在金屬切削加工中，刀具會(huì)使工件材料變形，并以切屑形式將其剪切下來比肄。 變形過程需要大量的力快耿，刀具會(huì)承受多種機(jī)械囊陡、熱、化學(xué)和摩擦負(fù)荷掀亥。一段時(shí)間過后撞反，這些負(fù)荷最終會(huì)導(dǎo)致刀具由于磨損過于嚴(yán)重而必須更換。通過恰當(dāng)?shù)仡A(yù)測(cè)刀具壽命搪花，制造商可以根據(jù)刀具磨損情況精確地規(guī)劃金屬加工工藝遏片，并因此控制成本，以及避免由于意外的刀具行為或不可接受的工件質(zhì)量而造成意外停機(jī)岛牺。

于是辫慎，一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家和工程師們建立和測(cè)試了數(shù)學(xué)模型并考慮到刀具所受到的力涮愧，以估算預(yù)期的刀具壽命叶偶。很多這樣的模型都重點(diǎn)關(guān)注特定刀具在某些材料和加工中的性能，并通過簡(jiǎn)單的公式和重復(fù)性測(cè)試獲得有效的刀具磨損情況預(yù)測(cè)订搏。但可以應(yīng)用于多種工件材料和刀具的廣義模型更適合工業(yè)應(yīng)用锯运。這些模型考慮到了多種刀具磨損因素，因此它們的數(shù)學(xué)復(fù)雜性也隨著所考慮因素的數(shù)量而相應(yīng)增大 - 因素越多框辞，計(jì)算越復(fù)雜蛔颖。

盡管通過手寫數(shù)學(xué)公式和手工計(jì)算即可對(duì)簡(jiǎn)單的刀具壽命等式進(jìn)行求解糊晋，但仍然需要在生產(chǎn)環(huán)境中花費(fèi)適量的時(shí)間，利用當(dāng)今的計(jì)算機(jī)分析來對(duì)復(fù)雜模型的等式進(jìn)行求解政拾。數(shù)字計(jì)算非臣势鳎可靠，但制造商應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)果保持批判態(tài)度攻臀，尤其是在加工高級(jí)工件材料和使用極端加工參數(shù)時(shí)焕数。整體而言，刀具壽命模型的發(fā)展過程將學(xué)術(shù)理論和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合在了一起刨啸。

Archard 模型

對(duì)磨損過程進(jìn)行的建模不僅僅局限在金屬切削應(yīng)用領(lǐng)域堡赔。在 20 世紀(jì) 50 年代，英國(guó)工程師 John F. Archard 開發(fā)出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕枇糜诟鶕?jù)表面粗糙度的變化來計(jì)算滑動(dòng)表面的磨蝕性磨損速度善已。他的等式是：

其中的 Q 代表磨損速度，K 代表恒定磨損系數(shù)离例，W 代表總計(jì)正常負(fù)載换团，L 代表表面的滑動(dòng)距離，H 代表兩個(gè)表面中更柔軟表面的硬度宫蛆。此模型主要認(rèn)為艘包，由于磨蝕性磨損而損失的材料數(shù)量與摩擦力成正比。

但Archard 模型并未說明刀具磨損現(xiàn)象耀盗，而是預(yù)測(cè)了隨時(shí)間變化的磨損漸變速度想虎。此模型涉及到兩個(gè)表面互相干擾的速度、機(jī)械負(fù)載猎之、表面強(qiáng)度桶悍、材料屬性和磨損系數(shù)的影響。

但應(yīng)當(dāng)指出鹃远，Archard 模型不是專門為金屬加工領(lǐng)域常見的高速應(yīng)用而開發(fā)的讼逐，它也并未涉及到溫度對(duì)磨損過程的影響。在金屬切削所產(chǎn)生的 900?C 高溫條件下嚎闹，表面強(qiáng)度和磨損系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化凸翩。這樣，Archard 模型本身就無法充分說明金屬切削領(lǐng)域的刀具壽命暂臀。

Taylor 模型

在 20 世紀(jì)初期肪麦，美國(guó)工程師 F.W. Taylor 開發(fā)出了一個(gè)刀具壽命模型，此模型包含了與金屬切削相關(guān)的因素姑享。Taylor 發(fā)現(xiàn)烫奏，增大切削深度只對(duì)刀具壽命產(chǎn)生極小的影響，增大進(jìn)給量所產(chǎn)生的影響稍大一些罪褒，而提高切削速度對(duì)刀具壽命產(chǎn)生的影響最大耙肖。下圖顯示了提高速度（藍(lán)色的 vC）仰铃、增大進(jìn)給量（灰色的 f）和增大切削深度（黑色的 a_p）之后所產(chǎn)生的刀具磨損。

這促使 Taylor 開發(fā)出了一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注各種切削速度所產(chǎn)生影響的模型授瘦。Taylor 基本模型的等式是 v_c* T^m = C_T醋界，其中的 vC 代表切削速度，T 代表刀具壽命提完，m 和 C_T 是常量形纺，CT 代表影響一分鐘刀具壽命的切削速度。

Taylor 還發(fā)現(xiàn)徒欣，刀具通常在開始運(yùn)行時(shí)加速磨損逐样，并在第二階段趨于穩(wěn)定但慢慢增大，最終進(jìn)入快速磨損的第三階段（也就是最終階段）打肝，直到刀具壽命結(jié)束脂新。他設(shè)計(jì)的模型展示了第二階段與第三階段之間的時(shí)間長(zhǎng)度。

因此粗梭，Taylor 模型不適用于較低的切削速度争便，當(dāng)切削速度較低時(shí)，工件材料會(huì)粘附和積聚在切削刃上并影響切削質(zhì)量和損壞刀具断医。此外滞乙，在此模型范圍外的高切削速度足以產(chǎn)生化學(xué)磨損。低速和高速磨損模式具有一個(gè)共同的特點(diǎn)葡谅，那就是不可預(yù)測(cè)性 - 粘附機(jī)制和化學(xué)機(jī)制會(huì)或快或慢地產(chǎn)生磨損脱处。Taylor 模型立足于刀具壽命的第二階段，也就是穩(wěn)定而且可預(yù)測(cè)的磨蝕性磨損乞审。

最初的 Taylor 模型關(guān)注切削速度的影響绎噩，在切削深度和進(jìn)給量保持不變的情況下有效帕卦。確定了切削深度和進(jìn)給量之后鸠丸，可以控制速度以改變刀具壽命。

更多的實(shí)驗(yàn)催生出了一個(gè)擴(kuò)展的 Taylor 刀具壽命模型等式漫从，該等式包含了更多的變量赡脚，因此也變得更加復(fù)雜：

其中的 T= 以分鐘為單位的刀具壽命，vc 代表切削速度躁盗，h 代表切屑厚度幸持，b 代表切屑寬度。該等式還包含了一個(gè)表示刀具前角的變量以及一些適用于各種工件材料的常量拗酌。拋開其他因素不談川砌，此模型在一次更改一種切削條件時(shí)最準(zhǔn)確。同時(shí)更改多種條件可能會(huì)產(chǎn)生不一致的結(jié)果春哨。

最初的 Taylor 模型也無法充分說明切削刀具與工件之間的幾何關(guān)系荆隘《魉牛可以讓切削刃從直角方向（垂直于進(jìn)給方向）或斜向（以相對(duì)于進(jìn)給方向的前角）切削工件。此外椰拒，當(dāng)切削刃的拐角不參與切削時(shí)晶渠，切削刃將被視為“自由”切削，當(dāng)?shù)毒叩墓战菂⑴c工件的切削時(shí)燃观，切削刃被視為“非自由”切削“現(xiàn)代金屬切削應(yīng)用中很少涉及自由直角切削或自由斜向切削，因此它們很少被提及缆毁。Taylor 的擴(kuò)展等式增加了一個(gè)切削刃前角變量番川，但不允許刀具的拐角參與切削。

盡管是后見之明脊框，但從當(dāng)今金屬切削技術(shù)水平和復(fù)雜程度的角度來看爽彤，Taylor 模型無疑存在著一些缺陷。即便如此缚陷，在其悠久的歷史中适篙，Taylor 模型依然為刀具壽命預(yù)測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在某些條件下仍然能夠提供有效的刀具壽命數(shù)據(jù)拱矫。

切屑厚度的角色

隨著工程師們對(duì)刀具壽命模型不斷進(jìn)行開發(fā)和研究漂手，一個(gè)事實(shí)變得明顯起來，那就是所產(chǎn)生的切屑厚度與刀具壽命密切相關(guān)牌聋。切屑厚度是在垂直于切削刃的方向和垂直于切削方向的平面中測(cè)量出的切削深度和進(jìn)給量之間的一個(gè)函數(shù)曼散。如果切削刃的角度是 90?（在美國(guó)是 0? 主偏角），則切削深度和切屑寬度相同嫂前，進(jìn)給量和切屑厚度也相同污兄。

刀具拐角參與工件切削的程度增加了另一個(gè)用于確定切屑厚度的變量。瑞典工程師 Ragnar Woxén 于 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)出了一種用于說明刀具刀尖圓弧吃刀程度的方法萝渐。他提出了一個(gè)用于計(jì)算車削加工中的等效切屑厚度的公式午四，該公式可計(jì)算出刀具刀尖的理論切屑厚度。這一成果非常透徹地分析了刀尖圓弧磨慷，并能夠利用矩形來說明切屑面積支礼。借助這一描述，模型可以反映刀具圓形刀尖圓弧的吃刀程度薇痛。

Colding 模型

瑞典教授 Bertil Colding 于 20 世紀(jì) 50 年代開發(fā)的一個(gè)刀具壽命模型滨溉，此模型說明了刀具壽命、切削速度與等效切屑厚度之間的關(guān)系长赞，并考慮到切削工藝中的其他因素晦攒。這些因素包括刀具材料和形狀、溫度以及工件可加工性。使用此模型和它復(fù)雜的等式可以準(zhǔn)確地計(jì)算多種切削條件同時(shí)變化時(shí)所產(chǎn)生的后果脯颜。

Colding 發(fā)現(xiàn)腹尖，更改等效切屑厚度（進(jìn)給量）會(huì)改變切削速度與刀具壽命之間的關(guān)系。如果增大等效切屑厚度伐脖，則必須降低切削速度以保持同樣長(zhǎng)的刀具壽命热幔。切屑厚度越大，更改切削速度后所產(chǎn)生的影響也越大讼庇。

另一方面绎巨，如果減小等效切屑厚度，刀具壽命將會(huì)延長(zhǎng)蠕啄，提高刀具速度后所產(chǎn)生的影響也會(huì)下降场勤。進(jìn)給量、切削深度艺踪、主偏角和刀尖圓弧的很多組合都可以取得相同的等效切屑厚度值首潮。如果在恒定的切削速度下保持恒定的等效切屑厚度，則無論切削深度滚讼、進(jìn)給量和主偏角如何變化剑学，刀具壽命都將保持不變。

左圖顯示了在 Taylor 模型的穩(wěn)定磨蝕性磨損條件下進(jìn)行加工時(shí)绊域，等效切屑厚度（由 he 表示）的變化與刀具壽命 (T) 和切削速度 (vc) 之間的關(guān)系膨溃。右圖中也顯示了這一直線關(guān)系。但由于 Colding 模型考慮到了其他磨損因素湘都，因此也用另外一條曲線顯示了此模型的預(yù)測(cè)結(jié)果肠祭。

當(dāng)加工可產(chǎn)生穩(wěn)定磨蝕性磨損的常規(guī)材料（例如鋼材）時(shí)，該曲線得出的估算值沒有太大價(jià)值旱唧。但在加工超級(jí)合金和鈦合金等容易應(yīng)變硬化的材料時(shí)螺啤，此模型在 Taylor 范圍之外的預(yù)測(cè)能力就變得非常重要。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)刃行己穸容^小時(shí)恤鞭，刀具會(huì)切削應(yīng)變硬化的材料淌踢，因此會(huì)導(dǎo)致切削溫度上升并需要降低切削速度以降低溫度和保持刀具壽命。

但該曲線表明个扰，在局部的切削范圍內(nèi)瓷炮，更大切屑厚度與更高切削速度的組合或者更高生產(chǎn)率的切削條件可以延長(zhǎng)刀具壽命葱色。20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代誕生了同時(shí)增大兩種切削參數(shù)和提高金屬切除率這一概念递宅，這一突破性理念與當(dāng)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)和直覺恰好相反。

通過開發(fā)包含金屬切削工藝多種因素的模型（例如 Colding 模型）以及 Taylor 和 Archard 模型的概念苍狰，將理論和實(shí)際緊密結(jié)合在了一起办龄。

實(shí)際應(yīng)用日益復(fù)雜的刀具壽命模型時(shí)，需要對(duì)它們采用的多種因素執(zhí)行計(jì)算機(jī)分析。在短時(shí)間內(nèi)俐填，可以手動(dòng)計(jì)算出專門用于特定刀具安接、工件材料和切削條件的簡(jiǎn)單模型的結(jié)果。在某些情況下（例如手工計(jì)算時(shí)）英融，基本 Taylor 模型可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果盏檐。

但即使是擴(kuò)展的 Taylor 模型也可能需要大量的手工計(jì)算時(shí)間，因此在生產(chǎn)環(huán)境中對(duì) Colding 等式中的因素進(jìn)行手工計(jì)算是不切實(shí)際的驶悟。為了充分利用這些高級(jí)模型的預(yù)測(cè)能力胡野，制造商們應(yīng)使用計(jì)算機(jī)的計(jì)算程序（請(qǐng)參閱關(guān)于山高的 Suggest 的附注）。這些程序可以在幾秒鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)復(fù)雜等式進(jìn)行求解并提供有用的加工指導(dǎo)找塌。不過厅员，電子計(jì)算輔助工具依然要求機(jī)械師以審慎的態(tài)度進(jìn)行思考，并將結(jié)果與自己在車間實(shí)際工作中獲得的常識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較鸥萌。

結(jié)論

最后幻渤，刀具壽命建模并不是一種純學(xué)術(shù)追求；它可以幫助制造商提高生產(chǎn)率和控制成本壹霍。制造業(yè)重點(diǎn)考慮的是需要花費(fèi)多少時(shí)間和成本才能生產(chǎn)出特定數(shù)量的合格工件牌完。了解在需要更換刀具之前刀具能夠準(zhǔn)確、高效地切削多長(zhǎng)時(shí)間非常重要建鹿。工藝可靠性以及對(duì)刀具成本和停機(jī)時(shí)間進(jìn)行的控制取決于是否能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)刀具壽命匹憎。模型還允許更改工藝以便最大限度提高速度、質(zhì)量或可靠性每镀。切削刀具壽命模型的進(jìn)一步發(fā)展能夠幫助制造商精密調(diào)整自己的工藝并實(shí)現(xiàn)自己的生產(chǎn)目標(biāo)业满。

附注
計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算

在生產(chǎn)環(huán)境中，所有的機(jī)床操作員都希望知道切削刀具在出現(xiàn)磨損或失效之前還能堅(jiān)持多久克矿。但與此同時(shí)李臀，他們還必須在刀具使用壽命內(nèi)充分地應(yīng)用刀具。刀具壽命建模已經(jīng)從簡(jiǎn)單地手工記錄個(gè)別運(yùn)算的結(jié)果發(fā)展為運(yùn)用復(fù)雜的模型并以數(shù)學(xué)方式納入盡可能多的切削工藝變量冷离。

少數(shù)幾個(gè)能夠快速完成的手工計(jì)算方式基本上能夠得出有價(jià)值的刀具壽命估算值吵冒。模型越復(fù)雜，所需的計(jì)算和時(shí)間就越多西剥。最好的模型能夠提供與現(xiàn)實(shí)緊密契合的刀具壽命預(yù)測(cè)痹栖。但如果在實(shí)施復(fù)雜模型時(shí)進(jìn)行計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間不少于加工本身所花費(fèi)的時(shí)間，它的經(jīng)濟(jì)效益就值得商榷了瞭空。因此揪阿，可以使用計(jì)算機(jī)的計(jì)算程序，它們能夠快速和絕對(duì)準(zhǔn)確地處理高級(jí)切削刀具壽命模型所涉及到的因素咆畏。

其中一個(gè)示例是山高提供的 Suggest 在線資源南捂。作為山高 My Pages 數(shù)字站點(diǎn)中的一個(gè) Portlet，Suggest 是一款免費(fèi)的應(yīng)用程序，適用于 iOS? 或 Android? 平臺(tái)的移動(dòng)設(shè)備和具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的計(jì)算機(jī)溺健。

Suggest 利用山高 80 多年來積累的金屬加工經(jīng)驗(yàn)為新的作業(yè)提供切削刀具建議或?yàn)橹貜?fù)性項(xiàng)目提供刀具選擇方案麦牺。這款應(yīng)用程序匯集了數(shù)千種切削刀具產(chǎn)品和應(yīng)用程序的綜合數(shù)據(jù)，可以根據(jù)用戶的輸入提供完整的刀具建議鞭缭。

Suggest 不僅僅是一個(gè)在線目錄剖膳，它還是一款先進(jìn)的產(chǎn)品選擇器，可以快速找到用于在要求公差范圍內(nèi)加工零件的刀具和一系列工序南链。Suggest 可以根據(jù)極少的數(shù)據(jù)提供建議贮祥。不過，用戶輸入的信息越多夭菲，所提供的建議就越貼切程昨。每個(gè)數(shù)據(jù)輸入字段中的默認(rèn)值讓具有各種金屬加工技能水平的用戶都能夠得心應(yīng)手。用戶可以隨時(shí)調(diào)整自己輸入的數(shù)據(jù)摇轨，并過濾咖亏、排序和比較信息以便精密調(diào)整建議。所有刀具建議都可以保存下來并以電子方式共享或者打印翠坟，以便于分發(fā)已唐。

全面的資源有助于制定工藝規(guī)劃，而且便于為特定的作業(yè)找到高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的刀具和切削策略醒狭。應(yīng)用成熟的技術(shù)能力和和工藝規(guī)劃技能绞芽，可以大大縮短整體的工藝規(guī)劃時(shí)間。

山高總部設(shè)在瑞典法格斯塔市君板，在超過 75 個(gè)國(guó)家/地區(qū)設(shè)有辦事處歪架，是為銑削、車削霹陡、孔加工和螺紋加工領(lǐng)域提供全面金屬切削解決方案的全球最大供應(yīng)商之一和蚪。另外，80 多年來烹棉，公司一直與各行各業(yè)的制造商密切合作攒霹，提供他們所需的刀具、工藝和服務(wù)浆洗，幫助他們獲得最高的生產(chǎn)率和最大的利潤(rùn)率催束。如需了解詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系當(dāng)?shù)氐纳礁叽砘蛟L問 www.secotools.com伏社。

（山高刀具集團(tuán)技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理 Patrick de Vos）

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)抠刺，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)洛口，也不構(gòu)成任何其他建議矫付。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布凯沪、編輯整理上傳第焰，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)洞歼，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻产贤、圖片宣验、文字如涉及作品版權(quán)問題，請(qǐng)第一時(shí)間告知鹦房，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容娇晦，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn悲社。