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切（qiē）削參數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）技術學院作者（zhě）：蔣俊飛

摘要：切削參數是影（yǐng）響切削過程中（zhōng）刀具（jù）磨損和壽命的重要因素，對（duì）其進行合理調整和優化能夠降低刀具磨損和延長刀具（jù）壽命，提高加工效率和產品質量。該文對切削參數對金屬切削刀具磨損與壽命（mìng）的影響分析與優化。首先，建立了切削動力學模型，包括切削速度、進給量和切削深度是常用的（de）切削參數。然（rán）後，對切削參數進行（háng）了影響分析和（hé）優化探究，詳細闡述了切削參數對刀具磨損和壽命（mìng）的影（yǐng）響機理（lǐ），它們的變化會對刀具產生不同程度的磨損。切削速度過高會（huì）使刀具表麵溫度升高，引起（qǐ）刀具磨損加劇；進給量過大則會增加刀具的側向衝擊和摩擦力，導致磨損（sǔn）加劇；切削（xuē）深度過大會增加刀具受力和磨損（sǔn）麵積，進一步加（jiā）速刀具磨損。通過實（shí）驗研究和統計分析，得出了不同切削參數下（xià）刀具（jù）磨損和壽（shòu）命的關係。基於這些關係，本文提出了一種優化算（suàn）法，可以幫助工程師選擇（zé）最（zuì）佳（jiā）切削參數組合，以最大程度地延長刀具壽命並降（jiàng）低磨損。在實際應用中，通（tōng）過合理調整（zhěng）切削參數，可以降低刀具磨損和（hé）延長刀具壽命，提高（gāo）加（jiā）工效率和產品質量。

關鍵詞：切削參數；金屬（shǔ）切（qiē）削刀具；磨損；壽命；影響分析

0、引言

切削加工是（shì）金屬加（jiā）工領域中常用的加工方法（fǎ），切削刀具的磨損和壽命問題一直是製約切削（xuē）加工效果（guǒ）和（hé）生產效率的重要因素。合理的切（qiē）削參數選擇是降低切削刀具磨損和延長刀具（jù）壽命的關鍵。因此，研究（jiū）切削參數（shù）對刀具（jù）磨損與壽命的影響，並通過優化選擇最佳切削參數組合（hé），具有（yǒu）重要的理論和實用價（jià）值（zhí）[1]。在切（qiē）削加工中，切削速度、進給量和切削深度是常用的切削參數。這（zhè）些切削參（cān）數的選擇將直接影響切削過程中（zhōng）刀具的磨損程度和壽命。切削速度過高（gāo）會引起刀具表麵溫度升高，加速刀具（jù）磨損；進給量過大會增加刀具的側向（xiàng）衝擊和摩擦力，導致刀具磨損加劇；切削（xuē）深度（dù）過（guò）大會增加刀具受力和磨損麵積，進（jìn）一步加速刀具磨損（sǔn）[2]。因此，通過合（hé）理調整切削參數，可以降（jiàng）低刀具磨損和延長刀具壽命。

目前，相關研究已經在切削（xuē）參數對刀具磨（mó）損和壽命的影響方麵取得（dé）了一定的研究成（chéng）果。然而，由（yóu）於切削加工過程的複雜性，刀具（jù）磨損和壽命受多種因素（sù）共同影（yǐng）響（xiǎng），因此仍存在一些問題有待解決[3]。將通過對切削參數對金屬（shǔ）切削刀具磨損（sǔn）與壽命的（de）影響進行深（shēn）入分析與優化研究，為加工領域提供重要的理論指（zhǐ）導（dǎo）和技（jì）術支（zhī）持。通過實驗（yàn）研究和統計分析，本文將量化不同切削參數下刀具（jù）磨損和壽命的關係，建立優（yōu）化算法，以幫助工程師（shī）選擇最佳切削參數組合，以最大程度地延長（zhǎng）刀具壽命並降低磨損（sǔn）。

1、切削動（dòng）力學模型

在進行切削加工時（shí），刀（dāo）具的刀刃會同時承受徑向和切向切削力，如圖 1 所示。傳統切削模型認為（wéi），切削力主（zhǔ）要來（lái）自於切削變（biàn）形以及刀具與工件之間的摩擦[4]，其表達式為：

圖 1 刀具的受力分析

目前，大多數研究都是通過（guò）控（kòng）製法向切削力來（lái）改變（biàn）切削振動的情況，進而使切削過程變（biàn）得平穩（wěn）。但（dàn）是，在進行切削加（jiā）工時，切削（xuē）深度（dù）和切削進給速度的改變會導致刀（dāo）具與工件接觸的弧線長度發生變化，從而影響實際參與切削加工的刀刃數量以及（jí）切削力的大小。

因此，表達式（3）就不能直接應用（yòng）於實際加工過程中的切削力分析。切削力會受到（dào）多種因素（sù）的影響，如切削深度、切（qiē）削進給速度、刀具轉速等，目前常用的求取切削（xuē）力的經驗公式為：

2、切削（xuē）參數對（duì）刀具磨損與壽命的影響機理

切（qiē）削速度（dù）、進給量和切削深度是常用的切削參數（shù），它們的變化會對刀（dāo）具產生不（bú）同程度的磨損。切削速度過高會使刀具表麵溫度升高，引（yǐn）起刀具磨損加劇；進給量（liàng）過大則（zé）會增加刀具的側向衝擊和摩擦力，導致磨損加劇；切削深度過大會增（zēng）加刀具受力和磨損麵積，進一步加速刀具磨損。因此，合理調（diào）整切削參數對刀具磨損和壽命具有重要意義[5]。

切削（xuē）力是衡量切削加（jiā）工性的重要指標，對切削（xuē）加工變形（xíng）、加工表麵質量等均具有不同程度的影響，切削力的研究（jiū）分析對於良好切削工藝的製定有重要的意（yì）義，國內外（wài）學（xué）者對切削力的（de）研究產生（shēng）了濃厚興趣。切削參數及潤滑方式均為影響切削力的重要因素。對鋁合金進行了幹切削加工，經方差分析可知，切削參數（shù）對切削力的影響主次順序（xù）為：進給量>切削深度>切削速度，並（bìng）且建（jiàn）立了切削力（lì）線性回（huí）歸模（mó）型，取得較好的預測效果。張平等人探究了極端環境下切削（xuē）參數對鋁合金切削力的影響，並且建立了三向切削（xuē）力預測模型（xíng），切削參數對切削力的（de）影響。仲為武探究了潤滑方式對鋁（lǚ）合金銑削力的影響（xiǎng），通過單因素實驗方案對幹切削、濕式（shì）切削和空氣噴（pēn）射輔助微量潤滑切削所產生的切削力進行對比，發現切（qiē）削力大小順序依次為：幹切削（xuē）>濕式潤（rùn）滑，並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（jiā）學者利用（yòng）不（bú）同的（de）方法（fǎ）來模（mó）擬與（yǔ）預測鋁合金加工過程產生的切削力。Mali 通過 Deform 軟件模擬了鋁（lǚ）合金的切削力，對（duì）比實驗切削力發現，主切削力和進給力的相對誤差分別（bié）為 16.40%和 13.79%，模擬效果較好。

3、麵向（xiàng）金屬刀具磨損與（yǔ）壽命的切削參（cān）數優化算法

3.1 PID 切削力控製器的設（shè）計

PID 控製是一（yī）種（zhǒng）將比例環節（P）、積分環節（I）與微分環節（D）結合（hé）為一體的自動控製算法，原理（lǐ）簡（jiǎn）單（dān）、易於實現、適用麵廣、調整方便，故得到廣泛應用，其工作（zuò）原理是根（gēn）據輸入的誤（wù）差值，依照比（bǐ）例項、積分項和微分項來進行運算，然後利用運算結果來控製輸出，廣泛應用於工業自動化、機（jī）器人控製、汽車控製、飛行器控製等領域[6]。

如果目標切削深度、有效切削麵積與刀具（jù）轉（zhuǎn）速保持不變，切削加工精度（dù）的主要影響因素是（shì）切（qiē）削力以及切削進給速度。為了方便後（hòu）續研究，將機器人切削到目標深度時（shí）所需切（qiē）削力設為 F（d ti），力傳感器所測的

3.2 基於 PID 的切削參數優化算法

因為常規的 PID 控製係數 Kp，Ti，Td 為恒定的，不會根據切削係統狀態的（de）改變（biàn）來進行實時調整，一旦機器人的切削加工狀態發生了改變，常規的 PID 控製模型則無（wú）法快速適應這種變（biàn）化（huà），從而導致切削力出現波動，影響（xiǎng）椎板切削加工質量。為了解決（jué）這（zhè）一問題，以PID 控製模型（xíng）為基礎，加入（rù）模糊（hú）規則來對切削加工狀態進行推理與判別，該方法可以根據實際的切削（xuē）加工狀態（tài）來調節（jiē） PID 控製模型中的參數，從而使實際的控製（zhì）模型可以適應切削加工狀態的改變。

切削加（jiā）工係（xì）統（tǒng）為非線性、時變的係統，其（qí）實際（jì）加工情況會隨著切削參數的變化而發生改變，因此（cǐ）一般的 PID 控製器很難達到切削加工過程中力控製（zhì）的要求。此處采用模糊自適應 PID 控製策略（luè）來控製的切削（xuē）力，這種策略的優點是控製器能夠根據機器人切削狀態的變化來實時調節 PID 控製參數 Kp、Ti、Td，從而對切削力進行分段控製，其控製（zhì）結構見圖 2。

圖 2 模 PID 控製係統

4、實（shí）驗結（jié）果與分析

仿真的目的是觀察模糊 PID 策略（luè）對切削力的控製效果。首先要根據切削動力（lì）學公式 MATLAB 軟件中建立仿真模型，然後進行 PID 控製仿真，最後將三（sān）種控（kòng）製方法仿真結果進行對（duì）比。仿真參數中的切削深（shēn）度設置為 1 mm，起始進給速（sù）度設置為 2 mm/s，根據前期切削實驗測得的切削力結果，將目標切削力設為5.6 N，刀具轉速設置為 5000 r/min。

由於 PID 的各控製參數的變化會（huì）對控製係（xì）統產生巨大影響，所以在仿（fǎng）真（zhēn）前需要對 PID 控製器的各控製參數進行整定，確定最佳參數（shù），本文用的參數整定方法（fǎ）為臨界比例度法。首先在閉環的控製係統中（zhōng），將控製器置於純比例作用下，然後在控製係統中（zhōng）施加一個幹（gàn）擾，從小到大逐漸改變比（bǐ）例係數直至出現等幅振蕩，如圖 3 所示，此時 Ku = 3，Tu = 13.86。

圖 3 等幅振蕩

各控製方式的仿真結果如圖（tú） 4 所示（shì），觀察可知，模糊 PID 控製策略和 PID 控製策略在切削力峰值的控製方麵表現相似，都（dōu）低於開環控製時的切削力（lì）峰值。切削力從峰值回落後要經過振蕩過程，在模糊ID 控製時切（qiē）削力振幅在 1.9 N 左（zuǒ）右，比在 PID 控製時減小了 1 N，比在開環控製時減小了 4 N。此外，切削力的振蕩周期也得到大幅縮短，實現了切削衝擊振蕩的快速收斂。

圖 4 切削力控製仿真

5、結果應用

切削動力學參數在機（jī）器人（rén）建模（mó）方麵應用，從人機生物（wù）係統融合的（de）角度去（qù）研究機器人係統的建模、分析和優化考慮得（dé）不夠深入，尤其在機器人切削加（jiā）工的軌跡精度和（hé）動態穩定性方麵（miàn）存在不（bú）足，這必然導致機器（qì）人與各種領域結合得不夠緊密，提升機器人（rén）的控製精度和穩定性尤為必要。研究大多側重於如何進行機器人加工軌跡的規劃並取得了較多的（de）成（chéng）果，但對機器人加工過（guò）程中切削變形與振動對切削軌跡精度帶（dài）來的影響缺少深入研究，造成機器人切削軌跡精度和穩定性（xìng）較差，無法充（chōng）分發揮出機器人操作平穩、加工（gōng）精度高的優點（diǎn），因此研究切削動（dòng）力學參數對金屬（shǔ）切削刀具磨損與壽命非常（cháng）重要。

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