钛合金加工刀具寿命预测技术分析与研究

张战英 徐广胜 王一龙 宋振继

（1.陕西工业职业技术学院 材料工程学院，咸阳 712000；2.秦川机床工具集团股份公司，宝鸡 721009）

在实际生产与建设中，为避免由于加工刀具出现失效而产生加工故障，需要在刀具寿命到限前更换刀具，导致刀具浪费而增加成本。基于这一问题，在当前加工领域对钛合金加工刀具寿命的研究尤为重要。准确预测刀具使用寿命，减少刀具更换次数，降低刀具成本投入，控制加工故障发生率，是众多企业需要高度重视的问题。

1 钛合金加工刀具使用寿命相关影响因素

1.1 切削实验

刀具材料试验选用3种不同类型的硬质合金刀片和PCD复合片作为试验刀具材料，以保证实验结果的真实性、准确性以及全面性。

工件材料试验过程采用的工件材料为Ti-6Al-4V钛合金。

整个试验操作过程需在CA6140型车床上进行，选择干式外圆切削方式。正式切削操作需每隔一段时间使用JLC820052型工具显微镜测量刀具表面的磨损情况，并记录测量数据。选定磨钝标准平均磨损量VB为0.3mm。当刀具磨损度达到相应的标准后，利用扫描电镜和能谱分析仪观测和分析3种刀具的磨损状态和局部化学成分。

1.2 实验结果分析

在实验过程中，通过分析相关实验数据发现，切削速度越快，3种刀具寿命越低。出现这种现象的原因是切削速度加快导致切削温度升高，而钛合金的导热系数仅为铁的1/5、铝的1/4，导热性能较差，导致刀片的切削区温度相较于周边更高，一定程度上加快了刀具磨损速度。另外，在不同切削速度下，PCD刀具相较于其他两种硬质合金刀具虽然也受到一定程度的磨损，但是整体的使用寿命更长，尤其在高速（≥75m/min）切削下，PCD刀具使用寿命是其他两种硬质合金刀具的4～5倍，显示出优良的特性。通过分析实验数据发现，两种硬质合金刀具在切削速度不断增加的情况下，使用寿命逐渐降低。当切削速度为75m/min时，刀具寿命维持在7～9min；当切削速度为90m/min时，刀具寿命仅剩4min左右。这一实验数据足以表明，这两种硬质合金刀具在加工钛合金的过程中需将切削速度控制在75m/min 之内，否则将严重缩短刀具的使用寿命。究其原因，主要在于钛合金具有较强的化学活性，刀具表面的切削温度会随切削速度的提高而增加，且磨损和黏结等问题加重了刀具的磨损程度，最终缩短其使用寿命[1]。

1.3 实验结论

在机械加工过程中，钛合金加工刀具使用寿命会受到加工方式、加工材料、人为因素和加工环境等多方面的影响。其中，切削速度、加工进给和切深切宽等因素影响较大。在实际研究过程中，必须要综合考虑多方面内容，针对实际需要和具体情况，选择最科学合理的操作方法，才能有效减轻刀具的磨损程度，延长刀具使用寿命。

2 钛合金加工刀具寿命研究技术

2.1 泰勒经验公式寿命预测技术

泰勒经验公式最初由美国工程师提出，是最早用来估算刀具寿命的公式。初期的泰勒公式为：

式中，Vc为切削速度；T为刀具寿命；n和C是根据实验或已发表的技术资料确定的常数，表示刀具材料、工件和进给率的特性。

随着社会的不断发展，科技水平的提高，早期的泰勒公式逐渐表现出一些不足。经过人们的逐渐完善与改进，现在的泰勒经验公式为：

式中，f为进给率；d为切削深度；a和b为根据实验数据求出的常数。经过改进后的泰勒经验公式，添加了刀具加工过程中几个常见的参数，使其更具精准性和完善性，可以准确估算出刀具的使用寿命，且在目前刀具使用寿命的估算过程中得到了广泛应用。

2.2 可靠度分析寿命预测技术

在过去的几十年中，相关领域学者对刀具寿命和刀面磨损的变化规律进行了大量的研究和探讨。经过多次切削实验，钛合金加工刀具寿命预测技术之间存在着密切的联系。预测值的准确性直接影响刀具的利用效率和投入成本。基于多次切削实验，研究人员提出正态分布法来表达钛合金刀具使用寿命的分布规律，在后续的研究和实验中也得到了有力证实。此外，国内外相关学者在实验过程中发现，一些刀具具有较长的寿命值，其寿命值分布规律存在不对称性。针对刀具寿命评估问题展开深入研究和讨论，研究人员认为刀具可靠度研究应该立足于刀面磨损分析[2]。刀面磨损带宽度存在一定的分布规律，可以通过分析计算失效概率来评估刀具的可靠度。

2.3 分析对比两种寿命研究技术

2.3.1 优缺点分析比较

泰勒经验公式预测技术具有一定的直接性，可以直接预测刀具寿命，是钛合金加工刀具寿命预测领域的一个重要里程碑，在实际加工与生产中得到了广泛应用。在实际刀具加工过程中应用泰勒经验公式，可以匹配和优化加工参数。另外，泰勒经验公式存在弊端，应用前提是需要假设刀具寿命为一个定值，因此将其应用到加工处理过程只能得到一个唯一不变的刀具寿命值。刀具加工环境十分复杂，会受到多种外界因素的影响，因此任何刀具的使用寿命都存在一定的波动性，但泰勒经验公式的刀具寿命为 定值。

相较于泰勒经验公式，基于可靠度分析的刀具寿命研究技术更具全面性和客观性，且充分考虑到刀具在加工过程的不稳定性，强调刀具寿命预测值的真实性与准确性。通过分析刀具寿命的可靠度，可以在不同时间段预测刀具的失效概率，从而选择合适的时间更换刀片，减少了刀具的浪费，有效降低了刀具投入成本[3]。

2.3.2 数学算法分析比较

相较于泰勒经验公式中的指数逼近算法，基于可靠度分析寿命研究技术中的多元多项式逼近算法精准度更高，可以有效提高刀具寿命预测值的精准性与可靠性。

3 结语

钛合金材料加工难度大，对提高钛合金材料加工效率和保证刀具使用寿命的研究十分重要。利用实验分析方法探讨影响钛合金加工刀具寿命的相关因素，结合实际情况分别介绍泰勒经验公式和基于可靠度分析的刀具寿命研究两种技术。前者虽然较常见，但是缺乏对加工过程的不稳定性考量，需要更加全面精准地预测刀具寿命，因此可以选择基于可靠度分析的刀具寿命研究技术。