一种刀具磨损机理分析方法

摘要

本发明公开了一种刀具磨损机理分析方法，属于金属切削加工技术领域，通过建立一种新的刀具磨损模型并借助有限元方法来实现刀具磨损机理的分析，本发明的刀具磨损模型为：通过实验可测得刀具后刀面磨损值VB，进而获得刀具磨损率，其余变量可通过切削仿真获得，最后通过多元回归分析方法即可测出磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损的相应数值，该方法借助于有限元仿真的方法来分析刀具的磨损机理，简单易用，成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种刀具磨损机理分析方法，属于金属切削加工技术领域。

背景技术

刀具磨损对金属切削加工过程有重要的影响，要想对金属切削过程进行控制优化并 获得一定切削条件下的最佳切削速度，就必须掌握其刀具磨损机理。金属切削中刀具磨 损是一个积累的不可逆过程，是一个相当复杂的过程。常见的磨损原因有磨料磨损、粘 结磨损、扩散磨损。目前尚未有好的方法来分析刀具磨损机理，只能借助扫描电镜和能 谱分析等仪器来分析，不仅耗时长、成本高，而且容易引起标本氧化，影响分析结果， 因此是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种刀具磨损机理分析方法。

本发明要解决的问题是现有仪器来分析刀具磨损机理耗时长，成本高的不足。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提出通过建立一种新的刀具磨损模型并借助有限元方法来实现刀具磨损机 理的分析，本发明的刀具磨损模型为：

$\stackrel{·}{w}=\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{dt}}=A·v·{\sigma }_n·{(1-{\left(\frac{T-20}{1580}\right)}^{1.24})}^m+$

$B·\exp (-\frac{C}{T+273.15})·v·{\sigma }_n·{(1-{\left(\frac{T-20}{1580}\right)}^{1.24})}^n+D·\exp (-\frac{E}{T+273.15})$

式中为磨损率即单位时间、单位面积上的刀具磨损体积，t为切削时间，σ_n为接 触面正压力，v为工件——刀具滑移速度，T为切削温度；A、B、C、D、E、m、n为待 定系数，其中A为磨料磨损常数，根据磨料硬度、形状和起微切削作用的磨料数量等因 素决定，为由刀具和工件材料的组合所决定的活性化能量与工件材料活化能之和，B为 粘结磨损常数，C为由刀具和工件材料的组合所决定的活性化能量与工件材料活化能之 和，D为扩散磨损常数，E为由活性化能量与气体常数之比；通过实验可测得刀具后刀 面磨损值VB，进而获得刀具磨损率，其余变量可通过切削仿真获得，最后通过多元回归 分析方法即可测出磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损的相应数值。

本发明的优点是：该方法借助于有限元仿真的方法来分析刀具的磨损机理，简单易 用，成本较低，应具有广泛的应用性。

附图说明

图1是磨损模型建立过程示意图。

图2是磨损机理分析过程示意图。

图3是KW10刀具后刀面能谱分析图。

图4是KW10刀具剖面线扫描分析图。

图5是KW10刀具剖面上的能谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提出通过建立一种新的刀具磨损模型并借助有限元方法来实现刀具磨损机 理的分析，本发明的刀具磨损模型为：

$\stackrel{·}{w}=\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{dt}}=A·v·{\sigma }_n·{(1-{\left(\frac{T-20}{1580}\right)}^{1.24})}^m+$

$B·\exp (-\frac{C}{T+273.15})·v·{\sigma }_n·{(1-{\left(\frac{T-20}{1580}\right)}^{1.24})}^n+D·\exp (-\frac{E}{T+273.15})$

式中为磨损率即单位时间、单位面积上的刀具磨损体积，t为切削时间，σ_n为接 触面正压力，v为工件——刀具滑移速度，T为切削温度；A、B、C、D、E、m、n为待 定系数，其中A为磨料磨损常数，根据磨料硬度、形状和起微切削作用的磨料数量等因 素决定，为由刀具和工件材料的组合所决定的活性化能量与工件材料活化能之和，B为 粘结磨损常数，C为由刀具和工件材料的组合所决定的活性化能量与工件材料活化能之 和，D为扩散磨损常数，E为由活性化能量与气体常数之比；通过实验可测得刀具后刀 面磨损值VB，进而获得刀具磨损率，其余变量可通过切削仿真获得，最后通过多元回归 分析方法即可测出磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损的相应数值，确立过程如图1所示。

建立了刀具磨损模型后，将切削条件代入有限元软件进行仿真计算，通过其输出结 果分析可获得刀具的磨损机理，实施路线如图2所示。

实施例：

切削仿真条件：

工件材料：钛合金TC4，热处理状态固溶时效；

实验机床：CA6140车床，经改造加装变频器后可实现无级变速。变频器选用日本 安川的Varispeed F7系列，400V级变频器，基本型号：CIMR-F7B4011，最大适用电机 容量：11KW，输出容量：18KVA。

刀杆型号为Stellram公司MCLNR2525M12-N，刀片型号为Kyocera公司 CNMG120408-AH-KW10；

刀具几何参数：主偏角K_γ=75°，副偏角K_γ′=25°，其余几何参数参由刀片型号与 刀杆型号确定。

切削液：浇注奎克生产的QUAKERCOOL 370KLG水溶性切削液，使用浓度为5%～ 10%。

首先设计一组切削实验来回归刀具磨损模型，实验设计如下表1所示：

表1切削仿真、实验方案

  实验序号   v(m/min)   f(mm/r)   α_p  (mm)   1   30   0.1   1.3   2   45   0.1   1.3   3   68   0.1   1.3   4   83   0.1   1.3   5   92   0.1   1.3   6   102   0.1   1.3   7   125   0.1   1.3   8   153   0.1   1.3   9   92   0.08   1.3   10   92   0.13   1.3   11   92   0.1   1   12   92   0.1   1.7

切削仿真结果如表2所示：

表2切削仿真分析结果

通过刀具磨损实验可测得刀具后刀面磨损值VB，进而得到值，刀具磨损率可由下式 计算得到：

$\mathrm{\Delta VB}\approx \stackrel{·}{w}\mathrm{\Delta t}/\mathrm{tg\alpha }$

式中：α为刀具后角。

刀具磨损实验及计算结果如表3所示。

表3刀具磨损实验及计算结果

通过对表2、表3中数据进行回归分析（实验8中刀具破损，故拟合磨损模型时放 弃该组数据），可建立刀具磨损模型如下：

$\stackrel{·}{w}=1.27\times {10}^{-19}·v_s·{\sigma }_n·{(1-{\left(\frac{T-20}{1580}\right)}^{1.24})}^{0.16}+1.9\times {10}^{-6}·v_s·{\sigma }_n·\exp (-\frac{15004.51}{T+273.15})$

$·{(1-{\left(\frac{T-20}{1580}\right)}^{1.24})}^{32.26}+6337.98·\exp (-\frac{29954.98}{T+273.15})$

将该模型及实验6中切削条件代入有限元软件可对该切削条件下的刀具磨损速度进 行预报，进而实现刀具磨损机理的分析。分析结果如表4所示：

表4刀具磨损速度预报分析

由表4可知，当切削速度超过102m/min时，扩散磨损速度要远大于磨料磨损速度 及粘结磨损速度，刀具的主要磨损形式为扩散磨损。该预报结果与许多文献研究结果一 致。

实验验证：

图3为102m/min切削速度下刀具后刀面的能谱分析，成分分析结果如表5所示。 能谱分析显示粘结物成分与工件材料TC4成分相吻合，这表明上述粘结层为工件粘结 层。

表5图3成分分析结果

在刀具后刀面工件粘结层上发现了磨料磨损的微切削划痕，但该划痕在离开粘结层 到达硬度较高的刀具表面时消失。此外，没有发现其它磨料磨损划痕，这表明当102m/min 切削速度下KW10刀具磨料磨损可以忽略。

从刀具表面形貌来看，刀具表面上没有发现粘结撕裂的痕迹。没有被工件粘结层覆 盖的刀具表面光滑，显示出了扩散磨损的特征并进一步佐证了粘结磨损可以忽略的事 实。

图4为102m/min切削速度下KW10刀具剖面线扫描分析。

从图5可以看出，在该切削速度下，KW10刀具剖面均发现了W、Ti、V、Al元素 的成分梯度分布，这表明该切削速度下，刀具发生了扩散磨损。图5为该切削速度下 KW10刀具剖面上的能谱分析图，成分分析结果如表6所示。

表6图5成分分析结果

从刀具剖面的能谱分析可以看出，在工件粘结层中均发现了W元素的峰值，这进一步佐 证了该切削速度下的刀具扩散磨损。结合刀具表面形貌分析来看，各方面的证据都显示在 102m/min切削速度下刀具磨损的主要形式应为扩散磨损，实验结果与预报结果比较一致。这 表明该自定义磨损模型可在一定程度上实现刀具磨损机理的预报功能。