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})+\frac{A}{4d}-\frac{\mathrm{Bd}-\mathrm{Cw}/2}{{4d}^2}+\frac{{\mathrm{Bw}}^2}{4\mathrm{Ad}}}{\frac{\mathrm{AB}}{{2d}^3}(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})-\frac{\mathrm{Aw}}{{4d}^2}-\frac{\mathrm{Bw}+2\mathrm{Cd}}{{4d}^2}+\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{Ad}}}\end{array}---\left(\mathrm{IV}\right)$

代入所述公式(Ⅰ)，最终得到d＝-T(t-t₀)+Q   (Ⅴ)，

其中T、Q、t₀为常系数。

通过本发明的用于陶瓷刀具沟槽磨损预测的新方法，由于定量化硬化层深度在沟槽磨损中的影响，因此本方法能更准确的预测陶瓷刀具车削难加工材料过程中的沟槽磨损深度；此外，由于使用了数控加工、车削、硬化深度等切削加工领域中的技术特征，并具体运用至譬如为镍基高温合金的高速车削加工领域，因此能够产生对提高难加工材料切削效率、对更好的使用陶瓷刀具等技术效果。

附图说明

图1是为按照本发明的用于陶瓷刀具沟槽磨损预测的新方法流程框图；

图2是按照本发明实施例中所实测的刀具沟槽磨损图的显微镜图；

图3为圆形刀片沟槽磨损实测边界图和拟合数据图；

图4为按照本发明中使用显微硬度计测试加工表面的硬度曲线；

图5为沟槽磨损宽度和硬化层深度之间的拟合关系；

图6为刀片沟槽磨损几何示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-圆形陶瓷刀片 2-被加工工件 3-被加工工件表面的硬化层 4-沟槽磨损 5-侧刃磨损。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的在于提供一种陶瓷刀具沟槽磨损预测的新方法，其通过包括检测被加工表面硬化深度，建立硬化深度和沟槽磨损行为对应关系等步骤在内，从而为陶瓷刀具高速加工难加工材料的磨损机理提供理论指导。

参见图1，为按照本发明实现的陶瓷刀具沟槽磨损预测方法的流程方框图，其中包括下列步骤：

(1)检测难加工材料被加工表面硬化层深度t；进行难加工材料陶瓷刀具高速加工实验，获得并定量测量对应刀具沟槽磨损边界；

(2)使用磨损边界的数据曲线确定沟槽磨损的深度和宽度数据，并多次测量获得在不同硬化层深度t的数据下的w和d的值，运用沟槽磨损宽度w和获得的硬化层深度t建立拟合关系。

(3)根据沟槽磨损边界的弧线形，如图3中的所示的拟合磨损边界，建立沟槽磨损宽度w和深度d之间的微分关系。

根据步骤(3)所获得的微分关系和步骤(2)中的拟合数据建立沟槽磨损深度d和硬化层深度t之间的对应模型。

本实施例中的陶瓷刀具为数控加工陶瓷刀具；难加工材料包括镍基高温合金等高温合金；硬化层是指被加工表面硬度高于基体硬度的区域，如图4所示为使用显微硬度计测试出的加工工件表面的硬度曲线，由上述曲线克判断出硬化层的深度t，并进行相关实验测试获取陶瓷刀具的沟槽磨损图片并提取边界数据，并建立出硬化层深度t和沟槽宽度w之间的拟合曲线如图5所示，拟合方程可以表示为t＝0.99*w+0.17。如图6所示，在车削加工中，沟槽宽度w(标号4所示)跟硬化深度t(标号3所示)之间存在着几何上的对应关系，所以在这里建立二者的线性拟合关系。

表1硬化深度、沟槽深度和宽度测量数据

如图2、图3和图6所示，沟槽磨损的边界形状呈一条弧线，本实施例中采用了弧线来说明磨损预测的方法，但在本发明中提出可以使用但不仅限于使用以下方法建立模型：

其中如图6所示，r为沟槽半径；w为沟槽宽度；d为沟槽深度；S为沟槽弧形所构成的扇形区域面积；θ为扇形的沟槽对应的角度；t为硬化层深度。

建立沟槽磨损宽度、深度和沟槽半径之间的数学关系

$r^2={\left(\frac{w}{2}\right)}^2+{(r-d)}^2---\left(1\right)$

计算图5中沟槽磨损的扇形面积：

$S=\frac{2\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\πr}}^2-\frac{1}{2}\mathrm{wr}\cos \mathrm{\θ}={\mathrm{\θr}}^2-\frac{1}{2}{2r}^2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}=r^2(\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ})---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{src}\sin \left(\frac{w}{2r}\right)=\arcsin \left(\frac{\mathrm{wd}}{d^2+{\left(\frac{w}{2}\right)}^2}\right)---\left(3\right)$

建立沟槽深度d和沟槽宽度w之间的关系：

$S={\left(\frac{A}{2d}\right)}^2(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})---\left(4\right)$

其中：

$A=d^2+{\left(\frac{w}{2}\right)}^2,B=d^2-{\left(\frac{w}{2}\right)}^2,$ C＝wd

通过对硬化深度和沟槽宽度之间微分，并根据链规则，可以将两者的关系表示为：

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dd}}{\mathrm{dw}}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dw}}/\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dd}}=\frac{D\left(w\right)}{D\left(d\right)}\\ =\frac{\frac{\mathrm{Aw}}{{4d}^2}(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})+\frac{A}{4d}-\frac{\mathrm{Bd}-\mathrm{Cw}/2}{{4d}^2}+\frac{{\mathrm{Bw}}^2}{4\mathrm{Ad}}}{\frac{\mathrm{AB}}{{2d}^3}(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})-\frac{\mathrm{Aw}}{{4d}^2}-\frac{\mathrm{Bw}+2\mathrm{Cd}}{{4d}^2}+\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{Ad}}}\end{array}---\left(5\right)$

将t＝0.99*w+0.17代入上述公式(5)即可,最终可以将硬化深度t和沟槽深度d建立如下的数学关系：

d＝-T(t-t₀)+Q   (6)

结合测试数据，如表1的测试数据，可以计算出常系数T、Q以及t₀，由此得到沟槽磨损深度和硬化层之间的关系为：

d＝-1.75*(t-0.44)+0.17   (7)

通过获得的数学关系，可以看出以下几点：当硬化层厚度有限时，不发生沟槽磨损，如图5中视角A；硬化层厚度越大，沟槽越深；持续变大的硬化层厚度导致沟槽磨损深度的急剧增加。这都与实际相符合。

当然，本发明中的沟槽磨损的边界为弧形，但是当沟槽磨损的边界为其它形状的时候，同样可以拟合出其边界的形状，并采用相关的深度和宽度的关系去表达，从而建立新的对应关系，获得硬化层深度与刀具沟槽磨损深度的关系，在此不再赘述。

由于本发明中考虑了被切削表面的硬化层对刀具切削过程中的沟槽磨损的影响，更加真实的接近于刀具沟槽磨损的形成过程，从而能提高预测陶瓷刀具沟槽磨损的准确性和可靠性。

从获得的实验实测数据和预测曲线来看，本模型能较好的预测陶瓷刀具高速加工难加工材料，特别是镍基高温合金的沟槽磨损形状。与实际切削和测试结果相符合，能对实际加工过程中预测和控制刀具磨损提供相应的指导作用。

另外，通过对不同种材料的陶瓷刀具，譬如氧化铝陶瓷刀具高速车削镍基高温合金材料多次重复执行按照本发明的预测方法的上述步骤，结果表明，所获得的相关系数基本处于一个很小的范围内合理波动，由此验证了本发明的预测方法的合理性以及准确性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)检测难加工材料被加工表面硬化层深度t；进行难加工材料陶瓷刀具高速加工实验，获得并定量测量对应刀具沟槽磨损边界；

(2)通过重复所述步骤(1)，对所获得的刀具沟槽磨损边界进行多次的测量分析，获得刀具沟槽磨损宽度w、磨损深度d在不同硬化层深度t的数据；通过多元线性回归方法获取沟槽磨损宽度w和硬化层深度t的关系；

(3)建立沟槽磨损宽度w和深度d之间的微分关系；由所述步骤(2)中获取的w和硬化层深度t的关系与沟槽磨损宽度w和深度d的关系，建立沟槽磨损深度d和硬化层厚度t之间的对应关系，由此，在获知硬化层深度t的数值的情况下，即可预测出沟槽磨损深度d。

2.如权利要求1所述的陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法，其特征在于，所述刀具沟槽磨损边界为弧线形。

3.如权利要求2所述的陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过多元线性回归方法获取的沟槽磨损宽度w和硬化层深度t的关系为t＝0.99*w+0.17   (Ⅰ)。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法，其特征在于，所述弧线形沟槽的半径r与磨损宽度w和深度d的关系为：

$r^2={\left(\frac{w}{2}\right)}^2+{(r-d)}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

5.如权利要求4所述的陶瓷刀具沟槽磨损预测的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的建立沟槽磨损宽度w和深度d之间的微分关系的过程如下：

所述弧线形沟槽的面积为：

$S={\left(\frac{A}{2d}\right)}^2(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2}).---\left(\mathrm{III}\right)$

其中： $A=d^2+{\left(\frac{w}{2}\right)}^2,$ $B=d^2-{\left(\frac{w}{2}\right)}^2,$ C＝wd

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{dd}}{\mathrm{dd}}=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dd}}/\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dd}}=\frac{D\left(w\right)}{D\left(d\right)}\\ =\frac{\frac{\mathrm{Aw}}{{4d}^2}(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})+\frac{A}{4d}-\frac{\mathrm{Bd}-\mathrm{Cw}/2}{{4d}^2}+\frac{{\mathrm{Bw}}^2}{4\mathrm{Ad}}}{\frac{\mathrm{AB}}{{2d}^3}(\arcsin \left(\frac{C}{A}\right)-\frac{\mathrm{BC}}{A^2})-\frac{\mathrm{Aw}}{{4d}^2}-\frac{\mathrm{Bw}+2\mathrm{Cd}}{{4d}^2}+\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{Ad}}}\end{array}---\left(\mathrm{IV}\right)$

代入所述公式(Ⅰ)，最终得到d＝-T(t-t₀)+Q   (Ⅴ)，其中T、Q、t₀为常系数。