張戰(zhàn)英 徐廣勝 王一龍 宋振繼

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 材料工程學院，咸陽 712000；2.秦川機床工具集團股份公司，寶雞 721009）

在實際生產(chǎn)與建設中，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，導致刀具浪費而增加成本?；谶@一問題，在當前加工領域對鈦合金加工刀具壽命的研究尤為重要。準確預測刀具使用壽命，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)需要高度重視的問題。

1 鈦合金加工刀具使用壽命相關影響因素

1.1 切削實驗

刀具材料試驗選用3種不同類型的硬質合金刀片和PCD復合片作為試驗刀具材料，以保證實驗結果的真實性、準確性以及全面性。

工件材料試驗過程采用的工件材料為Ti-6Al-4V鈦合金。

整個試驗操作過程需在CA6140型車床上進行，選擇干式外圓切削方式。正式切削操作需每隔一段時間使用JLC820052型工具顯微鏡測量刀具表面的磨損情況，并記錄測量數(shù)據(jù)。選定磨鈍標準平均磨損量VB為0.3mm。當?shù)毒吣p度達到相應的標準后，利用掃描電鏡和能譜分析儀觀測和分析3種刀具的磨損狀態(tài)和局部化學成分。

1.2 實驗結果分析

在實驗過程中，通過分析相關實驗數(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致切削溫度升高，而鈦合金的導熱系數(shù)僅為鐵的1/5、鋁的1/4，導熱性能較差，導致刀片的切削區(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，尤其在高速（≥75m/min）切削下，PCD刀具使用壽命是其他兩種硬質合金刀具的4～5倍，顯示出優(yōu)良的特性。通過分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種硬質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。當切削速度為75m/min時，刀具壽命維持在7～9min；當切削速度為90m/min時，刀具壽命僅剩4min左右。這一實驗數(shù)據(jù)足以表明，這兩種硬質合金刀具在加工鈦合金的過程中需將切削速度控制在75m/min 之內(nèi)，否則將嚴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的化學活性，刀具表面的切削溫度會隨切削速度的提高而增加，且磨損和黏結等問題加重了刀具的磨損程度，最終縮短其使用壽命[1]。

1.3 實驗結論

在機械加工過程中，鈦合金加工刀具使用壽命會受到加工方式、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、加工進給和切深切寬等因素影響較大。在實際研究過程中，必須要綜合考慮多方面內(nèi)容，針對實際需要和具體情況，選擇最科學合理的操作方法，才能有效減輕刀具的磨損程度，延長刀具使用壽命。

2 鈦合金加工刀具壽命研究技術

2.1 泰勒經(jīng)驗公式壽命預測技術

泰勒經(jīng)驗公式最初由美國工程師提出，是最早用來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)實驗或已發(fā)表的技術資料確定的常數(shù)，表示刀具材料、工件和進給率的特性。

隨著社會的不斷發(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)過人們的逐漸完善與改進，現(xiàn)在的泰勒經(jīng)驗公式為：

式中，f為進給率；d為切削深度；a和b為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)求出的常數(shù)。經(jīng)過改進后的泰勒經(jīng)驗公式，添加了刀具加工過程中幾個常見的參數(shù)，使其更具精準性和完善性，可以準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程中得到了廣泛應用。

2.2 可靠度分析壽命預測技術

在過去的幾十年中，相關領域學者對刀具壽命和刀面磨損的變化規(guī)律進行了大量的研究和探討。經(jīng)過多次切削實驗，鈦合金加工刀具壽命預測技術之間存在著密切的聯(lián)系。預測值的準確性直接影響刀具的利用效率和投入成本?；诙啻吻邢鲗嶒灒芯咳藛T提出正態(tài)分布法來表達鈦合金刀具使用壽命的分布規(guī)律，在后續(xù)的研究和實驗中也得到了有力證實。此外，國內(nèi)外相關學者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，一些刀具具有較長的壽命值，其壽命值分布規(guī)律存在不對稱性。針對刀具壽命評估問題展開深入研究和討論，研究人員認為刀具可靠度研究應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，可以通過分析計算失效概率來評估刀具的可靠度。

2.3 分析對比兩種壽命研究技術

2.3.1 優(yōu)缺點分析比較

泰勒經(jīng)驗公式預測技術具有一定的直接性，可以直接預測刀具壽命，是鈦合金加工刀具壽命預測領域的一個重要里程碑，在實際加工與生產(chǎn)中得到了廣泛應用。在實際刀具加工過程中應用泰勒經(jīng)驗公式，可以匹配和優(yōu)化加工參數(shù)。另外，泰勒經(jīng)驗公式存在弊端，應用前提是需要假設刀具壽命為一個定值，因此將其應用到加工處理過程只能得到一個唯一不變的刀具壽命值。刀具加工環(huán)境十分復雜，會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性，但泰勒經(jīng)驗公式的刀具壽命為 定值。

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

2.3.2 數(shù)學算法分析比較

相較于泰勒經(jīng)驗公式中的指數(shù)逼近算法，基于可靠度分析壽命研究技術中的多元多項式逼近算法精準度更高，可以有效提高刀具壽命預測值的精準性與可靠性。

3 結語

鈦合金材料加工難度大，對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。利用實驗分析方法探討影響鈦合金加工刀具壽命的相關因素，結合實際情況分別介紹泰勒經(jīng)驗公式和基于可靠度分析的刀具壽命研究兩種技術。前者雖然較常見，但是缺乏對加工過程的不穩(wěn)定性考量，需要更加全面精準地預測刀具壽命，因此可以選擇基于可靠度分析的刀具壽命研究技術。