［1 ］
磨损、 拉伸等作用的能力， 以及刀具在破裂前吸收冲击 ， 的能力 因此硬度与韧度的平衡是刀具材料发展的关 键因素。图 1 说明了不同材料的硬度及韧度之间的关 系。其中硬质合金材料 （ Carbide ） 具有良好的硬度及 韧度综合性， 因此是钛合金加工最为常用的刀具。 除 此之外， 其他可用于钛合金加工的材料包括高 速 钢 （ HSS） 、 陶瓷（ Ceramics） 、 立方氮化硼 （ CBN ） 和聚晶金 ［5 ］ 刚石（ PCD） 等 。
。在钛合金干式切削实验中， 后刀
［12 ］
面磨损同样被定义为主要的刀具磨损形式
。 氮气
介质下铣削钛合金时的刀具磨损形式主要为机械磨 损， 粘结磨损、 氧化磨损和扩散磨损， 刀具在铣削过程 中有划伤、 粘刀、 剥落和微观裂纹等现象， 在高速和长 ［4 ］ 时间铣削时可能会出现烧刀现象 。 钛合金加工中最常见的 通过对大量文献的总结， 、 磨损机理总结为扩散磨损 粘结磨损、 磨粒磨损及氧化 磨损， 由这 4 类磨损机理导致的磨损形式主要分为 7 大类， 见表 1 。
［5 ］ 初期的泰勒公式表示为 ： Vc Tn = C
（ 1）
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m / min； T 是刀具使用寿命， min； n 式中： V c 是切削速度， 和 C 是根据实验数据求出的常数。 从式 （ 1 ） 看出， 刀 具寿命与切削速度有直接关系， 但随着技术的发展， 该 公式因素考虑的欠缺性逐渐体现出来， 后来的发展中 被改进的泰勒经验公式所取代： Vc T n f a db = C （ 2）
钛合金加工刀具寿命研究技术浅析
陈代鑫 韩 雄 宋 戈
（ 成都飞机工业（ 集团） 有限责任公司数控加工厂， 四川 成都 610092 ） 摘
*
要： 对常用及最新的钛合金加工刀具使用寿命研究技术的文献进行了综述及总结 ， 钛合金加工过程中 最常见的 4 类刀具磨损机理得以总结。 基于后刀面磨损带宽度的刀具寿命研究方法， 介绍了泰勒 经验公式及可靠度研究的最新进展 ， 并对 2 类方法的优缺点也进行了对比。 最后， 对于今后可能的 发展方向进行了探讨及展望。
对于钛合金加工时刀具磨损的研究， 最常用的是对 后刀面磨损（ flank wear） 的研究。经过学者的大量实验 ， 后刀面磨损带宽度在加工过程中随加工时 间的变化基本都趋于一个三段变化曲线。如图 2 所示， 总结
［ 2， 9 － 11 ］
泰勒经验公式由美国工程师 Frederick W. Taylor ［2 ， 4， 12 － 14 ］ 。 提出， 是最被广泛使用的刀具寿命估算公式
表1
机理 磨粒磨损 粘结磨损 扩散磨损 氧化磨损 √
2
钛合金加工刀具寿命预测
钛合金加工常见刀具磨损机理及表现形式
边界 划痕 磨损 磨损 √ √ √ 积屑瘤 断裂 崩刃 √ √ √ √ 塑性 变形 √ 涂层 脱落 √
表现形式 月牙洼 后刀面
随着刀具结构及涂层材料的发展， 加工刀具耐用 度及加工寿命也在随之增长， 但如何在具体加工环境 下预测出加工刀具的使用寿命及如何提高预测准确 性， 从而实现准确的刀具时间更换及成本控制 ， 一直是 该领域的瓶颈问题。 通过对大量文献总结， 将目前主 要和最新的 2 种加工刀具寿命研究技术介绍如下 。 2. 1 2. 1. 1 基于泰勒经验损量短时间急剧升高； 然 后进入刀具磨损变化相对稳定的第二阶段， 这阶段是钛 合金加工的主要时期； 最后当刀具接近耐用度极限时， 磨损量再次迅速加快， 进入刀具磨损的第三阶段。
1
1. 1
钛合金加工刀具磨损及刀具寿命
钛合金加工刀具磨损
大量的实验研究已经对于在钛合金加工中的磨损 机理进行了阐述。比如在一种新型的热辅助钛合金铣 削加工中， 经研究： 扩散磨损是主要的刀具磨损机理， ［7 ］ 偶尔伴有粘结磨损 。 在使用硬质合金刀具高速加 工钛合金 Ti － 6Al － 4V 的实验中， 扩散磨损同样得以 ［8 ］ 。 观测及深入的研究 在钛合金工件的磨削加工实 验中， 磨粒磨损及粘结磨损被总结为主要的磨 损 机 ［9 ］ 理 。在使用涂层硬质合金刀具端面铣削钛合金零 件的加工实验中， 非均匀的后刀面磨损是观测到的主 要磨损形式， 磨粒磨损是形成后刀面磨损的最主要机 理 。同样， 在应用立方氮化硼刀具（ CBN ） 高速加工 钛合金切削实验中， 非均匀的后刀面磨损也是观测到 的主要磨损形式
* 国家科技重大专项项目： 国产高档数控机床与数控系统在飞机筋肋梁等加工单元中的应用（ 2013ZX04001 － 021 ） · 90 ·
在当前的实际生产活动中， 为了避免刀具在加工 过程中失效而导致加工故障， 通常会采取提前更换刀 具的方式从而使得约 20% ～ 50% 的刀具寿命没有得 ［6 ］ 到充分使用 ， 造成刀具成本的极大浪费。 这使得对 刀具寿命的研究显得尤为迫切， 如何有效准确地预测 刀具在加工过程的使用寿命， 不但能降低刀具成本， 同 时也降低了工件加工故障发生率 。
［24 － 25 ］
mm / 齿； d 是切削深度， mm； a 和 b 式中： f 是进给速度， 是根据实验数据求出的常数。改进的泰勒公示充分考 虑了加工过程中最常用的几个加工参数 ， 进一步提高 了刀具寿命估算的准确性。该公式也是目前较为常用 的刀具寿命回归算法。 2. 1. 2 实验方法设计 根据改进的泰勒经验公式， 可以得到刀具寿命估 ： 算公式 T = εV c b1 f b2 d b3 （ 3） b2 、 b3 及 ε 是由实验结果计算求得的常数。 式中： b1 、 改进的泰勒公式将加工参数中的切削速度 V c 、 进给速 度 f 及切削深度 d 都考虑进去， 进一步提高了刀具寿 命预测的精度。可以看出， 当求得式 （ 3 ） 中的常数后， 即可得出刀具寿命与切削参数的关系式 。 对式（ 3 ） 两边求对数， 得： lnT = lnε + b1 ·lnV c + b2 ·lnf + b3 ·lnd （ 4） x1 = β1 = b1 ， β2 = b2 ， β3 = b3 ， 式中： 设 y = lnT，β0 = lnε， ln V c ， x2 = lnf 及 x3 = lnd， 则式 （ 4 ） 可以改写为多元一 阶线型模型： y = β0 + β1 x1 + β2 x2 + β3 x3 （ 5） 为了提高实验精度， 一些实验中也引入了多元二 。 阶非线性模型 相比一阶模型， 增加了平方项及交叉 项对结果的影响。其公式可表示为： y = β0 + β1 x1 + β2 x2 + β3 x3 + β11 x1 2 + β22 x2 2 +
［11 ］ ［10 ］
1. 2
刀具使用寿命影响因素 在机械加工过程中， 刀具寿命受诸多因素影响， 如
人为因素、 加工环境、 加工方法及材料等影响 （ 图 3 ） ， 因此刀具寿命的研究涉及到与加工关联的各个方面 。 但是当把研究对象特定为某一确定的加工环境时 ， 则 影响刀具寿命的因素则主要为加工方法 ， 如切削速度、 加工进给和切深切宽等等。
关键词： 钛合金加工； 刀具寿命预测； 泰勒经验公式； 可靠度分析 中图分类号： TG711 文献标识码： A
Ｒecent advances of cutting tools life prediction in titanium alloys machining
CHEN Daixin，HAN Xiong， SONG Ge （ Chengdu Aircraft Industrial （ Group） Co. ，Ltd. ，Chengdu 610092 ， CHN） Abstract： This paper focuses on the literature review of estimation of remaining cutting tools life in titanium alloys machining. Wear mechanisms and factors that affect tool ’ s wear in titanium alloys machining are summarized based on the literature. Methodologies including modified Taylor ’ s equation and reliability assessment of cutting tools life are introduced and discussed in the paper. Future developments on cutting tools life estimation are discussed as well. Keywords： titanium alloys machining； cutting tools life prediction； Taylor’ s equation； reliability assessment 钛合金已经广泛应用于航空航天 、 医药、 航海等领 。 、 域 其材料特性包括如低密度 较高的强度重量比、 很 ［1 ］ 。 好的抗腐蚀能力及在高温时的稳定性等等 但钛合金加工效率低、 成本高等问题 一直是困 扰钛合金发展的瓶颈。钛合金通常被归类为难加工材 料， 其主要原因可以归纳为： （ 1 ） 钛合金加工时， 在工 件 － 刀具及刀具 － 切屑接触区产生难以及时排除的高 温； （ 2 ） 钛合金较低的热传导率， 分别为铁和铝的 1 /4 及 1 /16 ， 加剧了高温的形成； （ 3 ） 在高温时钛合金的高 强度加剧了刀具的磨损； （ 4 ） 钛合金化学活性高， 钛合 金工件与刀具的氧化反应及工件硬化也使得加工效率 低下； （ 5 ） 钛合金弹性模量小的特点使得加工过程不 稳定及刀具磨损的加剧。这些原因使得钛合金加工时 ［2 － 4 ］ 。 的低效率、 高成本问题一直是钛合金应用的瓶颈 加工刀具的发展是影响钛合金加工的最重要因素 之一。硬度、 韧度及耐磨性是刀具材料发展时主要考 虑的 3 个因素。硬度是指加工刀具材料抵抗外界作用 力的能力， 直接与材料强度相关， 而韧度是指刀具抵抗