切削參數(shù)對金屬切削刀具磨損與壽命的影響
2024-7-25 來源： 四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：蔣俊飛
摘要：切削參數(shù)是影響切削過程中刀具磨損和壽命的重要因素，對其進(jìn)行合理調(diào)整和優(yōu)化能夠降低刀具磨損和延長刀具壽命，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。該文對切削參數(shù)對金屬切削刀具磨損與壽命的影響分析與優(yōu)化。首先，建立了切削動力學(xué)模型，包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度是常用的切削參數(shù)。然后，對切削參數(shù)進(jìn)行了影響分析和優(yōu)化探究，詳細(xì)闡述了切削參數(shù)對刀具磨損和壽命的影響機(jī)理，它們的變化會對刀具產(chǎn)生不同程度的磨損。切削速度過高會使刀具表面溫度升高，引起刀具磨損加劇；進(jìn)給量過大則會增加刀具的側(cè)向沖擊和摩擦力，導(dǎo)致磨損加劇；切削深度過大會增加刀具受力和磨損面積，進(jìn)一步加速刀具磨損。通過實(shí)驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析，得出了不同切削參數(shù)下刀具磨損和壽命的關(guān)系。基于這些關(guān)系，本文提出了一種優(yōu)化算法，可以幫助工程師選擇最佳切削參數(shù)組合，以最大程度地延長刀具壽命并降低磨損。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理調(diào)整切削參數(shù)，可以降低刀具磨損和延長刀具壽命，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：切削參數(shù)；金屬切削刀具；磨損；壽命；影響分析
0、引言
切削加工是金屬加工領(lǐng)域中常用的加工方法，切削刀具的磨損和壽命問題一直是制約切削加工效果和生產(chǎn)效率的重要因素。合理的切削參數(shù)選擇是降低切削刀具磨損和延長刀具壽命的關(guān)鍵。因此，研究切削參數(shù)對刀具磨損與壽命的影響，并通過優(yōu)化選擇最佳切削參數(shù)組合，具有重要的理論和實(shí)用價值[1]。在切削加工中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度是常用的切削參數(shù)。這些切削參數(shù)的選擇將直接影響切削過程中刀具的磨損程度和壽命。切削速度過高會引起刀具表面溫度升高，加速刀具磨損；進(jìn)給量過大會增加刀具的側(cè)向沖擊和摩擦力，導(dǎo)致刀具磨損加劇；切削深度過大會增加刀具受力和磨損面積，進(jìn)一步加速刀具磨損[2]。因此，通過合理調(diào)整切削參數(shù)，可以降低刀具磨損和延長刀具壽命。
目前，相關(guān)研究已經(jīng)在切削參數(shù)對刀具磨損和壽命的影響方面取得了一定的研究成果。然而，由于切削加工過程的復(fù)雜性，刀具磨損和壽命受多種因素共同影響，因此仍存在一些問題有待解決[3]。將通過對切削參數(shù)對金屬切削刀具磨損與壽命的影響進(jìn)行深入分析與優(yōu)化研究，為加工領(lǐng)域提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。通過實(shí)驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析，本文將量化不同切削參數(shù)下刀具磨損和壽命的關(guān)系，建立優(yōu)化算法，以幫助工程師選擇最佳切削參數(shù)組合，以最大程度地延長刀具壽命并降低磨損。
1、切削動力學(xué)模型
在進(jìn)行切削加工時，刀具的刀刃會同時承受徑向和切向切削力，如圖 1 所示。傳統(tǒng)切削模型認(rèn)為，切削力主要來自于切削變形以及刀具與工件之間的摩擦[4]，其表達(dá)式為：
圖 1 刀具的受力分析
目前，大多數(shù)研究都是通過控制法向切削力來改變切削振動的情況，進(jìn)而使切削過程變得平穩(wěn)。但是，在進(jìn)行切削加工時，切削深度和切削進(jìn)給速度的改變會導(dǎo)致刀具與工件接觸的弧線長度發(fā)生變化，從而影響實(shí)際參與切削加工的刀刃數(shù)量以及切削力的大小。
因此，表達(dá)式（3）就不能直接應(yīng)用于實(shí)際加工過程中的切削力分析。切削力會受到多種因素的影響，如切削深度、切削進(jìn)給速度、刀具轉(zhuǎn)速等，目前常用的求取切削力的經(jīng)驗(yàn)公式為：
2、切削參數(shù)對刀具磨損與壽命的影響機(jī)理
切削速度、進(jìn)給量和切削深度是常用的切削參數(shù)，它們的變化會對刀具產(chǎn)生不同程度的磨損。切削速度過高會使刀具表面溫度升高，引起刀具磨損加劇；進(jìn)給量過大則會增加刀具的側(cè)向沖擊和摩擦力，導(dǎo)致磨損加劇；切削深度過大會增加刀具受力和磨損面積，進(jìn)一步加速刀具磨損。因此，合理調(diào)整切削參數(shù)對刀具磨損和壽命具有重要意義[5]。
切削力是衡量切削加工性的重要指標(biāo)，對切削加工變形、加工表面質(zhì)量等均具有不同程度的影響，切削力的研究分析對于良好切削工藝的制定有重要的意義，國內(nèi)外學(xué)者對切削力的研究產(chǎn)生了濃厚興趣。切削參數(shù)及潤滑方式均為影響切削力的重要因素。對鋁合金進(jìn)行了干切削加工，經(jīng)方差分析可知，切削參數(shù)對切削力的影響主次順序?yàn)椋哼M(jìn)給量>切削深度>切削速度，并且建立了切削力線性回歸模型，取得較好的預(yù)測效果。張平等人探究了極端環(huán)境下切削參數(shù)對鋁合金切削力的影響，并且建立了三向切削力預(yù)測模型，切削參數(shù)對切削力的影響。仲為武探究了潤滑方式對鋁合金銑削力的影響，通過單因素實(shí)驗(yàn)方案對干切削、濕式切削和空氣噴射輔助微量潤滑切削所產(chǎn)生的切削力進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)切削力大小順序依次為：干切削>濕式潤滑，并且金屬切削條件下的切削液用量僅為濕式潤滑條件下的 3%。一些專家學(xué)者利用不同的方法來模擬與預(yù)測鋁合金加工過程產(chǎn)生的切削力。Mali 通過 Deform 軟件模擬了鋁合金的切削力，對比實(shí)驗(yàn)切削力發(fā)現(xiàn)，主切削力和進(jìn)給力的相對誤差分別為 16.40%和 13.79%，模擬效果較好。
3、面向金屬刀具磨損與壽命的切削參數(shù)優(yōu)化算法
3.1 PID 切削力控制器的設(shè)計(jì)
PID 控制是一種將比例環(huán)節(jié)（P）、積分環(huán)節(jié)（I）與微分環(huán)節(jié)（D）結(jié)合為一體的自動控制算法，原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、調(diào)整方便，故得到廣泛應(yīng)用，其工作原理是根據(jù)輸入的誤差值，依照比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)來進(jìn)行運(yùn)算，然后利用運(yùn)算結(jié)果來控制輸出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人控制、汽車控制、飛行器控制等領(lǐng)域[6]。
如果目標(biāo)切削深度、有效切削面積與刀具轉(zhuǎn)速保持不變，切削加工精度的主要影響因素是切削力以及切削進(jìn)給速度。為了方便后續(xù)研究，將機(jī)器人切削到目標(biāo)深度時所需切削力設(shè)為 F（d ti），力傳感器所測的
3.2 基于 PID 的切削參數(shù)優(yōu)化算法
因?yàn)槌Ｒ?guī)的 PID 控制系數(shù) Kp，Ti，Td 為恒定的，不會根據(jù)切削系統(tǒng)狀態(tài)的改變來進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，一旦機(jī)器人的切削加工狀態(tài)發(fā)生了改變，常規(guī)的 PID 控制模型則無法快速適應(yīng)這種變化，從而導(dǎo)致切削力出現(xiàn)波動，影響椎板切削加工質(zhì)量。為了解決這一問題，以PID 控制模型為基礎(chǔ)，加入模糊規(guī)則來對切削加工狀態(tài)進(jìn)行推理與判別，該方法可以根據(jù)實(shí)際的切削加工狀態(tài)來調(diào)節(jié) PID 控制模型中的參數(shù)，從而使實(shí)際的控制模型可以適應(yīng)切削加工狀態(tài)的改變。
切削加工系統(tǒng)為非線性、時變的系統(tǒng)，其實(shí)際加工情況會隨著切削參數(shù)的變化而發(fā)生改變，因此一般的 PID 控制器很難達(dá)到切削加工過程中力控制的要求。此處采用模糊自適應(yīng) PID 控制策略來控制的切削力，這種策略的優(yōu)點(diǎn)是控制器能夠根據(jù)機(jī)器人切削狀態(tài)的變化來實(shí)時調(diào)節(jié) PID 控制參數(shù) Kp、Ti、Td，從而對切削力進(jìn)行分段控制，其控制結(jié)構(gòu)見圖 2。
圖 2 模 PID 控制系統(tǒng)
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
仿真的目的是觀察模糊 PID 策略對切削力的控制效果。首先要根據(jù)切削動力學(xué)公式 MATLAB 軟件中建立仿真模型，然后進(jìn)行 PID 控制仿真，最后將三種控制方法仿真結(jié)果進(jìn)行對比。仿真參數(shù)中的切削深度設(shè)置為 1 mm，起始進(jìn)給速度設(shè)置為 2 mm/s，根據(jù)前期切削實(shí)驗(yàn)測得的切削力結(jié)果，將目標(biāo)切削力設(shè)為5.6 N，刀具轉(zhuǎn)速設(shè)置為 5000 r/min。
由于 PID 的各控制參數(shù)的變化會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，所以在仿真前需要對 PID 控制器的各控制參數(shù)進(jìn)行整定，確定最佳參數(shù)，本文用的參數(shù)整定方法為臨界比例度法。首先在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，將控制器置于純比例作用下，然后在控制系統(tǒng)中施加一個干擾，從小到大逐漸改變比例系數(shù)直至出現(xiàn)等幅振蕩，如圖 3 所示，此時 Ku = 3，Tu = 13.86。
圖 3 等幅振蕩
各控制方式的仿真結(jié)果如圖 4 所示，觀察可知，模糊 PID 控制策略和 PID 控制策略在切削力峰值的控制方面表現(xiàn)相似，都低于開環(huán)控制時的切削力峰值。切削力從峰值回落后要經(jīng)過振蕩過程，在模糊ID 控制時切削力振幅在 1.9 N 左右，比在 PID 控制時減小了 1 N，比在開環(huán)控制時減小了 4 N。此外，切削力的振蕩周期也得到大幅縮短，實(shí)現(xiàn)了切削沖擊振蕩的快速收斂。
圖 4 切削力控制仿真
5、結(jié)果應(yīng)用
切削動力學(xué)參數(shù)在機(jī)器人建模方面應(yīng)用，從人機(jī)生物系統(tǒng)融合的角度去研究機(jī)器人系統(tǒng)的建模、分析和優(yōu)化考慮得不夠深入，尤其在機(jī)器人切削加工的軌跡精度和動態(tài)穩(wěn)定性方面存在不足，這必然導(dǎo)致機(jī)器人與各種領(lǐng)域結(jié)合得不夠緊密，提升機(jī)器人的控制精度和穩(wěn)定性尤為必要。研究大多側(cè)重于如何進(jìn)行機(jī)器人加工軌跡的規(guī)劃并取得了較多的成果，但對機(jī)器人加工過程中切削變形與振動對切削軌跡精度帶來的影響缺少深入研究，造成機(jī)器人切削軌跡精度和穩(wěn)定性較差，無法充分發(fā)揮出機(jī)器人操作平穩(wěn)、加工精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此研究切削動力學(xué)參數(shù)對金屬切削刀具磨損與壽命非常重要。
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