刀具使用寿命快速试验方法

1 刀具使用寿命

    刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具使用寿命，以T表示。为保证零件的加工质量和机床的安全运行，一般在机械加工自动线、多刀切削以及大批量生产中都要求定时人工换刀：而在现代制造技术中，由于大量采用了数控等先进的自动控制机床，所以要求根据刀具使用状态进行自动换刀。
那么，刀具究竟能够切削多长时间，即刀具使用寿命应取多长才算合适，需通过大量的切削试验才能确定。还有在零件或刀具的新材料和新工艺开发研究中，刀具的使用寿命是一个重要的影响指标，也要进行大量的切削试验。
由切削原理可知，刀具的磨损过程可分为3个阶段，即初期磨损、正常磨损和剧烈磨损等。在正常磨损阶段，刀具后刀面磨损带平均磨损量VB与切削时间t成正比。通常采用固定其它切削条件，而改变切削速度Vc进行刀具磨损试验，由此可得到很多条刀具磨损曲线，从中找出切削速度Vc与刀具使用寿命T的关系，即泰勒(F.W.Taylor)公式： Vc=A/Tm (1)
式中：m表示切削速度对刀具寿命的影响程度
A为与试验条件有关的系数
但这种方法的试验工作量很大。为此，需要寻找一种刀具使用寿命快速试验的方法。

2 快速试验原理

    由于在刀具磨损曲线正常磨损段中刀具后刀面磨损平均磨损量VB与切削时间t成正比，则有VB=VB0+kt，并且不同切削速度Vc的磨损曲线在正常磨损段的延长线都交于纵坐标上的同一点VB0，如图1所示。当Vc1c2c3时，VBe-VB0=k1t1=k2t2=k3t3(VBe为磨钝标准，k为刀具磨损曲线中正常磨损段的斜率，t为切削时间)。
根据上述关系设计一种刀具使用寿命快速试验方法，先以切削速度VcW进行切削，测出对应于时间t1和t2的刀具后刀面磨损量VB1和VB2，应使t1和t2均超过初期磨损阶段：再以切削速度Vc2(Vc1c2)进行切削，测出时间T3及相应的磨损量VBT，如图2所示不同切削速度Vc的刀具使用寿命试验曲线。

图1 不同切削速度Vc的刀具磨损曲线

图2 刀具使用寿命试验曲线
根据式(1)、图1和图2关系，可以导出如下关系式：(推导略) k1= VB2-VB1

T2-T1               (2)
k2= VB3-VB2

T3-T2                   (3)
m= lg(Vc2/Vc1)

lg(k2/k1)              (4)
VB0= T2VB1-T1VB2

T2-T1                  (5)
A=Vc( VBe-VB0 )m

k                  (6)

    利用这些关系式可求得泰勒公式中的两个系数m和A

3 试验条件

    设备：改装的C620无级变速车床：刀具YT15刀片，前角g0=0°，主偏角kr=75°，副偏角kr’=15°，刃倾角l=0°，后角a=10°：试件材料：45钢和40MnB两种，经正火处理，其硬度分别为184～189HB和204～205HB：切削用量：进给速度f=0.21mm/r，吃刀深度ap=1.5mm，切削速度分别为140和167m/min、136和160m/min及131和155m/min等三组。

4 试验结果及分析

    根据上述试验原理，固定其它切削条件，改变切削速度Vc。为减小试验误差，试验选取三组切削速度Vc分别对45钢和40MnB两种材料进行刀具使用寿命试验。试验数据采用计算机处理，利用式(2)～(6)计算可获得三组系数m1、m2、m3和A1、A2、A3，求平均值得到泰勒公式中的两个系数。试验数据及处理结果如表1(取磨钝标准VBe=0.5mm)。

    表1 刀具使用寿命试验数据及处理结果(见下面)

    工件材料切削加工性的概念具有相对性，习惯以碳素结构钢45钢为基准，以一定刀具使用寿命T下的切削速度vT衡量材料的切削加工性。如取刀具使用寿命T=60min，用泰勒公式分别求出45钢和40MnB的切削速度，分别记为v60和(v60)，它们的比值是kr=v60/(v60)称为相对加工性。现取T=60、100、200min时比较两种材料的相对加工性，如表2所示。根据表2中的数据分析可知，45钢和40MnB两种材料的相对加工性约在0.85～1.15之间。属普通金属材料(kr=0.65～1.6)。它们的切削加工性能差别不大。

    表2 刀具使用寿命试验数据及处理结果(见下面)

5 结论

    通过上述试验可得出以下结论：
    1.用快速试验方法只需在两种切削速度下进行试验，即可得泰勒公式中的两个系数。但在实际试验中为减少试验误差，可多选三组切削速度进行试验，将其结果取平均：
    2.用快速试验方法可以节省试验时间和试验材料：
    3.对45钢和40MnB两种材料的试验结果分析可知，它们的切削加工性能差别不大。