刀具磨损率的测定方法及刀具磨损预测模型的建立方法

摘要

本发明公开了一种刀具磨损率的测定方法及刀具磨损预测模型的建立方法，本发明通过将刀尖切削抽象成扩散偶样件进行高温高压实验，同时引入了温度和压力变量，较已有其它方法更接近切削的实际情况。对结果进行定量分析测试，基于测试结果建立的综合磨损预测模型，考虑了扩散与粘结磨损、磨粒磨损的耦合作用，在金属切削加工技术领域有着广阔的应用前景和深远的指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及刀具磨损领域，更具体涉及一种刀具磨损率的测定方法及刀具磨损预测模型的建立方法。

背景技术

高速切削是实现高效加工的途径之一，而高的切削温度和剧烈的刀具磨损是限制刀具切削速度的主要因素。通过研究高速切削刀具的磨损过程，剖析刀具的磨损机理，并建立更精确的刀具定量模型，有利于切削参数的合理选用，实现高效加工。在高速切削加工中，刀具磨损机理主要为粘结磨损、扩散磨损和磨粒磨损，不同磨损机理共同存在、相互影响。

对于扩散磨损主要关注工件/刀具元素的扩散程度，根据测试结果来判断扩散磨损的发生与剧烈程度。研究者认识到了扩散对材料基体性能的改变，但缺乏合适的评价指标，较少报道扩散对材料基体物理性能影响的定量研究。扩散磨损模型大多根据Fick第二扩散定律，计算扩散造成的材料迁移或损失，而没有考虑扩散对材料的改变造成的磨损率变化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何定量的确定刀具磨损率和预测磨损量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种刀具磨损率的测定方法，所述方法包括以下步骤：

S1、仿真切削过程的物理场，得到切削过程中刀具刀尖的温度场的分布以及对应的压力场的分布；

S2、制备扩散偶样件，其中所述扩散偶样件包括刀具模块以及工件模块，所述刀具模块和所述工具模块叠加设置；

S3、将所述扩散偶样件放置于真空环境中，并施加所述步骤S1中得到的所述温度场中的各个温度以及对应的压力，保温对应于所施加的温度和压力的预定时间后取出所述扩散偶样件；其中所述压力是所述压力场中的一个压力值；

S4、将所述扩散偶样件切割，通过切割面确定对应于不同温度、压力的扩散浓度以及扩散深度，确定所述扩散偶样件随温度、压力的扩散函数和扩散系数；

S5、将所述扩散偶样件进行分离，沿扩散界面分开，采用微粒喷浆冲蚀试验机测试得到在不同温度、压力、保温时间条件下磨损率沿扩散层深度方向的磨损率变化情况，确定刀具材料磨损率与元素浓度的关系函数。

优选地，所述步骤S1中利用切削仿真软件仿真过程的物理场。

优选地，所述步骤S2中的所述扩散偶样件的上表面以及下表面的平行度小于预定平行度值，所述扩散偶样件的扩散面的粗糙度小于预定粗糙度值，所述刀具模块的长度小于所述工件模块的长度，所述刀具模块的宽度小于所述工件模块的宽度，所述刀具模块的厚度大于所述工件模块的厚度。

优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、将所述扩散偶样件放入扩散焊试验机中，所述扩散偶样件的上表面和下表面均垫有陶瓷片；

S32、将所述扩散焊试验机中抽成真空状态，之后施加预定温度；其中，所述预定温度为所述温度场中的一个温度值；

S33、利用压头向所述扩散偶样件的上下表面施加预定压力；其中所述预定压力为与所述步骤S32中的所述预定温度对应的压力；

S34、保温保压预定时间；

S35、撤销压力、降低温度，之后取出所述扩散偶样件。优选地，所述步骤S4中采用能谱分析仪对所述切割面进行线扫描，确定各元素的所述扩散浓度以及扩散深度。

优选地，所述步骤S5中利用微粒喷浆冲蚀试验机对所述扩散层进行磨损率测试，在垂直与所述扩散界面进行微粒冲蚀试验，得到磨损率函数。

一种刀具磨损预测模型的建立方法，所述方法包括上述方法，并且所述方法还包括以下步骤：

S6、根据所述步骤S4得到的扩散浓度、扩散深度对应的温度以及对应的压力确定扩散函数中的系数，扩散函数式为：

$C(x,t)=\frac{C_0}{2\sqrt{\pi Dt}}{\int }_0^{\infty }{e}^{-\frac{{(\xi +x)}^2}{4Dt}}d\xi =C_0(1-erf\frac{x}{\sqrt{\pi Dt}}),(x>0)---\left(5\right)$

式中，C₀为初始浓度，D扩散系数，t为扩散时间，erf为误差函数，x为深度方向坐标，ξ为积分变量；

$D(N,T)=D_0\left(N\right)e^{-\frac{Q}{kT}}---\left(6\right)$

式中，D₀(N)为频率因子函数，N为法向压力，Q为扩散激活能，T为扩散温度，k为气体常数；

S7、对所述扩散层进行磨损率测试，得到刀具材料扩散深度方向的磨损率函数w_t(x)和工件材料的磨损率w_m；

S8、根据所述磨损率函数以及所述扩散函数分析磨损率与不同元素的扩散函数的相关性，选取主要影响元素，确定扩散层影响深度X对应的扩散浓度与原始浓度比值C_d，得到不同元素的扩散影响深度函数X_i(N,T,t)或主要影响元素的平均扩散影响深度函数

S9、根据某一主要影响元素的扩散影响深度函数X_i(N,T,t)或主要影响元素的平均扩散影响深度函数确定磨损模型为：

$\frac{dw}{dt}=A_1(\gamma ,\beta )·A_2·f\left(w_t\right(X_i),w_m,N)---\left(7\right)$

或

$\frac{dw}{dt}=A_1(\gamma ,\beta )·A_2·f\left(w_t\right(\bar{X}),w_m,N)---\left(8\right)$

式中，w为磨损量，A₁(γ,β)为刀具几何参数函数，γ为前角，β为刃倾角；w_t(X_i)为刀具的磨损率函数，为主要影响元素扩散的深度X_i(N,T,t)或平均元素扩散深度的函数。

优选地，所述步骤S7中采用微粒喷浆冲蚀试验机对所述扩散层进行磨损率测试，在垂直与所述扩散界面进行微粒冲蚀试验。

(三)有益效果

本发明提供了一种刀具磨损率的测定方法及刀具磨损预测模型的建立方法，本发明通过将刀尖切削抽象成扩散偶样件进行高温高压实验，同时引入了温度和压力变量，较已有其它方法更接近切削的实际情况。对结果进行定量分析测试，基于测试结果建立的综合磨损预测模型，考虑了扩散与粘结磨损、磨粒磨损的耦合作用，在金属切削加工技术领域有着广阔的应用前景和深远的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的刀具磨损率的测定方法的流程图；

图2坐标系示意图；

图3是本发明中扩散偶样件的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

一种刀具磨损率的测定方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、仿真切削过程的物理场，得到切削过程中刀具刀尖的温度场的分布以及对应的压力场的分布；此步骤中根据实际情况，设置相应的材料参数、刀具加工角度参数和切削参数等，针对相应的刀具/工件材料组合，运用切削仿真软件进行切削过程物理场仿真，仿真得到不同切削下刀尖的物理场(温度场、压力场)分布情况，根据物理场的分析结果确定高温高压扩散实验的温度和压力参数，即温度场的分布以及对应的压力场的分布；

S2、制备扩散偶样件，其中所述扩散偶样件包括刀具模块以及工件模块，所述刀具模块和所述工具模块叠加设置；

S3、将所述扩散偶样件放置于真空环境中，并施加所述步骤S1中得到的所述温度场中的各个温度以及对应的压力，保温对应于所施加的温度和压力的预定时间后取出所述扩散偶样件；其中所述压力是所述压力场中的一个压力值；

S4、将所述扩散偶样件切割，通过切割面确定对应于不同温度、压力的扩散浓度以及扩散深度，根据所述扩散浓度以及扩散深度确定刀具的扩散磨损程度；此步骤中优选地将扩散偶按一定规格尺寸切割，根据测试要求进行制样，采用能谱分析仪(EDS)测试扩散偶截面元素的扩散情况，沿垂直于扩散面的剖截面进行线扫描。设置坐标系如所示图2所示，扩散界面为x＝0，硬质合金一侧为x正向。测试得到各元素不同条件下(材料、温度、压力、保温时间等)的扩散浓度、扩散深度情况和变化规律。

本发明通过将刀尖切削抽象成扩散偶样件进行高温高压实验，同时引入了温度和压力变量，较已有其它方法更接近切削的实际情况。

进一步地，所述步骤S2中将刀具材料和工件材料采用切削加工或线切割制成一定尺寸、形状的样块，并进行打磨、抛光和清洗，使得所述扩散偶样件的上表面以及下表面的平行度小于预定平行度值，所述扩散偶样件的扩散面达到镜面效果，粗糙度小于预定粗糙度值，所述刀具模块的长度小于所述工件模块的长度，所述刀具模块的宽度小于所述工件模块的宽度，所述刀具模块的厚度大于所述工件模块的厚度。扩散偶的原理示意图如图3所示，1为工件模块，2为刀具模块，A、B均为局部放大图。从图中观可以看到扩散情况。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、将所述扩散偶样件放入扩散焊试验机中，所述扩散偶样件的上表面和下表面均垫有陶瓷片；

S32、将所述扩散焊试验机中抽成真空状态，之后施加预定温度；其中，所述预定温度为所述温度场中的一个温度值；

S33、利用压头向所述扩散偶样件的上下表面施加预定压力；其中所述预定压力为与所述步骤S32中的所述预定温度对应的压力；

S34、保温保压预定时间后取出所述扩散偶样件，具体地，保温完成后先卸载压力，往后降温，最后取出试件。根据切削过程物理场仿真结果，温度和压力在分布范围内取不同的水平，保温时间按指数取不同的水平。

进一步地，所述方法还包括以下步骤：

S5、利用微粒喷浆冲蚀试验机对所述扩散层进行磨损率测试，在垂直与所述扩散界面进行微粒冲蚀试验，得到刀具材料扩散深度方向的磨损率函数w_t(x)和工件材料的磨损率w_m；

本发明还公开了一种刀具磨损预测模型的建立方法，该方法包括上述刀具磨损率的测定方法，并且还包括以下步骤：

S6、根据所述步骤S4得到的扩散浓度、扩散深度对应的温度以及对应的压力确定扩散函数中的系数，扩散函数式为：

$C(x,t)=\frac{C_0}{2\sqrt{\pi Dt}}{\int }_0^{\infty }{e}^{-\frac{{(\xi +x)}^2}{4Dt}}d\xi =C_0(1-erf\frac{x}{\sqrt{\pi Dt}}),(x>0)---\left(9\right)$

式中，C₀为初始浓度，D扩散系数，t为扩散时间，erf为误差函数，x为深度方向坐标，ξ为积分变量；

$D(N,T)=D_0\left(N\right)e^{-\frac{Q}{kT}}---\left(10\right)$

式中，D₀(N)为频率因子函数，N为法向压力，Q为扩散激活能，T为扩散温度，k为气体常数；

S7、对所述扩散层进行磨损率测试，得到刀具材料扩散深度方向的磨损率函数w_t(x)和工件材料的磨损率w_m；

S8、根据所述磨损率函数以及所述扩散函数分析磨损率与不同元素的扩散函数的相关性，选取主要影响元素，确定扩散层影响深度X对应的扩散浓度与原始浓度比值C_d，得到不同元素的扩散影响深度函数X_i(N,T,t)或主要影响元素的平均扩散影响深度函数

S9、根据所述某一主要元素的扩散影响深度函数X_i(N,T,t)或主要影响元素的平均扩散影响深度函数确定磨损模型为：

$\frac{dw}{dt}=A_1(\gamma ,\beta )·A_2·f\left(w_t\right(X_i),w_m,N)---\left(11\right)$

或

$\frac{dw}{dt}=A_1(\gamma ,\beta )·A_2·f\left(w_t\right(\bar{X}),w_m,N)---\left(12\right)$

式中，w为磨损量，A₁(γ,β)为刀具几何参数函数，γ为前角，β为刃倾角；w_t(X_i)为刀具的磨损率函数，为主要影响元素扩散的深度X_i(N,T,t)或平均元素扩散深度的函数。

上世纪模型建立方法对结果进行定量分析测试，基于测试结果建立的综合磨损测定模型，考虑了扩散与粘结磨损、磨粒磨损的耦合作用，在金属切削加工技术领域有着广阔的应用前景和深远的指导意义。

下面通过一个具体的实施例对上述方法进行详细介绍。

本实施例以京瓷KW10硬质合金刀具高速车削TC4钛合金为例，该方法具体步骤如下：

步骤一：切削过程物理场仿真。针对相应的刀具/工件材料组合(如京瓷KW10硬质合金刀片和TC4钛合金)，运用切削仿真软件The ThirdWave AdvantEdge进行二维切削仿真。根据实际情况，设置相应的材料参数、刀具加工角度参数和切削参数等。本例中，刀片采用京瓷SNGA120408-KW10可转位车刀片，刀杆为株洲钻石CSRNR2525M12刀杆。根据刀具、工件材料设置相应的材料；设置切削加工前角为6°，加工后角为-6°；切削参数根据实际切削情况设置切削速度范围为100～160m/min，进给量范围为0.05～0.2mm/r，切削深度为1.5mm。在后处理中得到不同切削参数下刀尖的物理场(温度场、压力场)分布情况，根据物理场的分析结果确定高温高压扩散实验的温度和压力参数。本例中，得到前刀面切削区温度梯度分布范围为550～850℃，压力分布范围为200～800MPa。

步骤二：扩散偶样件制备。

将刀具材料和工件材料采用切削加工或线切割制成块状，尺寸、形状根据实际情况选取，要求样件上下表面平行度小于0.05mm，钛合金块长度、宽度要大于硬质合金块，厚度则小于硬质合金块。将样块扩散实验平面进行打磨、抛光和清洗，达到镜面效果，平面粗糙度小于0.05μm。

步骤三：高温高压扩散实验。

将刀具/工件材料样块的抛光面相贴合，很成扩散偶样件。将扩散偶放入扩散焊试验机中，上下均用陶瓷片垫着。安装完成后，先抽真空至1×10-2Mpa以下，然后将加热炉升温至预定温度，升温完成后压头向下施加预定夹紧压力，并保温一定时间。保温完成后先卸载压力，往后降温，最后取出试件。根据切削过程物理场仿真结果，温度和压力在分布范围内取4个水平，保温时间则在e¹～e⁵min范围内取五个水平。

步骤四：元素扩散情况测试

将扩散偶按一定规格尺寸切割，根据测试要求进行制样。采用能谱分析仪(EDS)测试扩散偶截面元素的扩散情况，沿垂直于扩散面的剖截面进行线扫描。设扩散界面为x＝0，硬质合金一侧为x正向，得到各元素不同条件下(材料、温度、压力、保温时间等)的扩散浓度、扩散深度情况和变化规律。将实验值测量值拟合元素的扩散函数C_i(x,t)，得到各元素的扩散系数D_i(T)和扩散深度X_i(N,T,t)。扩散函数和扩散系数公式分别为:

$C(x,t)=\frac{C_0}{2\sqrt{\pi Dt}}{\int }_0^{\infty }{e}^{-\frac{{(\xi +x)}^2}{4Dt}}d\xi =C_0(1-erf\frac{x}{\sqrt{\pi Dt}}),(x>0)---\left(13\right)$

式中:C₀为初始浓度，D扩散系数，t为扩散时间，erf为误差函数，x为深度方向坐标，ξ为积分变量；。

$D(N,T)=D_0\left(N\right)e^{-\frac{Q}{kT}}---\left(14\right)$

式中：D₀(N)为频率因子函数，N为法向压力，Q为扩散激活能，T为扩散温度，k为气体常数。

步骤五：材料扩散层磨损率测试。

耐磨性测试。根据测试要求进行制样，采用微粒喷浆冲蚀试验机(MSE试验机)对扩散偶扩散层区域进行磨损率测试，垂直于扩散界面进行微粒冲蚀试验，得到不同条件下(材料、温度、压力、保温时间等)扩散层的磨损率变化情况和影响规律。分别得到刀具、工件材料对应的磨损率函数w_t(x)和w_m。

本实施例的刀具磨损预测模型的建立方法的具体步骤如下：

分析磨损率与不同元素的C_i(x,t)的相关性，选出主要影响因子。本例中，选择全部元素的平均扩散影响深度函数作为参考函数。因而，得到的磨损模型公式为：

$\frac{dw}{dt}=A_1(\gamma ,\beta )·A_2·f\left(w_t\right(\bar{X}),w_m,N)---\left(15\right)$

式中：w为磨损量，C₁(α,γ)为刀具几何参数函数，γ为前角，β为刃倾角；A₂为标定系数；为刀具材料的磨损率函数，为元素平均扩散深度的函数。

本实施例将扩散偶在真空、高压条件下进行一定时间的加热、保温，模拟刀具切屑区状态。对扩散偶进行能谱分析测试，得到不同条件下(材料、温度、压力、保温时间)元素的扩散情况和扩散系数；对扩散偶进行显微硬度、磨损率和剪切强度定量分析测试，得到不同条件(材料、温度、压力、保温时间)下扩散对基体物理性能的影响情况和规律。一种高速切削刀具磨损模型，它根据测试得到的结果，将扩散深度作为磨损率函数的变量，建立了考虑扩散与粘结磨损、磨粒磨损耦合作用的综合磨损模型。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。