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切削參數(shù)對(duì)金屬切削刀具磨損與壽命的影響

2024-7-25 來(lái)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(guò)程中刀具磨損和壽命的重要因素，對(duì)其進(jìn)行合理調(diào)整和優(yōu)化能夠降低刀具磨損和延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。該文對(duì)切削參數(shù)對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)刀具磨損和壽命的影響機(jī)理，它們的變化會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生不同程度的磨損。切削速度過(guò)高會(huì)使刀具表面溫度升高，引起刀具磨損加劇；進(jìn)給量過(guò)大則會(huì)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(guò)大會(huì)增加刀具受力和磨損面積，進(jìn)一步加速刀具磨損。通過(guò)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?；谶@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(zhǎng)刀具壽命并降低磨損。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)合理調(diào)整切削參數(shù)，可以降低刀具磨損和延長(zhǎng)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(wèn)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(zhǎng)刀具壽命的關(guān)鍵。因此，研究切削參數(shù)對(duì)刀具磨損與壽命的影響，并通過(guò)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(jià)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(guò)程中刀具的磨損程度和壽命。切削速度過(guò)高會(huì)引起刀具表面溫度升高，加速刀具磨損；進(jìn)給量過(guò)大會(huì)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(guò)大會(huì)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(guò)合理調(diào)整切削參數(shù)，可以降低刀具磨損和延長(zhǎng)刀具壽命。

目前，相關(guān)研究已經(jīng)在切削參數(shù)對(duì)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(guò)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(wèn)題有待解決[3]。將通過(guò)對(duì)切削參數(shù)對(duì)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(guò)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(zhǎng)刀具壽命并降低磨損。

1、切削動(dòng)力學(xué)模型

在進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具的刀刃會(huì)同時(shí)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(lái)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(guò)控制法向切削力來(lái)改變切削振動(dòng)的情況，進(jìn)而使切削過(guò)程變得平穩(wěn)。但是，在進(jìn)行切削加工時(shí)，切削深度和切削進(jìn)給速度的改變會(huì)導(dǎo)致刀具與工件接觸的弧線長(zhǎng)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(guò)程中的切削力分析。切削力會(huì)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(duì)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(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生不同程度的磨損。切削速度過(guò)高會(huì)使刀具表面溫度升高，引起刀具磨損加劇；進(jìn)給量過(guò)大則會(huì)增加刀具的側(cè)向沖擊和摩擦力，導(dǎo)致磨損加?。磺邢魃疃冗^(guò)大會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)于良好切削工藝的制定有重要的意義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)切削力的研究產(chǎn)生了濃厚興趣。切削參數(shù)及潤(rùn)滑方式均為影響切削力的重要因素。對(duì)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(duì)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(cè)效果。張平等人探究了極端環(huán)境下切削參數(shù)對(duì)鋁合金切削力的影響，并且建立了三向切削力預(yù)測(cè)模型，切削參數(shù)對(duì)切削力的影響。仲為武探究了潤(rùn)滑方式對(duì)鋁合金銑削力的影響，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)方案對(duì)干切削、濕式切削和空氣噴射輔助微量潤(rùn)滑切削所產(chǎn)生的切削力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)切削力大小順序依次為：干切削>濕式潤(rùn)滑，并且金屬切削條件下的切削液用量僅為濕式潤(rùn)滑條件下的 3%。一些專家學(xué)者利用不同的方法來(lái)模擬與預(yù)測(cè)鋁合金加工過(guò)程產(chǎn)生的切削力。Mali 通過(guò) Deform 軟件模擬了鋁合金的切削力，對(duì)比實(shí)驗(yàn)切削力發(fā)現(xiàn)，主切削力和進(jìn)給力的相對(duì)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(dòng)控制算法，原理簡(jiǎn)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(lái)進(jìn)行運(yùn)算，然后利用運(yùn)算結(jié)果來(lái)控制輸出，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)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(shí)所需切削力設(shè)為 F（d ti），力傳感器所測(cè)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(huì)根據(jù)切削系統(tǒng)狀態(tài)的改變來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wú)法快速適應(yīng)這種變化，從而導(dǎo)致切削力出現(xiàn)波動(dòng)，影響椎板切削加工質(zhì)量。為了解決這一問(wèn)題，以PID 控制模型為基礎(chǔ)，加入模糊規(guī)則來(lái)對(duì)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(lái)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(shí)變的系統(tǒng)，其實(shí)際加工情況會(huì)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(guò)程中力控制的要求。此處采用模糊自適應(yīng) PID 控制策略來(lái)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(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié) PID 控制參數(shù) Kp、Ti、Td，從而對(duì)切削力進(jìn)行分段控制，其控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(duì)切削力的控制效果。首先要根據(jù)切削動(dòng)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(duì)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(cè)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(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，所以在仿真前需要對(duì) 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(gè)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(shí) 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(kāi)環(huán)控制時(shí)的切削力峰值。切削力從峰值回落后要經(jīng)過(guò)振蕩過(guò)程，在模糊ID 控制時(shí)切削力振幅在 1.9 N 左右，比在 PID 控制時(shí)減小了 1 N，比在開(kāi)環(huán)控制時(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)機(jī)器人加工過(guò)程中切削變形與振動(dòng)對(duì)切削軌跡精度帶來(lái)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(wú)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(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)金屬切削刀具磨損與壽命非常重要。

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