切削參數對金屬切削刀具磨損與壽命的影響
2024-7-25 來源： 四川職業技術學院 作者：蔣俊飛
摘要：切削參數是影響切削過程中刀具磨損和壽命的重要因素，對其進行合理調整和優化能夠降低刀具磨損和延長刀具壽命，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切削參數。然后，對切削參數進行了影響分析和優化探究，詳細闡述了切削參數對刀具磨損和壽命的影響機理，它們的變化會對刀具產生不同程度的磨損。切削速度過高會使刀具表面溫度升高，引起刀具磨損加劇；進給量過大則會增加刀具的側向沖擊和摩擦力，導致磨損加劇；切削深度過大會增加刀具受力和磨損面積，進一步加速刀具磨損。通過實驗研究和統計分析，得出了不同切削參數下刀具磨損和壽命的關系。基于這些關系，本文提出了一種優化算法，可以幫助工程師選擇最佳切削參數組合，以最大程度地延長刀具壽命并降低磨損。在實際應用中，通過合理調整切削參數，可以降低刀具磨損和延長刀具壽命，提高加工效率和產品質量。
關鍵詞：切削參數；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效率的重要因素。合理的切削參數選擇是降低切削刀具磨損和延長刀具壽命的關鍵。因此，研究切削參數對刀具磨損與壽命的影響，并通過優化選擇最佳切削參數組合，具有重要的理論和實用價值[1]。在切削加工中，切削速度、進給量和切削深度是常用的切削參數。這些切削參數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；進給量過大會增加刀具的側向沖擊和摩擦力，導致刀具磨損加劇；切削深度過大會增加刀具受力和磨損面積，進一步加速刀具磨損[2]。因此，通過合理調整切削參數，可以降低刀具磨損和延長刀具壽命。
目前，相關研究已經在切削參數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]。將通過對切削參數對金屬切削刀具磨損與壽命的影響進行深入分析與優化研究，為加工領域提供重要的理論指導和技術支持。通過實驗研究和統計分析，本文將量化不同切削參數下刀具磨損和壽命的關系，建立優化算法，以幫助工程師選擇最佳切削參數組合，以最大程度地延長刀具壽命并降低磨損。
1、切削動力學模型
在進行切削加工時，刀具的刀刃會同時承受徑向和切向切削力，如圖 1 所示。傳統切削模型認為，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]，其表達式為：
圖 1 刀具的受力分析
目前，大多數研究都是通過控制法向切削力來改變切削振動的情況，進而使切削過程變得平穩。但是，在進行切削加工時，切削深度和切削進給速度的改變會導致刀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切削力的大小。
因此，表達式（3）就不能直接應用于實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、切削進給速度、刀具轉速等，目前常用的求取切削力的經驗公式為：
2、切削參數對刀具磨損與壽命的影響機理
切削速度、進給量和切削深度是常用的切削參數，它們的變化會對刀具產生不同程度的磨損。切削速度過高會使刀具表面溫度升高，引起刀具磨損加劇；進給量過大則會增加刀具的側向沖擊和摩擦力，導致磨損加劇；切削深度過大會增加刀具受力和磨損面積，進一步加速刀具磨損。因此，合理調整切削參數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，對切削加工變形、加工表面質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，國內外學者對切削力的研究產生了濃厚興趣。切削參數及潤滑方式均為影響切削力的重要因素。對鋁合金進行了干切削加工，經方差分析可知，切削參數對切削力的影響主次順序為：進給量>切削深度>切削速度，并且建立了切削力線性回歸模型，取得較好的預測效果。張平等人探究了極端環境下切削參數對鋁合金切削力的影響，并且建立了三向切削力預測模型，切削參數對切削力的影響。仲為武探究了潤滑方式對鋁合金銑削力的影響，通過單因素實驗方案對干切削、濕式切削和空氣噴射輔助微量潤滑切削所產生的切削力進行對比，發現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%。一些專家學者利用不同的方法來模擬與預測鋁合金加工過程產生的切削力。Mali 通過 Deform 軟件模擬了鋁合金的切削力，對比實驗切削力發現，主切削力和進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優化算法
3.1 PID 切削力控制器的設計
PID 控制是一種將比例環節（P）、積分環節（I）與微分環節（D）結合為一體的自動控制算法，原理簡單、易于實現、適用面廣、調整方便，故得到廣泛應用，其工作原理是根據輸入的誤差值，依照比例項、積分項和微分項來進行運算，然后利用運算結果來控制輸出，廣泛應用于工業自動化、機器人控制、汽車控制、飛行器控制等領域[6]。
如果目標切削深度、有效切削面積與刀具轉速保持不變，切削加工精度的主要影響因素是切削力以及切削進給速度。為了方便后續研究，將機器人切削到目標深度時所需切削力設為 F（d ti），力傳感器所測的
3.2 基于 PID 的切削參數優化算法
因為常規的 PID 控制系數 Kp，Ti，Td 為恒定的，不會根據切削系統狀態的改變來進行實時調整，一旦機器人的切削加工狀態發生了改變，常規的 PID 控制模型則無法快速適應這種變化，從而導致切削力出現波動，影響椎板切削加工質量。為了解決這一問題，以PID 控制模型為基礎，加入模糊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加工狀態來調節 PID 控制模型中的參數，從而使實際的控制模型可以適應切削加工狀態的改變。
切削加工系統為非線性、時變的系統，其實際加工情況會隨著切削參數的變化而發生改變，因此一般的 PID 控制器很難達到切削加工過程中力控制的要求。此處采用模糊自適應 PID 控制策略來控制的切削力，這種策略的優點是控制器能夠根據機器人切削狀態的變化來實時調節 PID 控制參數 Kp、Ti、Td，從而對切削力進行分段控制，其控制結構見圖 2。
圖 2 模 PID 控制系統
4、實驗結果與分析
仿真的目的是觀察模糊 PID 策略對切削力的控制效果。首先要根據切削動力學公式 MATLAB 軟件中建立仿真模型，然后進行 PID 控制仿真，最后將三種控制方法仿真結果進行對比。仿真參數中的切削深度設置為 1 mm，起始進給速度設置為 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。
由于 PID 的各控制參數的變化會對控制系統產生巨大影響，所以在仿真前需要對 PID 控制器的各控制參數進行整定，確定最佳參數，本文用的參數整定方法為臨界比例度法。首先在閉環的控制系統中，將控制器置于純比例作用下，然后在控制系統中施加一個干擾，從小到大逐漸改變比例系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
各控制方式的仿真結果如圖 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相似，都低于開環控制時的切削力峰值。切削力從峰值回落后要經過振蕩過程，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，實現了切削沖擊振蕩的快速收斂。
圖 4 切削力控制仿真
5、結果應用
切削動力學參數在機器人建模方面應用，從人機生物系統融合的角度去研究機器人系統的建模、分析和優化考慮得不夠深入，尤其在機器人切削加工的軌跡精度和動態穩定性方面存在不足，這必然導致機器人與各種領域結合得不夠緊密，提升機器人的控制精度和穩定性尤為必要。研究大多側重于如何進行機器人加工軌跡的規劃并取得了較多的成果，但對機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，造成機器人切削軌跡精度和穩定性較差，無法充分發揮出機器人操作平穩、加工精度高的優點，因此研究切削動力學參數對金屬切削刀具磨損與壽命非常重要。
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