CN109396957B - 一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法 - Google Patents

一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及切削加工和刀具技术领域，特别提供一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法。其包括以下步骤：1)选取一种机床、刀具、工件材料和切削条件进行切削试验；2)采用扫描电镜和超景深显微镜检测刀片，采用手持表面粗糙度测量仪检测已加工工件，记录数据；3)构建v c ‑f刀具磨损图、v c ‑VB‑ Ra和f‑VB‑Ra柱状图，进行切削参数优选；4)用优选的切削参数进行刀具完全寿命试验，实现刀具寿命可靠性评估。本发明基于所构建的v c ‑f刀具磨损图、v c ‑VB‑Ra和f‑VB‑Ra柱状图得出优选切削参数，预测优选切削参数下的刀具寿命可靠性，为切削参数优选和换刀策略提供理论支撑。

Description

一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评 估的方法
技术领域
本发明涉及切削加工和刀具技术领域，特别提供一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法。
背景技术
切削加工是制造业的重要组成部分，制造业的进步以材料性能的提升为基础；近年来，钛合金和高温合金等高性能材料被广泛运用到要求苛刻的行业，例如航空航天、能源、石油化工、生物医学等领域；这些高性能材料虽然性能优异，但往往因为导热性差、强度硬度高、加工硬化严重和粘结性强等原因使刀具磨损破损严重，刀具寿命短并且在换刀时间内刀具寿命可靠性低；因此，切削加工中高度稳定可靠的工艺参数以及合理的换刀策略成为工程人员关注的热点；为了实现切削加工参数的优选并制定合理的换刀策略，需要对刀具在特定切削条件下的磨损形貌和机理进行系统研究并进行归纳总结，进一步获得优选的切削加工参数以及完成刀具在优选切削参数下寿命可靠性的评估；磨损图可以帮助系统研究刀具的磨损形貌和磨损机理，展现出不同切削条件下磨损形貌和磨损机理的转变；目前国内外的研究人员展开的关于刀具磨损图的研究大多是使用其他学者文献中的实验数据，这些数据缺乏一致性，影响磨损图的准确性；并且现存的刀具磨损图中没有尝试构建出刀具失效界限；除此之外，没有人利用磨损图对切削参数进行优选并评价在优选切削参数下刀具的寿命可靠性，为刀具制定合理的换刀策略。
发明内容
一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一
进行切削试验，选用数控机床型号为CAK6150，刀片为三菱涂层硬质合金刀片（型号为CNMG120408-MJ），刀柄为山特维克生产的PCLNR-2525-HP刀柄，工件材料为高温合金Inconel625，切削条件为常规冷却（切削液为美国马斯达化学公司的TRIM E206）；所述切削试验采用的切削参数为背吃刀量a p =0.5mm，切削速度v c 为25~175m/min，进给速度f为0.02~0.3mm/min；所述切削试验舍弃过大和过小切削参数，具体实验方案如图2所示；所述切削试验对应每组切削参数选用一个新刀尖进行切削试验；所述切削试验切削时间为根据具体切削加工条件所拟定的时间，大于等于10min。
步骤二
将步骤一每组切削参数下的刀具进行检测，采用超景深显微镜和扫描电镜分别检测刀具后刀面磨损量VB和刀具磨损形貌，采用手持表面粗糙度测量仪检测已加工工件表面粗糙度Ra，记录每组切削参数所对应的后刀面磨损量VB，刀具磨损形貌和工件表面粗糙度Ra，记录试验结果如下：
积屑瘤形貌对应的切削参数为：v c =25m/min、f=0.15mm/r；v c =25m/min、f=0.1mm/r；v c =55m/min、f=0.1mm/r；月牙洼磨损对应的切削参数为v c =145m/min、f =0.05mm/r；v c =175m/min、f =0.02mm/r；刀具断裂对应的切削参数为v c =55m/min、f=0.3mm/r；刀具剥落和崩刃对应的切削参数为v c =145m/min、f=0.1mm/r；在其他参数下，如v c =85m/min、f=0.2mm/r；v c =115m/min、f=0.15mm/r和v c =175m/min、f=0.05mm/r也发生了刀具破损；构建柱状图所用v c -VB-Ra和f-VB-Ra的数据记录如图3所示。
步骤三
根据步骤二所记录的试验数据，构建以v c 为横坐标和f为纵坐标的刀具磨损图，如图4所示；构建以v c 为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图，如5所示；构建以f为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图，如图6所示。
所述图4为绘制出的基于切削速度和进给速度的二维刀具磨损图，在磨损图中确定出了积屑瘤，月牙洼和剥落-崩刃-断裂三条刀具失效界限，规划出了一个安全区，选用安全区内的切削参数进行切削可避免刀具在换刀时间内过度磨损。
由所述图5可知，当切削速度由55m/min增加到85m/min的过程中，表面粗糙度由0.612μm下降到了0.585μm；切削速度由85m/min提升到115m/min的过程中，表面粗糙度有所升高，提升到0.655μm；由所述图6可知，进给速度对表面粗糙度的影响程度很大，在进给速度由0.05mm/r增加到0.25mm/r时，表面粗糙度由0.452μm上升到了0.995μm，表面质量变差。
由所述图5可知，随着切削速度的提升，后刀面磨损量逐渐增大，这会加速后刀面磨损量达到磨钝标准，使刀具寿命降低；同时，由所述图4磨损图可知随着速度增大，氧化磨损增强，月牙洼变大，会降低刀具寿命；由所述图6可知,随着进给速度的增大平均磨损量VB有降低的趋势，这是因为进给增大导致后刀面磨损带不均匀；但是，由所述图4磨损图可知随着进给速度的增大，刀具更容易出现破损导致刀具寿命的降低；因此，切削速度和进给量愈小愈优。
实际加工中在确保表面质量的前提下，应注意尽可能减少刀具的磨损失效。综上所述，结合实际加工常选用的切削参数，选v c =60m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm为优选的切削参数，此时理论刀具寿命较高。
步骤四
用步骤三所述优选切削参数进行刀具完全寿命实验；所述刀具完全寿命试验以刀具后刀面磨损量VB＞0.6mm为试验终止标准；所述刀具完全寿命试验随机选取了12个刀尖，记录刀具寿命，实验结果如图7所示；
根据实验结果建立刀具寿命分布模型如下：
设涂层硬质合金刀具的寿命分布密度函数为f(t)，可知刀具寿命分布函数F(T)为:
Figure 860535DEST_PATH_IMAGE001
刀具可靠性用R(T)来表示，它与刀具寿命分布函数F(T)之间的关系为：
Figure 546732DEST_PATH_IMAGE002
由此可以求出刀具的可靠度R(T)为：
Figure 347197DEST_PATH_IMAGE003
涂层硬质合金刀具寿命分布模型较服从正态分布模型，此时的刀具寿命分布概率密度函数f(t)为：
Figure 991805DEST_PATH_IMAGE004
上式中μ，和σ2分别代表刀具寿命的对数均值和对数方差，可由实验数据计算得出，μ=79.6250，σ2=51.09662，由此可得出涂层硬质合金刀具切削高温合金Inconel625时刀具寿命分布概率密度函数f(t)为：
Figure 448195DEST_PATH_IMAGE005
可推出其可靠度函数R(T)为：
Figure 203661DEST_PATH_IMAGE006
刀具可靠寿命Tr为刀具在理论的可靠度下所能达到切削的时间，即R(T)=r时的刀具寿命：
Figure 32202DEST_PATH_IMAGE007
由此可推出刀具的可靠寿命Tr：
Figure 847711DEST_PATH_IMAGE008
由上述公式可得涂层硬质合金刀具连续切削高温合金Inconel625时刀具失效概率与刀具寿命可靠度如图8、图9所示；由图8和9可知，使用所选刀片在优选的切削参数（v c =60m/min，f=0.1mm/r，a p =0.5mm）和常规冷却条件下连续切削高温合金Inconel625，当刀具寿命可靠度为0.9或者失效概率为0.1时，刀具换刀时间应为70min；当刀具寿命可靠度为0.5时，刀具换刀时间应为80min；选取其他可靠度时可据图进行换刀时间选取，以此给制定换刀策略提供理论。
附图说明
附图1为本发明的流程图；
附图2为实施案例1切削试验具体实验方案；
附图3为实施案例1构建柱状图所用v c -VB-Ra和f-VB-Ra的数据记录；
附图4为实施案例1所构建以v c 横坐标和f为纵坐标轴的刀具磨损图；
附图5为实施案例1所构建以v c 为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图；
附图6为实施案例1所构建以f为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图；
附图7为实施案例1刀具完全寿命试验所记录的实验结果；
附图8为实施案例1中，使用所选刀片在优选切削参数（v c =60m/min，f=0.1mm/r，a p =0.5mm）和常规冷却条件下连续切削高温合金Inconel625时的刀具寿命失效概率图；
附图9为实施案例1中，使用所选刀片在优选切削参数（v c =60m/min，f=0.1mm/r，a p =0.5mm）和常规冷却条件下连续切削高温合金Inconel625时的刀具寿命可靠度图。
具体实施方式
本发明关于一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法的流程图如图1所示，下面结合附图对本发明方法的具体实施方式做详细说明。
该方法具体实现过程如下：
一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一
进行切削试验，选用数控机床型号为CAK6150，刀片为三菱涂层硬质合金刀片（型号为CNMG120408-MJ），刀柄为山特维克生产的PCLNR-2525-HP刀柄，工件材料为高温合金Inconel625，切削条件为常规冷却（切削液为美国马斯达化学公司的TRIM E206）；所述切削试验采用的切削参数为背吃刀量a p =0.5mm，切削速度v c 为25~175m/min，进给速度f为0.02~0.3mm/min；所述切削试验舍弃过大和过小切削参数，具体实验方案如图2所示；所述切削试验对应每组切削参数选用一个新刀尖进行切削试验；所述切削试验切削时间为根据具体切削加工条件所拟定的时间，大于等于10min。
步骤二
将步骤一每组切削参数下的刀具进行检测，采用超景深显微镜和扫描电镜分别检测刀具后刀面磨损量VB和刀具磨损形貌，采用手持表面粗糙度测量仪检测已加工工件表面粗糙度Ra，记录每组切削参数所对应的后刀面磨损量VB，刀具磨损形貌和工件表面粗糙度Ra，记录试验结果如下：
积屑瘤形貌对应的切削参数为：v c =25m/min、f=0.15mm/r；v c =25m/min、f=0.1mm/r；v c =55m/min、f=0.1mm/r；月牙洼磨损对应的切削参数为v c =145m/min、f =0.05mm/r；v c =175m/min、f =0.02mm/r；刀具断裂对应的切削参数为v c =55m/min、f=0.3mm/r；刀具剥落和崩刃对应的切削参数为v c =145m/min、f=0.1mm/r；在其他参数下，如v c =85m/min、f=0.2mm/r；v c =115m/min、f=0.15mm/r和v c =175m/min、f=0.05mm/r也发生了刀具破损；构建柱状图所用v c -VB-Ra和f-VB-Ra的数据记录如图3所示。
步骤三
根据步骤二所记录的试验数据，构建以v c 为横坐标和f为纵坐标的刀具磨损图，如图4所示；构建以v c 为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图，如5所示；构建以f为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图，如图6所示。
所述图4为绘制出的基于切削速度和进给速度的二维刀具磨损图，在磨损图中确定出了积屑瘤，月牙洼和剥落-崩刃-断裂三条刀具失效界限，规划出了一个安全区，选用安全区内的切削参数进行切削可避免刀具在换刀时间内过度磨损。
由所述图5可知，当切削速度由55m/min增加到85m/min的过程中，表面粗糙度由0.612μm下降到了0.585μm；切削速度由85m/min提升到115m/min的过程中，表面粗糙度有所升高，提升到0.655μm；由所述图6可知，进给速度对表面粗糙度的影响程度很大，在进给速度由0.05mm/r增加到0.25mm/r时，表面粗糙度由0.452μm上升到了0.995μm，表面质量变差。
由所述图5可知，随着切削速度的提升，后刀面磨损量逐渐增大，这会加速后刀面磨损量达到磨钝标准，使刀具寿命降低；同时，由所述图4磨损图可知随着速度增大，氧化磨损增强，月牙洼变大，会降低刀具寿命；由所述图6可知,随着进给速度的增大平均磨损量VB有降低的趋势，这是因为进给增大导致后刀面磨损带不均匀；但是，由所述图4磨损图可知随着进给速度的增大，刀具更容易出现破损导致刀具寿命的降低；因此，切削速度和进给量愈小愈优。
实际加工中在确保表面质量的前提下，应注意尽可能减少刀具的磨损失效。综上所述，结合实际加工常选用的切削参数，选v c =60m/min，f=0.1mm/r，ap=0.5mm为优选的切削参数，此时理论刀具寿命较高。
步骤四
用步骤三所述优选切削参数进行刀具完全寿命实验；所述刀具完全寿命试验以刀具后刀面磨损量VB＞0.6mm为试验终止标准；所述刀具完全寿命试验随机选取了12个刀尖，记录刀具寿命，实验结果如图7所示；
根据实验结果建立刀具寿命分布模型如下：
设涂层硬质合金刀具的寿命分布密度函数为f(t)，可知刀具寿命分布函数F(T)为:
Figure 791396DEST_PATH_IMAGE001
刀具可靠性用R(T)来表示，它与刀具寿命分布函数F(T)之间的关系为：
Figure 147291DEST_PATH_IMAGE009
由此可以求出刀具的可靠度R(T)为：
Figure 860032DEST_PATH_IMAGE003
涂层硬质合金刀具寿命分布模型较服从正态分布模型，此时的刀具寿命分布概率密度函数f(t)为：
Figure 315285DEST_PATH_IMAGE004
上式中μ，和σ2分别代表刀具寿命的对数均值和对数方差，可由实验数据计算得出，μ=79.6250，σ2=51.09662，由此可得出涂层硬质合金刀具切削高温合金Inconel625时刀具寿命分布概率密度函数f(t)为：
Figure 746266DEST_PATH_IMAGE005
可推出其可靠度函数R(T)为：
Figure 156386DEST_PATH_IMAGE006
刀具可靠寿命Tr为刀具在理论的可靠度下所能达到切削的时间，即R(t)=r时的刀具寿命：
Figure 989213DEST_PATH_IMAGE007
由此可推出刀具的可靠寿命Tr：
Figure 880945DEST_PATH_IMAGE008
由上述公式可得涂层硬质合金刀具连续切削高温合金Inconel625时刀具失效概率与刀具寿命可靠度如图8、图9所示；由图8和9可知，使用所选刀片在优选的切削参数（v c =60m/min，f=0.1mm/r，a p =0.5mm）和常规冷却条件下连续切削高温合金Inconel625，当刀具寿命可靠度为0.9或者失效概率为0.1时，刀具换刀时间应为70min；当刀具寿命可靠度为0.5时，刀具换刀时间应为80min；选取其他可靠度时可据图进行换刀时间选取，以此给制定换刀策略提供理论。

Claims (4)

1.一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一
选用某种特定的机床、刀具、工件材料和切削条件进行切削试验；所述切削试验采用的切削参数范围为加工所选材料时常用的参数范围，保持切削参数ap不变，在参数范围内等分区间选取vc和f，其中：ap为背吃刀量，vc为切削速度，f为进给速度；所述切削试验对应每组切削参数选用一个新刀尖进行切削试验；所述切削试验切削时间为根据具体切削加工条件所拟定的时间；
步骤二
将步骤一每组切削参数下的刀具进行检测，采用超景深显微镜和扫描电镜分别检测刀具后刀面磨损量VB和刀具磨损形貌，采用手持表面粗糙度测量仪检测已加工工件表面粗糙度Ra，记录每组切削参数所对应的后刀面磨损量VB，刀具磨损形貌和已加工工件表面粗糙度Ra；
步骤三
根据步骤二所记录的试验数据构建以vc为横坐标和f为纵坐标轴的刀具磨损图，以vc为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图以及以f为横坐标，VB和Ra为纵坐标的柱状图；结合所述磨损图，综合考虑切削参数vc和f对刀具后刀面磨损量VB和已加工工件表面粗糙度Ra的影响，优选切削参数；
步骤四
用步骤三所述优选切削参数进行刀具完全寿命实验；所述刀具完全寿命试验以特定刀具后刀面磨损量为试验终止标准，记录刀具寿命；根据实验结果建立刀具寿命分布模型，推导刀具寿命可靠度模型，预测刀具寿命可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法，其特征在于构建的刀具磨损图中确定出刀具失效界限，介绍最佳切削范围，避免刀具过度磨损失效。
3.根据权利要求1所述的一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法，其特征在于结合磨损图，综合考虑切削参数对于后刀面磨损量VB和已加工工件表面粗糙度Ra的影响，优选切削参数。
4.根据权利要求1所述的一种构建刀具磨损图进行切削参数优选和刀具寿命可靠性评估的方法，其特征在于利用优选的切削参数进行刀具完全寿命试验并评估刀具寿命可靠性，为优选切削参数下切削加工制定合理的换刀策略。
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