專利名稱：一種切削刀具材料快速選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于刀具材料選擇的評價準(zhǔn)則，尤其涉及一種切削刀具材料快速選擇方法，屬于金屬切削技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在金屬切削過程中，刀具承擔(dān)切削工作，其切削性能的好壞對于金屬切削有密切關(guān)系，選擇合適的刀具材料能有效的降低加工成本、提高加工質(zhì)量及效率。目前世界各大切削刀具生產(chǎn)廠商都非常重視刀具材料的研發(fā)，這就使得刀具材料的更新很快。對于給定的工件材料、切削條件，往往可選的刀具材料很多，有時達(dá)幾十種甚至上百種。各刀具廠商都有自己的特點(diǎn)，不經(jīng)過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難評定哪種刀具材料是最適用的。
刀具耐用度是優(yōu)選刀具材料的重要依據(jù)之一，尤其是對于難加工材料(如高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料等)，刀具磨損過快是切削加工中面臨的首要難題?，F(xiàn)有的刀具材料選擇方法主要是根據(jù)具體工藝條件進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，選擇合適的刀具材料。但傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)非常耗時、耗力，且成本非常高的工作，針對三、四種刀具進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損實(shí)驗(yàn)可能消耗數(shù)百至上千公斤的工件材料和數(shù)周至數(shù)月的時間。考慮到一些新型的高溫合金、鈦合金等難加工材料的價格可能高達(dá)每公斤幾百至上千元，對數(shù)十種甚至上百種刀具通過標(biāo)準(zhǔn)的磨損實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最佳刀具的篩選是不現(xiàn)實(shí)的。
為了降低刀具磨損實(shí)驗(yàn)的成本，許多學(xué)者做了刀具快速磨損實(shí)驗(yàn)方面的研究，但這些快速磨損實(shí)驗(yàn)方法(如端面車削法、階梯車削法等)的合理性、可靠性、適用范圍仍有待進(jìn)一步的研究，且這些方法成本仍然較高，仍不適于對大量刀具進(jìn)行篩選。企業(yè)由于沒有專門針對大量刀具材料的優(yōu)選技術(shù)和評價方法，加工刀具的選擇一般只能靠個別刀具供應(yīng)商的推薦再加上企業(yè)自己在實(shí)際加工中慢慢摸索。難加工材料較為集中的某航空發(fā)動機(jī)廠中，試制一個零件的刀具費(fèi)用可達(dá)幾十萬元，企業(yè)每年的刀具費(fèi)用可達(dá)數(shù)千萬至上億元。如果能在大范圍內(nèi)挑選出最佳的刀具，將可能顯著降低企業(yè)的刀具費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的在于提供一種切削刀具材料快速選擇方法，該方法運(yùn)用刀具磨損的統(tǒng)計(jì)分析研究成果，能夠在刀具材料選擇時避免標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損實(shí)驗(yàn)，從而快速、有效的選出一種或幾種優(yōu)化的刀具材料。
2、技術(shù)方案本發(fā)明一種切削刀具材料快速選擇方法，該方法具體步驟如下 步驟一遍選市場上現(xiàn)有的適合于加工某種工件材料的數(shù)十種甚至上百種刀具材料； 根據(jù)某一切削工況通過查找刀具樣本、咨詢刀具廠商技術(shù)人員等渠道選出各廠商所推薦的刀具材料。刀具應(yīng)針對同一類型的材料(如同為硬質(zhì)合金刀具或同為高速鋼刀具)進(jìn)行選擇，此外所選刀具的制造精度也應(yīng)盡量保持一致(如同為M級)。
步驟二安排以刀具材料為對比因素的單因素刀具磨損實(shí)驗(yàn)； 針對步驟一所選刀具材料，設(shè)計(jì)以刀具材料為對比因素的單因素刀具磨損實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件要與實(shí)際切削工況相同，其中切削用量、刀具主偏角、刀尖圓弧半徑、切削液、切削方式等切削條件應(yīng)盡量保持一致，刀具前角、后角、刃傾角、刀刃鈍圓半徑可依各廠商所提供刀片型號略有不同。切削參數(shù)可結(jié)合刀具樣本、實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、切削數(shù)據(jù)庫及相關(guān)文獻(xiàn)資料制定。實(shí)驗(yàn)所需機(jī)床可選擇數(shù)控機(jī)床也可選擇經(jīng)改造(實(shí)現(xiàn)無級變速)的普通機(jī)床。
刀具磨損主要有前刀面月牙洼磨損、后刀面磨損及邊界磨損等形態(tài)?？蛇x擇前刀面月牙洼磨損深度KT、前刀面月牙洼磨損寬度KB、后刀面刀尖部位磨損最大值VC、后刀面中間部位磨損最大值VBmax、后刀面中間部位磨損平均值VB、后刀面靠近工件外皮部位磨損最大值VN等來考察刀具的磨損程度，也可選擇刀具徑向磨損NB作為測量對象。一般刀具的后刀面都發(fā)生磨損，且VB便于測量，建議優(yōu)先考慮VB，刀具后刀面磨損的測量可通過讀數(shù)顯微鏡測量。
步驟三每組磨損實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行初期磨損實(shí)驗(yàn)； 刀具初期磨損實(shí)驗(yàn)的切削時間可針對具體工件材料根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)制定，如加工高溫合金時刀具磨損嚴(yán)重，可選切削時間為半分鐘，加工鈦合金時可選切削時間為2分鐘。
初期磨損實(shí)驗(yàn)的切削時間也可通過一種已公知的技術(shù)方案——試切法獲得。附圖1表示刀具磨損過程的典型磨損曲線。圖中橫坐標(biāo)為切削時間，縱坐標(biāo)為VB值。從附圖1可知，刀具磨損過程可以分為三個階段初期磨損、正常磨損及急劇磨損階段。刀具經(jīng)初期磨損進(jìn)入正常磨損階段時，刀具磨損曲線通常都有明顯的拐點(diǎn)。針對這一特點(diǎn)，先對某種刀具材料進(jìn)行初期磨損實(shí)驗(yàn)，每隔一段時間(如20秒)停止切削，測量刀具磨損值并記錄在切削時間---刀具磨損值坐標(biāo)系中，連接坐標(biāo)系中各點(diǎn)，畫出刀具磨損曲線，重復(fù)上述步驟直到刀具磨損曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)為止，此時的切削時間即為刀具初期磨損時間，該時間可作為其余刀具材料的初期磨損時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)過程可按下列步驟執(zhí)行 1)準(zhǔn)備試件； 2)對每個刀片及其轉(zhuǎn)位設(shè)定編號1、2、3、…，并做好標(biāo)記，以便區(qū)分及后續(xù)處理研究工作； 3)裝夾刀具； 4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇一組實(shí)驗(yàn)，以該組實(shí)驗(yàn)所制定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)； 5)每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到前述初期磨損時間即停止切削，并測量刀具磨損值； 6)填寫刀具磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集表； 進(jìn)行刀具磨損實(shí)驗(yàn)時，需要對刀具的磨損過程進(jìn)行及時的采集、記錄，填寫內(nèi)容及格式參見附后的表1； 7)進(jìn)入下一組實(shí)驗(yàn)，重復(fù)上述過程，直到完成全部實(shí)驗(yàn)。
注意事項(xiàng) 1)測量前，要把刀片上粘附的切屑、切削液等雜物清理干凈； 2)要記清測量值與刀片號及其轉(zhuǎn)位號的對應(yīng)關(guān)系； 3)將刀片的每次測量位置固定，可有效提高測量效率。
本發(fā)明所述方法的技術(shù)特征是在上述三個步驟的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行下列步驟 步驟四計(jì)算、比較各刀具初期磨損速度值； 初期磨損速度指刀具初期磨損值與其切削時間之比，參照附圖1，T0為初期磨損時間，VB0為T0對應(yīng)的后刀面平均磨損值，T為刀具耐用度，VBT為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具初期磨損速度值K0可由式(1)計(jì)算得到 計(jì)算得到各組實(shí)驗(yàn)的K0值，并進(jìn)行比較。
步驟五根據(jù)一種評價準(zhǔn)則，快速優(yōu)選出合適的刀具材料。
評價準(zhǔn)則作用機(jī)理主要來源于刀具磨損的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果。通過對大量(873條)磨損曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到刀具磨損過程中初期磨損與正常磨損之間有如下統(tǒng)計(jì)規(guī)律 1)小樣本空間內(nèi)，刀具滿足初期磨損快，正常磨損也快這一定性關(guān)系的概率很大，且它的適用范圍很廣。
2)刀具耐用度主要取決于其正常磨損速度K1，參照附圖1，刀具正常磨損速度值K1可由式(2)計(jì)算得到 3)隨機(jī)變量K0(刀具初期磨損速度)服從對數(shù)正態(tài)分布(K0～LN(-3.46，1.46))，K(見式3，刀具初期磨損速度與正常磨損速度之比)服從Gamma分布(K～Γ(4.48，0.88))；相對于K0來講，隨機(jī)變量K的波動要小的多。附圖2、3表示隨機(jī)變量K0、K的樣本直方圖及對數(shù)正態(tài)、Gamma分布擬合圖，附后的表2表示隨機(jī)變量K0、K的概率密度函數(shù)及其數(shù)字特征。
設(shè)KA和KB分別代表兩種刀具材料對應(yīng)的K值，則根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)論3)有 KA～Γ(4.48，0.88)， KB～Γ(4.48，0.88)， 又兩種刀具材料相互獨(dú)立，因此可認(rèn)為KA和KB為兩個獨(dú)立的隨機(jī)變量，則其商的密度函數(shù)為 式中α＝4.48。
根據(jù)式(4)可以得到，隨機(jī)變量KA/KB取值為(0.3，3.3)的概率為0.91。不難推斷如果刀具材料A的初期磨損速度是刀具材料B的3.3倍，則在91％的置信度下，刀具材料A的正常磨損速度大于刀具材料B的正常磨損速度。上述結(jié)論來源于切削條件不統(tǒng)一的樣本空間，如果進(jìn)一步統(tǒng)一切削條件(如切削環(huán)境、實(shí)驗(yàn)機(jī)床、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)人員、切削用量等)，則K值的分布將更加集中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，切削條件比較一致時，通常KA/KB取值為(0.5，2)。這樣當(dāng)?shù)毒逜的初期磨損速度為刀具B的2～3.3倍時，即認(rèn)為刀具A的正常磨損速度快，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)論2)可認(rèn)為刀具A耐用度較低，即耐磨性差，據(jù)此可淘汰刀具A，依此類推即可快速優(yōu)選出一種或幾種合適的刀具材料，實(shí)現(xiàn)刀具材料的選擇。
比較刀具初期磨損速度時，比較倍數(shù)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇，總的原則是切削條件越一致，比較倍數(shù)應(yīng)越小。步驟二中已指出本發(fā)明所提供的方法應(yīng)盡量保持切削條件一致，因此建議優(yōu)先選用比較倍數(shù)為2。按照本發(fā)明所提選擇方法優(yōu)化的刀具材料可能不止一種而是有幾種，優(yōu)化的刀具材料數(shù)量較少，屬于小樣本空間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)論1)建議優(yōu)先選用初期磨損速度最小的刀具材料。
3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種切削刀具材料快速選擇方法，其優(yōu)點(diǎn)在于只需通過短時間的刀具初期磨損實(shí)驗(yàn)便可優(yōu)選出合適的刀具材料，避免了傳統(tǒng)切削實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)時、耗力的缺點(diǎn)，使快速優(yōu)選刀具材料成為可能。


圖1是刀具磨損過程示意圖； 圖2是隨機(jī)變量K0的樣本直方圖及對數(shù)正態(tài)分布擬合； 圖3是隨機(jī)變量K的樣本直方圖及Gamma分布擬合圖； 圖4是本發(fā)明流程框圖 圖中符號說明如下 T0為初期磨損時間；T為刀具耐用度；VB0為T0對應(yīng)的后刀面平均磨損值；VBT為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；K0為刀具初期磨損速度值；K為刀具初期磨損速度與正常磨損速度之比。
具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
1、實(shí)施目的選出適合于加工鈦合金的刀具材料。
2、實(shí)施條件實(shí)驗(yàn)機(jī)床為CA6140車床，經(jīng)改造加裝變頻器后可實(shí)現(xiàn)無級變速，變頻器選用日本安川的Varispeed F7系列，400V級變頻器，基本型號為CIMR-F7B4011；磨損測量裝置為光學(xué)讀數(shù)顯微鏡(Nikon MM-40)。
3、實(shí)施步驟本發(fā)明一種切削刀具材料快速選擇方法，該方法具體步驟如下 步驟一遍選出市場上適合于加工鈦合金的刀具材料； 參照附后的表3，表示通過查找刀具樣本、咨詢刀具廠商技術(shù)人員選出各廠商所推薦的22種適合加工鈦合金的刀具材料。被加工件鈦合金牌號為TC4，熱處理方式為固溶時效固溶，910℃～940℃，1.5～2小時，水淬冷；時效，520℃～550℃，2～4小時，空冷。表中刀片排屑槽型號統(tǒng)一用xx表示；大寫英文字母A、B、C…表示刀具廠商，阿拉伯?dāng)?shù)字1、2、3…表示某廠推薦的某種適合加工鈦合金的刀具材料，如A1表示A廠推薦的第一種刀具材料，G3表示G廠提供的第三種刀具材料。表中所選刀具材料均屬硬質(zhì)合金刀具，刀片精度同為M級。
步驟二安排以刀具材料為對比因素的單因素刀具磨損實(shí)驗(yàn)； 針對表3中刀具材料設(shè)計(jì)以刀具材料為對比因素的單因素刀具磨損實(shí)驗(yàn)。選擇刀具后刀面中間部位磨損平均值VB作為測量對象。附后的表4表示實(shí)驗(yàn)切削條件，表中刀刃鈍圓半徑、刀尖圓弧半徑由所選刀片確定，刀具前角、后角、刃傾角由所選刀片及刀桿確定。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料鈦合金車削時刀具主偏角為45°～90°，切削速度40m/min～80m/min，進(jìn)給量0.08mm/r～0.3mm/r，切削深度0.5mm～3mm，擬定實(shí)驗(yàn)條件主偏角為75°，切削速度為68m/min，進(jìn)給量0.1mm/r，切削深度1.3mm。切削深度、進(jìn)給量相對較小是為了節(jié)省材料，降低成本，同時為便于測量VB，切削深度應(yīng)大于刀尖圓弧半徑。
步驟三每組磨損實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行初期磨損實(shí)驗(yàn)； 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，每組磨損實(shí)驗(yàn)只安排切削2分鐘即停止，測量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(見附后的表5)。
本發(fā)明的技術(shù)特征是在上述三個步驟的基礎(chǔ)上，還要往下進(jìn)行下列步驟 步驟四計(jì)算、比較各刀具初期磨損速度值； 根據(jù)式計(jì)算各刀具初期磨損速度值，計(jì)算結(jié)果如表5所示；對各刀具初期磨損速度值進(jìn)行比較，由于切削條件較一致，選比較倍數(shù)為2。
步驟五根據(jù)本發(fā)明提供的評價準(zhǔn)則，快速優(yōu)選出合適的刀具材料。
參照附后的表5，刀具材料H1的初期磨損速度最小，為0.0105mm/min，根據(jù)本發(fā)明提供的評價準(zhǔn)則，即可快速優(yōu)選出B2、C1、D1、G2、H1、L1、L2等7種合適的刀具材料，實(shí)現(xiàn)刀具材料的選擇。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)論2)可優(yōu)先選用初期磨損速度最小的刀具材料H1。實(shí)驗(yàn)表明刀具材料H1在切削了(切削參數(shù)切削速度v＝83m/min，進(jìn)給量f＝0.1mm/r，切削深度ap＝1.3mm)70分鐘后的VB值為0.17mm，其切削性能遠(yuǎn)好于企業(yè)實(shí)際加工情況。
圖1是刀具磨損過程示意圖，圖2是隨機(jī)變量K0的樣本直方圖及對數(shù)正態(tài)分布擬合，圖3是隨機(jī)變量K的樣本直方圖及Gamma分布擬合圖，圖4是本發(fā)明所述方法的流程框圖。
發(fā)明人針對TC4鈦合金進(jìn)行了車削實(shí)驗(yàn)，遍選了國內(nèi)的22種刀具，選出了最佳的刀具，實(shí)驗(yàn)耗時2小時，消耗鈦合金材料0.9公斤，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比大大節(jié)省了時間和費(fèi)用。
上述內(nèi)容中所述的表1、表2、表3、表4、表5，詳列如下 表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄樣板
表2隨機(jī)變量K0、K的概率密度函數(shù)及其數(shù)字特征
表3實(shí)施例所選刀具信息
表4實(shí)施例切削條件
注表3中實(shí)驗(yàn)序號1-3所用刀具刀尖圓弧半徑為0.4mm。
表5實(shí)施例實(shí)驗(yàn)、計(jì)算結(jié)果

權(quán)利要求
1、一種切削刀具材料快速選擇方法，該方法具體步驟是
步驟一遍選出市場上現(xiàn)有的適合于加工預(yù)定要求加工的工件材料之多種刀具材料；步驟二針對步驟一所選刀具材料，安排以刀具材料為對比因素的單因素刀具磨損實(shí)驗(yàn)；步驟三每組磨損實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行初期磨損實(shí)驗(yàn)；其特征在于該方法在上述三個步驟基礎(chǔ)上再進(jìn)行下列步驟
步驟四計(jì)算、比較各刀具初期磨損速度值；
初期磨損速度指刀具初期磨損值與其切削時間之比，T0為初期磨損時間，VB0為T0對應(yīng)的后刀面平均磨損值，刀具初期磨損速度值K0可由式(1)計(jì)算得到
步驟五根據(jù)一種評價準(zhǔn)則，快速優(yōu)選出合適的刀具材料
評價準(zhǔn)則作用機(jī)理來源于刀具磨損的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果；通過對873條磨損曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到刀具磨損過程中初期磨損與正常磨損之間有如下統(tǒng)計(jì)規(guī)律
1)小樣本空間內(nèi)，刀具滿足初期磨損快，正常磨損也快這一定性關(guān)系的概率很大，且它的適用范圍很廣；
2)刀具耐用度取決于其正常磨損速度；
3)隨機(jī)變量K0即刀具初期磨損速度服從對數(shù)正態(tài)分布K0～LN(-3.46，1.46)，K即刀具初期磨損速度與正常磨損速度之比，服從Gamma分布K～Γ(4.48，0.88)；相對于K0來講，隨機(jī)變量K的波動要小的多；
統(tǒng)計(jì)結(jié)論3)中，隨機(jī)變量K0為刀具初期磨損速度，由式(1)計(jì)算得到、刀具正常磨損度K1可由式(2)計(jì)算得到，隨機(jī)變量K為刀具初期磨損與正常磨損速度之比，可通過式(3)計(jì)算得到；
式中T0為初期磨損時間，VB0為T0對應(yīng)的后刀面平均磨損值，T為刀具耐用度，VBT為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，K0為刀具初期磨損速度值，K1為刀具正常磨損度值，K為刀具初期磨損速度與正常磨損速度之比。
設(shè)KA和KB分別代表兩種刀具材料對應(yīng)的K值，則根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)論3)有
KA～Γ(4.48，0.88)，
KB～Γ(4.48，0.88)，
又兩種刀具材料相互獨(dú)立，因此可認(rèn)為KA和KB為兩個獨(dú)立的隨機(jī)變量，則其商的密度函數(shù)為
式中α＝4.48；
根據(jù)式(4)可以得到，隨機(jī)變量KA/KB取值為(0.3，3.3)的概率為0.91；不難推斷如果刀具材料A的初期磨損速度是刀具材料B的3.3倍，則在91％的置信度下，刀具材料A的正常磨損速度大于刀具材料B的正常磨損速度；上述結(jié)論來源于切削條件不統(tǒng)一的樣本空間，如果進(jìn)一步統(tǒng)一切削條件即切削環(huán)境、實(shí)驗(yàn)機(jī)床、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)人員、切削用量，則K值的分布將更加集中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，切削條件比較一致時，通常KA/KB取值為(0.5，2)；這樣當(dāng)?shù)毒逜的初期磨損速度為刀具B的2～3.3倍時，即認(rèn)為刀具A的正常磨損速度快，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)論2)可認(rèn)為刀具A耐用度較低，即耐磨性差，據(jù)此可淘汰刀具A，依此類推即可快速優(yōu)選出一種及幾種合適的刀具材料，實(shí)現(xiàn)刀具材料的選擇。
全文摘要
本發(fā)明一種切削刀具材料快速選擇方法，該方法有五大步驟步驟一選出市場現(xiàn)有適合于加工某種工件材料的多種刀具材料；步驟二安排以刀具材料為對比因素的單因素刀具磨損實(shí)驗(yàn)；步驟三每組磨損實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行初期磨損實(shí)驗(yàn)；步驟四計(jì)算、比較各刀具初期磨損速度值；步驟五根據(jù)本發(fā)明評價準(zhǔn)則，快速優(yōu)選出合適的刀具材料。該方法運(yùn)用刀具磨損的統(tǒng)計(jì)分析研究成果，能夠在刀具材料選擇時避免標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損實(shí)驗(yàn)，從而快速、有效的選出一種或幾種優(yōu)化的刀具材料。本發(fā)明在金屬切削領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。
文檔編號G01N3/56GK101625298SQ20091009137
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者陳五一, 袁躍峰 申請人:北京航空航天大學(xué)