鈦合金加工刀具壽命預測技術分析與研究

張戰英 徐廣勝 王一龍 宋振繼

（1.陜西工業職業技術學院 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）

在實際生產與建設中，為避免由于加工刀具出現失效而產生加工故障，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。基于這一問題，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，降低刀具成本投入，控制加工故障發生率，是眾多企業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，并記錄測量數據。選定磨鈍標準平均磨損量VB為0.3mm。當刀具磨損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據發現，切削速度越快，3種刀具壽命越低。出現這種現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僅為鐵的1/5、鋁的1/4，導熱性能較差，導致刀片的切削區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，顯示出優良的特性。通過分析實驗數據發現，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。這一實驗數據足以表明，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，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 泰勒經驗公式壽命預測技術

泰勒經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是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數，表示刀具材料、工件和進給率的特性。

隨著社會的不斷發展，科技水平的提高，早期的泰勒公式逐漸表現出一些不足。經過人們的逐漸完善與改進，現在的泰勒經驗公式為：

式中，f為進給率；d為切削深度；a和b為根據實驗數據求出的常數。經過改進后的泰勒經驗公式，添加了刀具加工過程中幾個常見的參數，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律進行了大量的研究和探討。經過多次切削實驗，鈦合金加工刀具壽命預測技術之間存在著密切的聯系。預測值的準確性直接影響刀具的利用效率和投入成本。基于多次切削實驗，研究人員提出正態分布法來表達鈦合金刀具使用壽命的分布規律，在后續的研究和實驗中也得到了有力證實。此外，國內外相關學者在實驗過程中發現，一些刀具具有較長的壽命值，其壽命值分布規律存在不對稱性。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 優缺點分析比較

泰勒經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，在實際加工與生產中得到了廣泛應用。在實際刀具加工過程中應用泰勒經驗公式，可以匹配和優化加工參數。另外，泰勒經驗公式存在弊端，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，但泰勒經驗公式的刀具壽命為 定值。

相較于泰勒經驗公式，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定性，強調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 數學算法分析比較

相較于泰勒經驗公式中的指數逼近算法，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。