數控機床

      上（shàng）海, 2016 年 04 月 - 在金屬切削加工中，刀具會使工件材料變形，並以切（qiē）屑形式將（jiāng）其剪切（qiē）下來。變（biàn）形過程需要大量的力，刀具會承受多（duō）種機械、熱、化學（xué）和摩擦（cā）負荷。一段時（shí）間過後，這些（xiē）負荷（hé）最終會導致刀具由於磨損過於嚴重而必須更換。通過恰當地預測刀具壽命，製造商可以根據刀具磨（mó）損情況精確（què）地規劃金屬加工工藝，並因此控製成本（běn），以及避免（miǎn）由（yóu）於意外的刀具行為或不可接受的工件質量而造成意外停（tíng）機。
 
   
      於是，一個多世紀以來，科學家和工（gōng）程師們建立和測（cè）試了數學模型並考慮到刀具所受到的力，以估算預期的刀具壽命（mìng）。很多這（zhè）樣的模型都重點（diǎn）關注特定（dìng）刀具（jù）在某些材料（liào）和加工中的性能，並（bìng）通過簡單的公式和（hé）重（chóng）複性（xìng）測試獲得有效的刀具磨損情況預測。但可以應用於多（duō）種工件材料和（hé）刀（dāo）具的廣（guǎng）義模型更適合工業應用。這些模型考慮到了多種刀具磨損因素，因此它們的數學複雜性也隨著所考慮因素的（de）數（shù）量而相應增大 - 因素越多，計算越複雜。盡管（guǎn）通過手寫數學公式和手工計算（suàn）即（jí）可對簡單的刀具壽命等式進行求解，但（dàn）仍（réng）然需要在（zài）生產環（huán）境中花費適量的時（shí）間，利用當今的（de）計算機分析來（lái）對複雜模型的等（děng）式進行求解（jiě）。數字（zì）計算非常可（kě）靠，但製造商應當對結果保持批判態度，尤其是在（zài）加工高級工件材料和使用極端加工參數時。整體而言，刀具壽命模型的發展過程將（jiāng）學術理論（lùn）和實際（jì）應用緊密結合在了一起（qǐ）。

      Archard 模（mó）型
 
   
      對（duì）磨損過程進行的建模不僅僅局限在金屬切削應用領域。在 20 世紀 50 年代，英國工程師 John F. Archard開發出了一個經驗模型，用（yòng）於根據表麵粗糙度的（de）變化來計算滑動表麵的磨蝕性磨（mó）損速度。他的等式是：

  
      其中的 Q 代表磨損速度，K 代表恒定磨損係數，W 代表總計正常負載，L 代表表麵的滑動距離，H 代表兩個表麵中更柔軟表麵的硬度。此模型主（zhǔ）要認為（wéi），由於磨蝕（shí）性磨損而損失的材料數量與（yǔ）摩擦力（lì）成正比。
 
 
      但 Archard 模型並未（wèi）說明（míng）刀具磨損現象，而（ér）是預測了隨時間變化的磨（mó）損漸變速度。此模型涉及到兩個表麵互相（xiàng）幹（gàn）擾的速（sù）度、機械負載、表麵強（qiáng）度、材料屬性和磨損係數的影響。

      但應當指出，Archard 模型不是專門為金屬加工領域常見（jiàn）的高速應用而開發的，它也並未涉及到溫度對磨損過程的影響。在金屬切削所產生的 900 C 高溫條件下，表麵強度和（hé）磨損（sǔn）係數都會發（fā）生變化。這樣，Archard模型（xíng）本身就無法充分說（shuō）明金屬切削領域的刀具壽命。

     Taylor 模型
 
 
      在 20 世紀（jì）初（chū）期，美國工程師 F.W. Taylor 開發出了一個刀具壽命模型，此模型包含了與金（jīn）屬切削相關的因素。Taylor 發現，增（zēng）大切削深度隻（zhī）對刀具壽命產生極小的（de）影響，增（zēng）大進給量所產生的影響稍大（dà）一些，而提高切削（xuē）速度對刀具壽命產生的影響最大。下圖顯示了提高速度（藍色（sè）的 vC）、增大進給量（灰色的f）和（hé）增（zēng）大切削深度（dù）（黑色（sè）的 ap）之後所產生的刀具磨損。

     
  
      HQ_ILL_Wear-Related_Deterioration_Taylor_Model.jpg

      這促使 Taylor 開（kāi）發出了一個（gè）重點關注各種（zhǒng）切削（xuē）速度所產生影響的模型。Taylor 基本模（mó）型的等式是vc* Tm = CT，其中（zhōng）的 vC 代表切削速度，T 代表刀（dāo）具（jù）壽命，m 和 CT 是常量，CT 代表影（yǐng）響一（yī）分鍾刀具壽（shòu）命的切削速度。Taylor 還發現，刀具通常在開（kāi）始運行時時（shí）加速磨損，並在第二階段趨於穩定但慢慢（màn）增大，最終進入快速磨損的第三（sān）階段（也就是最終階段（duàn）），直到刀具壽命結（jié）束。他設計的模型展示了第（dì）二階段與第三階段之間的時間長度。

  
      
  
        HQ_ILL_Abrasive_Wear.jpg
 
 
        因此，Taylor 模型不適用於較低的切削速度，當切削（xuē）速度較低時，工件材料會粘附（fù）和積聚在切削刃上並（bìng）影響切削質量和損壞刀具。此外，在此模型範圍外的高切削速度足以產生化學磨損。低速和高速磨損模（mó）式（shì）具（jù）有一個共（gòng）同的特點，那就是不可預測性 - 粘附（fù）機製和化學機製會或快或慢地產生磨損。Taylor 模（mó）型立足於刀具壽命的第二階段，也（yě）就是穩定而且（qiě）可預測的磨蝕性磨損。
 

       最初的 Taylor 模型關注（zhù）切削速度的影響，在（zài）切削（xuē）深度和進給（gěi）量保持不變的情況（kuàng）下有效。確定（dìng）了切削深度和進給量之後，可以（yǐ）控製速（sù）度以改變刀具壽命。
  
    
         
  
         HQ_POS_ Wear-Related_Deterioration_Taylor_Model.jpg

      更多的實驗催生出了一（yī）個擴展的 Taylor 刀具壽命模型等式，該等式包含了更多的變量（liàng），因此也變得更加複雜：
  
 
 

     其（qí）中的 T= 以分（fèn）鍾為單位的刀具壽（shòu）命（mìng），vc 代表切削速度，h 代表（biǎo）切屑厚（hòu）度，b 代表切屑（xiè）寬度。該等式還包含了一個表示刀具前角的變量以及一些適用於各種工（gōng）件材料的（de）常量。拋開其他因素不談，此模型在一次（cì）更改一種切削條件時最準確。同時更改多種條件可能會產生（shēng）不一致的結果。
 
 
     最初的 Taylor 模型也無（wú）法充分說明（míng）切削刀具與（yǔ）工件之間的幾何關係。可以讓切削刃從直角方（fāng）向（垂直於進（jìn）給方向）或斜向（以相對於進給方向的前角）切削工件。此外，當切削刃的拐角（jiǎo）不參與切削時，切削刃將被視為“自（zì）由”切削，當刀具的（de）拐（guǎi）角參（cān）與工件的切削時，切削刃被視為“非自由（yóu）”切削。現代金屬切削應（yīng）用（yòng）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（jí）。Taylor 的擴展（zhǎn）等式增加了一個切削刃前角變量，但不允許刀具的拐角參（cān）與切削。

     
  
      HQ_ILL_Metal_Cutting_Process_Basic_Principle.jpg

      盡管是後見之明（míng），但（dàn）從當今金屬（shǔ）切削（xuē）技術水平和複（fù）雜程度（dù）的角度來（lái）看，Taylor 模型無疑存在著一些缺陷。即便如此，在其悠久的曆史中，Taylor 模（mó）型依然為刀具壽命預測（cè）打下（xià）了堅實的基礎，在某些條件下仍然（rán）能夠提供有效（xiào）的刀（dāo）具壽命數據。
 
 
     切屑厚度的角（jiǎo）色
 
 
     隨著工程師們對刀具壽命（mìng）模型不斷進行開（kāi）發和研究，一個事實變得明顯起來，那就是所產生的切屑厚度與刀具壽命密切相關。切屑厚度是在垂直於切削刃的方向（xiàng）和垂（chuí）直於（yú）切削方向的平麵中測量出的切削（xuē）深（shēn）度和進給量之間的一個函數。如果切削刃的角度是 90 （在美國是（shì） 0 主偏角），則切削深度和切屑寬度相同，進（jìn）給量和切屑厚度也相同。
 
 
     刀具拐角參與工件切削的程度增加了另一個用於確定切屑厚度的（de）變量。瑞典工程師 Ragnar Woxén 於（yú） 20 世紀60 年代開發出了一種用於（yú）說明刀具刀尖圓弧吃刀程度的方法。他提出了一個用（yòng）於計算車削加工中的等效切屑厚度的公式，該公式可計算出刀具刀尖的理論切屑厚度。這一成（chéng）果非常透徹（chè）地分析了刀尖圓弧，並能（néng）夠利用矩形來說明切屑麵積。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。
   
  
    
  
     HQ_ILL_Equivalent_Chip_Thickness_Woxen_Model.jpg
 
 
     Colding 模型
 
 
     瑞典教授 Bertil Colding 於（yú） 20 世紀 50 年代開發的一個（gè）刀（dāo）具壽命模（mó）型（xíng），此模型說明了刀具壽命（mìng）、切削速度與等效切屑厚度之間的關係，並考慮（lǜ）到切削工藝中的其（qí）他因素（sù）。這些因素包括刀具材（cái）料和形狀、溫度以及工件可加工性。使用此模型和它複雜的等式可以準（zhǔn）確地計算多種切削條件同時變（biàn）化時所（suǒ）產生的後果。
  
  
     
  
      HQ_ILL_Wear-Related_Deterioration_Colding_Model.jpg
 
   
      Colding 發現，更（gèng）改等效（xiào）切屑（xiè）厚度（進給量）會改變切削（xuē）速度與刀（dāo）具壽（shòu）命之間的關係。如果增（zēng）大等效切屑厚度，則必須降低切削速（sù）度以保持同樣（yàng）長的刀具壽命（mìng）。切屑（xiè）厚度越大，更改切削速度後所產生的影響也越大（dà）。
 
 
     另一方麵（miàn），如果減小等效（xiào）切屑厚度，刀具壽命將會延長（zhǎng），提高刀具速度後所產（chǎn）生的影響也會下降。進給量、切削深度、主（zhǔ）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。如果在恒定的切削速度下保持恒定的等效切（qiē）屑厚度，則無論切削深度、進給量和主偏角如何變化，刀具壽命都將保持（chí）不變。左（zuǒ）圖顯示了在 Taylor 模型的穩定磨蝕性磨損條件下進行加工時，等效（xiào）切屑厚度（由 he 表示）的變化與刀（dāo）具（jù）壽命 (T) 和切削速度 (vc) 之間的關係。右（yòu）圖中也顯示了這一直線關係。但由於 Colding 模型（xíng）考（kǎo）慮到了其他磨損因素，因此也用另外一條曲線（xiàn）顯示了（le）此模（mó）型的預測結果。

     
  
     HQ_ILL_Wear-Related_Deterioration_Colding_Model.jpg

     當加（jiā）工可產生穩定磨蝕性磨（mó）損的常規材料（例如鋼（gāng）材）時，該（gāi）曲線得出的估算值沒有太大價（jià）值。但在加工超級合金和（hé）鈦（tài）合金等容易應變硬化的材料時，此（cǐ）模型在 Taylor 範圍之（zhī）外的預測能力就（jiù）變得非常重要。這（zhè）是因為（wéi）當等效切屑厚度較小時（shí），刀具會切削（xuē）應變硬化（huà）的材料，因此會導致切削溫度上升並需要（yào）降低切削速度（dù）以（yǐ）降低溫度和（hé）保持刀具壽（shòu）命。
 
 
     但該曲線表明，在（zài）局部（bù）的切削範圍內，更大切屑厚度與更高切削速度的（de）組合或者更高生產率（lǜ）的切削條件可以延長刀具壽命。20 世紀 60 年代和 70 年代誕生了同時增大兩種切削參數和提高金屬切除率這一概念，這一突破性理念與當（dāng）時的經驗和直覺恰好相反。
 
 
     通過開發包含金屬切削工藝多（duō）種因素的模（mó）型（例如 Colding 模（mó）型）以及 Taylor 和 Archard 模型的概念，將理論和實際緊密結合在了一起。
 
 
     實際應用日益複雜的刀具壽（shòu）命模型時，需要對它們采用的多種因素執行計算機分析（xī）。在短（duǎn）時間內，可以（yǐ）手動計算出專門用於特定刀具、工件材料和切削條件的簡單模型（xíng）的結果。在某些（xiē）情況下（例如手工計算時），基本Taylor 模型可以在相對較短的（de）時間內得（dé）出結果。
 
 
     但（dàn）即使是（shì）擴展的 Taylor 模型也可能需要大（dà）量的手（shǒu）工計算時間，因此在生產環境中對 Colding 等式中的因素進行手工計算是不切實際的。為了充分利用這些高級模型的預測能力，製（zhì）造商們應使用計算機的計算程序（請參閱關於山高的 Suggest 的附注）。這些程序可以在幾（jǐ）秒鍾甚至更短的時間內對複雜等式進行求解並提供有（yǒu）用（yòng）的加工指導。不過，電子計算輔助工具依然要求機械師以審慎的態度進行思（sī）考，並將結果與自己在車間實（shí）際工作中獲得的常識和經驗進行比較。

 
     結論
 
   
     最後，刀具壽命建模（mó）並不是一種純學術追求；它可以幫助製造商提高生產率和控製成本。製造業重點考慮（lǜ）的是需要花費多少時間和成（chéng）本才能生產出特定（dìng）數量的合（hé）格工件。了解在（zài）需要更換刀具之前刀具能夠準（zhǔn）確（què）、高效地切削多長時間非常重要。工藝（yì）可靠（kào）性以及對刀具成本（běn）和停機時間進行的控製取決於是否能（néng）夠準（zhǔn）確地預測刀具壽命。模型還允許更改工藝以便最大限（xiàn）度提高速度、質量或可靠性。切削刀具壽命模型的進一（yī）步發展能夠幫（bāng）助製造商精密（mì）調整自己的工藝並實現自己的生產目標。

      附注

   
     計算機輔助（zhù）計算
 
 
     在（zài）生產環境中，所有（yǒu）的（de）機床操作員都希望知道切削刀具在出現磨損或失效之前（qián）還能堅持多久。但與此同時，他們還必須在刀具使用壽命內充分地應用刀具。刀具壽命建模已（yǐ）經從簡單地手工記錄個別運算的結果發展為運用（yòng）

   
     複雜的模型並以數學方式納入盡（jìn）可能多的切（qiē）削工藝變（biàn）量。

     少數幾個能夠快速完成的手工計算方式（shì）基本上能夠得出有價值的刀具壽命估算值。模型越複雜，所需的計算和時間就越多。最好（hǎo）的模型能夠提（tí）供與（yǔ）現實緊密契合的刀具壽命預（yù）測。但如果在實施複（fù）雜模型時進行計算所花費的時間不少於加工本身所花費的時間，它的經濟效益就（jiù）值得商榷了。因此，可以使用計算機的計算程序，它們能夠（gòu）快速和絕對準確地處理高級切削刀具壽命模型所涉及到的因素。
 
 
     其中一個示例是山高提供的 Suggest 在（zài）線資源。作為山高 My Pages 數字站點中（zhōng）的一個 Portlet，Suggest是一款免（miǎn）費的應用程序（xù），適用於 ioses® 或 androids® 平台的移動設備和具有網絡瀏覽器的計算（suàn）機。Suggest 利用山高 80 多年來積累的金屬加工經驗為新的作業提供切削刀具建議（yì）或為（wéi）重複性項目提供刀（dāo）具（jù）選擇方（fāng）案。這款應用程序匯集了數千種切削刀具產品和（hé）應用（yòng）程序的綜合數據，可以根據用戶的輸入提供完整的刀具建議。
 
 
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     全麵的資源有助於製定工藝規（guī）劃，而且便（biàn）於為特定的作（zuò）業（yè）找到高效且經濟實惠的（de）刀具和切削策略。應用成熟的技術能力和和工藝規劃技能，可以（yǐ）大大縮短整體的工藝規劃時間。
  
 

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