切削加工刀具磨損及其預(yù)測建模技術(shù)研究進(jìn)展*

王建肖，陳光軍，趙理想，軒文濤，于志威

（1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；2. 天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222）

在切削加工過程中，刀具與工件、切屑相互擠壓摩擦運動，刀具磨損無法避免。刀具的磨損會對切削過程中切削力、切削溫度以及工件加工質(zhì)量造成不良影響，如切削力增大、切削溫度升高、工件加工質(zhì)量降低等，其中增大的切削力和切削溫度又會反作用到刀具磨損上，加快其磨損速率，周而復(fù)始，直至刀具被更換。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)α慵庸べ|(zhì)量的要求也越來越高，如核聚變反應(yīng)堆所需的高表面質(zhì)量鎢[1]，航空航天中所需的高質(zhì)量鈦合金零件等。在切削過程中減小刀具的磨損能夠更好地保障零件加工質(zhì)量，因此，開展刀具磨損及其預(yù)測建模技術(shù)方面的研究，對機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

近年來，學(xué)者們進(jìn)行了許多刀具磨損相關(guān)的試驗研究，本文主要針對近年來切削刀具磨損及其預(yù)測建模技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，重點闡述了刀具磨損的機(jī)理、切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和形狀、刀具和工件材料特性及加工方法對刀具磨損影響規(guī)律，總結(jié)了刀具磨損預(yù)測建模方法和形式，并指出刀具磨損研究未來的發(fā)展趨勢。

1 刀具磨損機(jī)理

刀具磨損是切削加工過程中造成刀具失效的主要原因之一。為了了解造成刀具磨損的原因，學(xué)者們針對刀具磨損進(jìn)行了大量的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在切削過程中刀具磨損的形成不是一種磨損形式造成的，而是多種磨損形式共同存在、共同作用，常見的刀具磨損機(jī)理主要包括磨粒磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損及氧化磨損[2–5]。

1.1 磨粒磨損

磨粒磨損主要是由于刀具在切削過程中與工件相互擠壓摩擦產(chǎn)生的微小硬質(zhì)顆粒劃過刀具表面，導(dǎo)致刀具表層材料流失。駱傳躍等[6]通過鐵基高溫合金GH2132陶瓷刀具切削試驗，發(fā)現(xiàn)在陶瓷刀具后刀面上出現(xiàn)了多種刀具磨損的表現(xiàn)形式，如圖1所示，其中磨粒磨損的表現(xiàn)形式是刀具表面上的劃痕，其產(chǎn)生的主要原因是在切削過程中，工件材料組織中存在的一些氮化物、碳化物等硬質(zhì)顆粒脫落，劃傷刀具表面形成的。

圖1 刀具后刀面磨損形貌[6]Fig.1 Wear morphology of tool flank surface[6]

Kong等[7]在進(jìn)行激光輔助加工研究時，使用激光輔助或不使用激光輔助切削微晶合金時，切削過程中均會產(chǎn)生硬顆粒，硬顆粒會相對于工件的運動方向沿著刀具后刀面刮傷刀具表面，在刀具表面上留下可以觀察到的劃痕。Nayak等[8]進(jìn)行了刀具材料性能和不同切削條件對AISI D6鋼硬車削加工性能的影響試驗，通過掃描電鏡在磨損區(qū)域觀察到硬質(zhì)合金顆粒團(tuán)，包括碳化硅（SiC）、碳化鉻 （Cr7C3）等顆粒，這些顆粒會形成一個兩體磨損系統(tǒng)，造成刀具表面摩擦劃痕，同時刀具中高硬度CBN晶粒會在高切削力作用下被拔出，進(jìn)一步加劇刀具的磨粒磨損。

綜上所述，磨粒磨損具體的表現(xiàn)形式為在切削加工中，刀具與工件、切屑相互擠壓摩擦運動產(chǎn)生的硬顆粒會形成一個新的磨損系統(tǒng)，在新的磨損系統(tǒng)中，硬顆粒會充當(dāng)小型刀具切削刀具表面，形成可觀察到的劃痕，最終造成刀具材料流失。

1.2 粘結(jié)磨損

粘結(jié)磨損主要是刀具與工件在足夠的壓力與摩擦作用下，刀具與工件、切屑之間通過表面原子相互吸附形成粘結(jié)點，刀具一方形成的粘結(jié)點破裂后被另一方帶走的現(xiàn)象。何光春[9]通過超硬刀具PCBN高速車削硬態(tài)AISIH13試驗發(fā)現(xiàn)，前刀面微觀結(jié)構(gòu)可分成3個區(qū)，如圖2所示。第1區(qū)為初始刀具前刀面，不與切屑進(jìn)行接觸，僅受到切削熱的影響；第2區(qū)受切屑摩擦和切削熱的作用，工件與刀具之間發(fā)生輕微粘結(jié)，出現(xiàn)細(xì)微的凹凸不平狀；第3區(qū)在切屑高強度擠壓摩擦作用下，該區(qū)域被壓實成塊，高低不平，在高速運動的切屑作用下，被粘接成塊狀脫落，造成刀具前刀具磨損，通過EDS圖可以發(fā)現(xiàn)在磨損區(qū)還伴隨著氧化磨損。

圖2 PCBN 刀具前刀面磨損微觀結(jié)構(gòu)和EDS[9]Fig.2 PCBN tool front face wear microstructure and EDS[9]

劉超等[10]進(jìn)行了高溫合金切削試驗，發(fā)現(xiàn)隨著切削過程的不斷進(jìn)行，由于鐵基高溫合金自身的黏性，工件與刀具前后刀面更易產(chǎn)生相互粘結(jié)，使刀具中的某些成分被切屑或工件帶走，造成前后刀面材料的流失。Liang等[11]基于刀具磨損試驗，發(fā)現(xiàn)在熱機(jī)械載荷作用下，刀具和工件之間會形成一系列粘結(jié)鈦層，在熱機(jī)械應(yīng)力和強烈沖擊下，附著在刀具材料上的粘結(jié)鈦層斷裂，造成刀具材料的流失。Vilches等[12]在研究刀具磨損對干車削UNS A97075合金試樣幾種形狀偏差的影響時，發(fā)現(xiàn)在熱機(jī)械效應(yīng)作用下，高塑性合金材料與刀具邊緣之間會相互粘連，該粘連不穩(wěn)定，當(dāng)粘附層增長到一個臨界厚度時，會從切削刃上脫落，造成刀具磨損。

綜上所述，粘結(jié)磨損是在足夠的壓力與摩擦作用下形成的一種磨損形式，在高速切削過程和低速切削過程中均存在。與低速切削相比，高速切削的切削溫度上升的速度和高度均會提高，且氧化反應(yīng)更易出現(xiàn)，對粘結(jié)磨損的產(chǎn)生有一定抑制作用。

1.3 擴(kuò)散磨損

擴(kuò)散磨損是在高切削溫度作用下，刀具與工件、切屑之間緊密接觸，刀具與工件、切屑表面材料中各元素產(chǎn)生相互擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，且元素的擴(kuò)散能力受溫度影響。An等[13]進(jìn)行了Ti（C，N）+ Al2O3+TiN多層涂層刀具銑削Ti – 6242S鈦合金試驗，發(fā)現(xiàn)在刀具前刀面上存在擴(kuò)散磨損，如圖3所示，可以看出，該刀具前刀面磨損較為均勻；由A區(qū)和B區(qū)的EDS圖可見，A區(qū)元素為C、O、Al和Ti，說明A區(qū)的Ti（C，N）+ Al2O3+TiN表面涂層變?yōu)門i（C，N）+Al2O3；B區(qū)出現(xiàn)N元素，說明B區(qū)表面涂層磨損，底層涂層參與銑削。此外，在A區(qū)和B區(qū)分別出現(xiàn)了Fe元素、Sn元素，說明Ti–6242S鈦合金中的元素擴(kuò)散到了刀具中，擴(kuò)散進(jìn)入的元素破壞刀具涂層的晶粒結(jié)構(gòu)，降低涂層的耐磨性。

圖3 Ti（C，N）+Al2O3+TiN涂層刀具銑削Ti–6242S時刀具磨損的SEM和EDS分析[13]Fig.3 SEM and EDS analysis of tool wear for Ti(C, N) + Al2O3 + TiN coated tool when milling Ti–6242S[13]

有學(xué)者基于擴(kuò)散磨損研究了溫度對元素擴(kuò)散的影響，李剛等[14]采用硬質(zhì)合金涂層刀具和42CrMo鋼進(jìn)行元素擴(kuò)散試驗，發(fā)現(xiàn)元素的擴(kuò)散距離與溫度呈正相關(guān)。胡小龍等[15]針對擴(kuò)散磨損分析了不同溫度下CBN在Al、Fe、Ni元素中的溶解度，在高溫條件下，Ni元素的溶解度略大于Al元素，遠(yuǎn)大于Fe元素。

綜上所述，擴(kuò)散磨損的表現(xiàn)形式是工件、切屑與刀具材料之間的微觀元素相互轉(zhuǎn)移，改變刀具材料原成分與結(jié)構(gòu)，使刀具表層變得脆弱。當(dāng)切削溫度增加時，刀具中部分元素擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的能力也會提高。刀具擴(kuò)散磨損形式往往發(fā)生在切削加工后期，隨著切削的進(jìn)行，切削溫度會逐漸升高，使元素擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的能力提高，切削速度越大，擴(kuò)散磨損發(fā)生的概率越高。

1.4 氧化磨損

氧化磨損是在高溫條件下，刀具中的某些元素與空氣中O元素反應(yīng)，導(dǎo)致刀具發(fā)生磨損的現(xiàn)象。陳躍威等[16]通過切削鎳合金刀具磨損機(jī)理試驗，檢測了刀具前刀面磨損區(qū)域的O元素，檢測點從圖4中白線的右下方運動到左上方 （從刀具內(nèi)部向刀具主切削刃邊緣），發(fā)現(xiàn)在刀具與切屑的分離處，存在較高含量的O元素，原因是刀具和工件被裸露在空氣中，并在切削熱作用下產(chǎn)生氧化反應(yīng)并生成了氧化物，這些氧化物會使刀具中各元素相互粘結(jié)的效果被削弱，最終加劇刀具的磨損。

圖4 刀具前刀面磨損情況及O元素線掃描曲線[16]Fig.4 Wear condition of tool front face and scanning curve of O element line[16]

Bushlya等[17]研究了氧氣對切削過程中刀具磨損的影響，刀具在較低切削速度下進(jìn)行硬態(tài)切削時，前刀面會產(chǎn)生相同的月牙洼磨損，在vc= 200 m/min條件下，前刀面上凹坑磨損明顯加劇，在磨損坑中檢測到Al2O3，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是高切削速度 （切削熱）下，氧化磨損受熱力作用被激活。

綜上所述，氧化磨損與切削溫度密切相關(guān)，在切削過程中，當(dāng)切削溫度達(dá)到一定值時，裸露在空氣中的刀具會發(fā)生氧化反應(yīng)，使刀具中各元素相互粘結(jié)的效果削弱。高切削速度對氧化磨損具有促進(jìn)作用，主要是隨著切削速度的增加，切削溫度的上升速度和切屑流動速度加快，二者共同作用，促進(jìn)了氧化反應(yīng)發(fā)生。

2 影響刀具磨損的因素

刀具磨損和刀具壽命作為衡量機(jī)械加工性能的重要指標(biāo)，刀具磨損速率的大小不僅決定著刀具的使用壽命，也影響著工件加工質(zhì)量和加工效率。學(xué)者們通過探究切削加工中各因素對刀具磨損的影響規(guī)律，可以為生產(chǎn)實踐中減小刀具磨損提供理論指導(dǎo)。研究表明，切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和形狀、刀具和工件材料特性、加工方法等均是影響刀具磨損的因素[18–20]。

2.1 切削參數(shù)

學(xué)者們探究不同切削參數(shù)對刀具磨損影響的規(guī)律。呂娜[21]的研究表明，刀具的磨損長度隨車削速度增大而增大，隨車削深度增大而減小，隨進(jìn)給量增大先減小后增大，如圖5所示。刀具磨損程度隨著車削速度、車削深度和進(jìn)給量的增加而增加[22]，切削速率對刀具磨損影響最大，進(jìn)給速率次之，切削深度的影響較小[23–25]。

圖5 切削參數(shù)對刀具磨損長度的影響[21]Fig.5 Effect of cutting parameters on tool wea length[21]

Rakesh等[26]進(jìn)行涂層WC刀具加工Inconel 718試驗，當(dāng)進(jìn)給量f= 0.1 mm/r，切深d= 0.4 mm時，觀察不同切削速度V下刀具的磨損形貌圖，如圖6所示，刀具的缺口磨損與后刀面磨損共存，與缺口磨損長度相比，后刀面磨損寬度相對較小，隨著切削速度的增加，缺口磨損長度會逐漸減小，當(dāng)后刀面磨損在切削速度為100 m/min時達(dá)到最大。

圖6 不同切削速度下觀察到的后刀面磨損和缺口磨損圖（f = 0.1 mm/r、d = 0.4 mm）[26]Fig.6 Flank wear and notched wear observed at diffeent cutting speeds ( f = 0.1 mm/r, d = 0.4 mm)[26]

切削三要素對刀具磨損機(jī)理也有影響，Yang等[27]進(jìn)行了金屬陶瓷刀具干切削淬硬鋼后刀面磨損試驗，發(fā)現(xiàn)后刀面磨損同時存在磨粒磨損、粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損，隨著切削速度或切削深度的增大，擴(kuò)散磨損對后刀面的磨損影響更大；隨著進(jìn)給速度的增加，磨粒磨損和粘結(jié)磨損是后刀磨損的主要形式。

綜上所述，切削三要素會影響刀具磨損程度和刀具磨損機(jī)理，可以通過適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣?、切削深度和進(jìn)給量來減小刀具磨損，提高刀具壽命，尤其是對切削速度的控制。

2.2 刀具幾何參數(shù)和形狀

針對刀具幾何參數(shù)對刀具磨損的影響，Kumar等[28]進(jìn)行了不同刀具圓弧半徑條件下硬車削加工刀具磨損試驗，發(fā)現(xiàn)刀具磨損量隨著刀具前端半徑的增加而減小。左宇辰等[29]采用不同刀具幾何參數(shù)陶瓷刀具進(jìn)行了車削氧化鋯試驗，發(fā)現(xiàn)刀具體積磨損量Vtip與刀具幾何參數(shù)之間的關(guān)系，如圖7所示，隨著刀尖圓弧半徑r增大，刀具體積磨損量呈逐漸下降趨勢；隨著后角α0增大，刀具體積磨損量先急劇下降后緩慢上升；隨著前角γ0增大，刀具體積磨損量先緩慢下降后急劇上升。前、后角對刀具體積磨損量的影響相對要高于刀具圓弧半徑。

圖7 不同刀具參數(shù)與刀具體積磨損量之間關(guān)系[29]Fig.7 Relationship between diffeent tool parameters and tool volume wear[29]

切削刃作為刀具幾何形狀之一，對刀具磨損也有一定影響， Ventura等[30]采用不同形狀切削刃 （邊緣鋒利、單倒角、不對稱圓）的CBN刀具進(jìn)行了硬車削試驗，發(fā)現(xiàn)對于刀具后刀面磨損，單倒角切削刃是最優(yōu)的，因為其在不過度增加機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷倒角情況下增強了切削刃。刀具切削刃的具體幾何形狀如圖8所示，其中，hm為恒定平均切削厚度；k為形狀系數(shù)。

圖8 不同邊緣幾何形狀的刀具–工件接觸條件[30]Fig.8 Tool–workpiece contact conditions with diffeent edge geometry[30]

Chen等[31]將可變倒角刃和固定倒角刃兩種PCBN刀具的磨損形貌和磨損機(jī)理進(jìn)行對比，與固定倒角刃口刀具相比，可變倒角刀具具有更好的切削性能，其中刀具前刀面的磨損為較淺的大面積凹坑磨損，磨損區(qū)域遠(yuǎn)離切削刃，刀具后刀面磨損面積寬度較小，且能夠減緩前刀面上磨損向切削刃方向的延伸。李素燕[32]設(shè)計了近余弦、近正弦等不同類型的強化刃刀具，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，與定值倒棱刀具相比，強化刃刀具存在刃形保持和刃形改變兩個階段，使得刀具更加抗磨，延長了刀具壽命。

綜上所述，刀具體積磨損量隨前角增大呈現(xiàn)先緩慢下降后急劇上升趨勢，隨后角增大呈現(xiàn)先急劇下降后緩慢上升趨勢，隨刀具圓弧半徑增大呈現(xiàn)下降趨勢，且前，后角對刀具體積磨損量影響要大于刀具圓弧半徑。對于立方氮化硼刀具，不同形狀的切削刃對刀具磨損影響效果也不相同，與多倒角刃相比，單倒角刃的切削效果更好；與固定倒角刃相比，可變倒角刃能夠減緩切削刃磨損。

2.3 刀具和工件的材料特性

刀具和工件材料特性作為影響刀具磨損的最根本因素之一，在機(jī)械切削過程中，不同的刀具 （不同材料刀具、表面涂層刀具）在切削相同材質(zhì)工件時，由于自身材質(zhì)特性的不同，受磨損的程度也不相同。Olsson等[33]針對11種不同的刀具材料（涂層和未涂層硬質(zhì)合金、PCBN和PCD等）進(jìn)行了高純鎢縱向車削試驗，發(fā)現(xiàn)僅有PCD、PVD涂層硬質(zhì)合金兩種刀具具有足夠的切削性能，硬質(zhì)合金刀具主要機(jī)制是WC晶粒的氧化和開裂以及WC和Co的擴(kuò)散溶解，而PCD刀具主要機(jī)制是磨損和擴(kuò)散溶解。Ramana[34]和Kumar[35]等采用未涂層刀具和涂層刀具分別進(jìn)行切削加工鐵基鎳合金和Al–SiCp金屬基納米復(fù)合材料試驗，發(fā)現(xiàn)與未涂層刀具相比，具有涂層的刀具在切削過程中刀具磨損較小，原因是涂層能夠承受加工過程中的高溫。

針對工件材料特性對刀具磨損的影響，Gassner等[36]采用3種不同的鋼制件材料 （42CrMo4、Ck60和100Cr6）進(jìn)行了CVD TiCN/α–Al2O3涂層硬質(zhì)合金切削刀片的車削試驗，車削不同的工件材料會導(dǎo)致刀具前刀面、刀尖圓弧和后刀面上的磨損程度不相同，如圖9所示。

圖9 不同工件材料以150 m/min的速度車削22 min后磨損切削刀片的光學(xué)顯微照片[36]Fig.9 Light optical micrographs of the worn cutting inserts after 22 min of turning at speed of 150 m/min for the diffeent workpiece materials[36]

呂釗等[37]使用AdvantEdge 仿真軟件對40HRC、45HRC、50HRC、55HRC、60HRC 5種不同硬度工件進(jìn)行PCBN刀具切削仿真試驗，研究表明，當(dāng)工件硬度達(dá)到55HRC時，刀具前刀面切削壓力與切削溫度達(dá)到了一個最大值，根據(jù)刀具磨損形式 （主要因素是溫度和壓力）推斷出加工55HRC工件時刀具磨損量最大。

綜上所述，高硬度材料刀具和涂層刀具在加工難加工材料時具有更好的優(yōu)勢，與未涂層刀具相比，涂層刀具在切削工件時的刀具磨損較小。不同材料的工件對刀具磨損的影響也存在差異性，一定條件下，隨著工件材料硬度的增強，刀具磨損會增加，且刀具磨損量存在一個臨界值。

2.4 加工方法

在切削過程中，優(yōu)異的加工方法可以降低刀具磨損程度，從而提高加工效率、加工質(zhì)量及刀具壽命。為了降低刀具磨損，學(xué)者們提出了多種特殊加工方法，并進(jìn)行了試驗驗證。Xu等[38]進(jìn)行了激光輔助微細(xì)加工和常規(guī)微細(xì)加工試驗，結(jié)果表明二者刀具后刀面磨損均為粘結(jié)磨損，在激光輔助微細(xì)加工中，適當(dāng)增加激光功率可以有效地抑制刀具的磨損。Fan等[39]采用水蒸氣+風(fēng)冷潤滑方法進(jìn)行硬質(zhì)合金刀具加工Inconel 718合金試驗，發(fā)現(xiàn)水蒸氣+空氣法可以提高化學(xué)反應(yīng)速率，與干切削相比，水蒸氣+風(fēng)冷潤滑切削條件下，刀具磨損主要是由于W和Co元素的弱氧化反應(yīng)所致，而不是粘著磨損和磨粒磨損，水蒸氣供應(yīng)系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 水蒸氣供應(yīng)系統(tǒng)示意圖[39]Fig.10 Schematic diagram of water vapor supply system[39]

Tamil等[40]采用后刀面高壓冷卻輔助法進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削Inconel 718試驗，發(fā)現(xiàn)后刀面高壓冷卻法可降低刀具磨損，提高加工性能。Maruda等[41]通過采用不同冷卻方法 （MQCL：低溫微量潤滑技術(shù)；MQCL+EP/AW：加入磷酸酯的低溫微量潤滑技術(shù)）進(jìn)行硬質(zhì)合金刀具車削AISI 1045鋼試驗，發(fā)現(xiàn)采用MQCL+EP/AW方法進(jìn)行切削時，刀具表面會形成一層以磷酸酯為基礎(chǔ)的薄摩擦膜，減少刀具磨損，在高切削速度（vc=450 m/min）下，MQCL（VBmax=1.71 mm）與MQCL+EP/AW（VBmax=1.12 mm）之間刀具磨損差異很大；采用MQCL+EP/AW冷卻法進(jìn)行切削時，低切削速度 （vc= 250 m/min）下的刀具磨損量比干切削減少20%，高切削速度下的刀具磨損量比干切削減少51%，如圖11所示。

圖11 不同切削速度和工作時間下后刀面磨損帶的最大寬度VBmax[41]Fig.11 Maximum width VBmax of flank wear band at diffeent cutting speeds and working time[41]

Dehghani等[42]提出了一種新型磁輔助車削機(jī)構(gòu)，試驗研究表明，采用該方法進(jìn)行切削刀具后刀面磨損減少94%，切削力提高66%。超聲振動輔助切削加工作為一種特殊加工方式，現(xiàn)階段備受學(xué)者們的青睞，與傳統(tǒng)加工方法相比，超聲輔助切削可以減少刀具磨損，提高刀具的使用壽命，保障高質(zhì)量的加工表面[43–44]。在切削過程中通過引入超聲振動來降低刀具磨損，刀具在振動的每個周期中與工件的接觸時間大大縮短，減少了刀具的磨損[45]。

以上分析發(fā)現(xiàn)，使用激光輔助加工、水蒸氣+風(fēng)冷潤滑、高壓冷卻、MQCL+EP/AW冷卻和超聲振動輔助加工等一系列特殊加工方法可以降低刀具磨損，提高刀具壽命。采用激光輔助加工方法進(jìn)行切削時，需要把控好激光功率，防止功率過大導(dǎo)致刀具過熱，加重刀具的磨損。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，上述方法僅適用于小批量精密切削。

3 刀具磨損的預(yù)測建模技術(shù)

刀具磨損是機(jī)械加工過程中無法避免的一種現(xiàn)象，其最主要形式是前刀面磨損和后刀面磨損，刀具前后刀面的磨損會對零件加工質(zhì)量和加工精度造成不良影響。零件加工表面粗糙度會隨著刀具后刀面磨損量的變化呈現(xiàn)起伏，變化幅度隨后刀面磨損量的增大而增加；而刀具前刀面磨損會導(dǎo)致刀具刃口強度降低、影響切屑的流向和折斷情況[46]，從而影響零件加工質(zhì)量。深入研究刀具磨損預(yù)測模型構(gòu)建，對機(jī)械加工制造業(yè)具有重要意義。

早期刀具磨損預(yù)測模型，主要是通過考慮單一刀具磨損機(jī)理構(gòu)建預(yù)測模型。Usui等[47]構(gòu)建了粘結(jié)磨損方程。Rabinowicz等[48]通過考慮磨粒磨損構(gòu)建了三維刀具磨損速率模型。Hua等[49]建立了一種基于熱擴(kuò)散理論的月牙洼磨損率預(yù)測模型。Chen等[50]在分析了切削加工過程中刀具和切屑接觸區(qū)各元素擴(kuò)散轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上，利用菲克第二定律的高斯解建立了刀具中元素擴(kuò)散的理論模型。刀具的磨損不是單一磨損機(jī)制造成的，而是多種磨損機(jī)制共同作用，僅考慮一種刀具磨損機(jī)理條件下構(gòu)建的預(yù)測模型具有一定的片面性，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性相對較低。因此，在建立刀具磨損預(yù)測模型時，需要時刻考慮多種磨損機(jī)理的影響，保證構(gòu)建的刀具磨損預(yù)測模型精度能達(dá)到最優(yōu)值。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，刀具磨損預(yù)測技術(shù)變得更加多樣化，如機(jī)理分析建模方法、統(tǒng)計建模方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測方法等。

3.1 機(jī)理分析建模的方法

目前，針對刀具前后刀面磨損預(yù)測模型構(gòu)建，機(jī)理分析建模的方法依然受到廣大學(xué)者們的青睞。關(guān)于刀具前刀面磨損預(yù)測模型，岳彩旭等[46]在考慮磨粒磨損、粘結(jié)磨損與擴(kuò)散磨損機(jī)理條件下，構(gòu)建了復(fù)合型前刀面月牙洼磨損深度預(yù)測模型，并得到月牙洼磨損輪廓曲線，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了刀具前刀面磨損體積預(yù)測模型，經(jīng)檢驗，發(fā)現(xiàn)檢驗結(jié)果與預(yù)測模型所得結(jié)果的最大預(yù)測誤差值小于10%，前刀面磨損體積預(yù)測模型為

式中，ls為月牙洼磨損帶長度；KB為月牙洼磨損寬度；KT（x，t）為t時刻距前刀面刀尖x位置處月牙洼磨損深度；lc為刀–屑接觸長度；Q為激活能；Tq（x）為前刀面上任意點的溫度；σn為法向接觸應(yīng)力；vc為切屑速度；C0為擴(kuò)散物質(zhì)的濃度；R1為氣體常數(shù)；ρt為刀具材料密度；D0為方程式系數(shù)，取1.9 mm2/s；N1常數(shù)取0.0004；N2常數(shù)取7000；M為磨粒磨損常數(shù)；SC為月牙洼磨損的截面面積；Vc為刀具月牙洼磨損體積。

關(guān)于刀具后刀面磨損預(yù)測模型，Hao等[51]采用PVD涂層硬質(zhì)合金刀具對Inconel 718進(jìn)行刀具磨損機(jī)理切削試驗，在磨損機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)磨損分層理論構(gòu)建了后刀面磨損模型。Chetan等[52]進(jìn)行了PVD TiAlN涂層碳化鎢刀具切削Ti6Al4V試驗，建立了切削速度、加工時間等因素關(guān)于刀具后刀面磨損的數(shù)學(xué)關(guān)系式，經(jīng)試驗檢驗，發(fā)現(xiàn)二者的值趨勢一致。Farahnakian等[53]通過考慮材料硬度、推力降低、多層涂層硬質(zhì)合金刀具對刀具后刀面磨損的影響等因素，進(jìn)行公式推導(dǎo)構(gòu)建了以磨粒、粘附和擴(kuò)散磨損模型為基礎(chǔ)的后刀面總和磨損預(yù)測模型，刀具后刀面磨損預(yù)測模型為

式中，K為常數(shù) （取決于刀具和磨料硬度的比率）；Kab為磨料磨損常數(shù)；Kdiff為擴(kuò)散磨損常數(shù)；VB為后刀面磨損長度；Vc為切削速度；Pa為磨粒硬度；Pt為刀具涂層硬度；Tf是刀具后刀面與工件界面溫度；R為合成的切削力；αf為凈空角；γ為前角；σf為刀具/工件界面應(yīng)力；rn為刀尖圓弧半徑；Q為擴(kuò)散激活能；n為Johnson – Cook本構(gòu)方程常數(shù)；a2為硬度常數(shù)。

Zhang等[54]在對切削力進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上，估算了車削過程中的切削能耗，并考慮切削速度的影響進(jìn)行公式推導(dǎo)，建立了切削能耗和切削速度關(guān)于刀具后刀面磨損預(yù)測模型，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證，該模型預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

以上研究發(fā)現(xiàn)，在考慮多種磨損機(jī)理影響條件下，采用機(jī)理分析建模方法構(gòu)建的刀具磨損預(yù)測模型，其預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果之間存在的誤差較小。同時該建模方法能夠更好地從本質(zhì)上揭露出切削過程中刀具磨損的機(jī)理，為刀具磨損的研究提供更好的理論建模指導(dǎo)，但由于需要具備深入的磨損機(jī)理相關(guān)知識，增大了建模的難度。

3.2 統(tǒng)計建模的方法

統(tǒng)計建模作為目前常用的建立刀具磨損預(yù)測模型方法之一，通過建立多個量影響某個量的數(shù)學(xué)模型。關(guān)于采用統(tǒng)計建模方法建立刀具前刀面磨損預(yù)測模型的研究，畢雪峰等[55]通過進(jìn)行硬質(zhì)合金刀具車削低碳鋼試驗獲取刀面月牙洼磨損輪廓數(shù)據(jù)，基于Usui模型與Arrhenius法則構(gòu)建前刀面月牙洼復(fù)合磨損預(yù)測模型，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)求解多元非線性回歸模型中系數(shù)，經(jīng)檢驗，在相似切削條件下，該模型能大致獲得前刀面磨損輪廓。邵芳等[56]基于刀具幾何參數(shù)對刀具磨損率影響展開仿真試驗，構(gòu)建了前后角關(guān)于前刀面磨損率的經(jīng)驗預(yù)測模型，并利用最小二乘法與粒子群算法，計算模型中各參數(shù)，獲得與之相應(yīng)的精準(zhǔn)模型。都曉鋒[57]依據(jù)響應(yīng)曲面法構(gòu)建了切削參數(shù)與刀具前刀面磨損量之間的二階映射數(shù)學(xué)模型，生成了目標(biāo)響應(yīng)曲面，并分析了不同切削參數(shù)交互作用下對刀具前刀面磨損的影響規(guī)律。

關(guān)于后刀面磨損預(yù)測模型的建模方面的研究，Saini等[58]利用響應(yīng)面法 （RSM），構(gòu)建了陶瓷刀具硬車削AISI H11過程中切削速度、刀尖半徑關(guān)于后刀面磨損的經(jīng)驗線性模型與Ra的經(jīng)驗線性模型。王仁偉等[59]通過試驗分析了刀具幾何參數(shù)對刀具磨損影響的顯著性，構(gòu)建了刀具后角和鈍圓半徑關(guān)于后刀面磨損率預(yù)測模型，并利用最小二乘法辨識預(yù)測模型，結(jié)果表明，模型置信度區(qū)間接近100%。Capasso等[60]在精加工切削條件下，進(jìn)行納米復(fù)合硬質(zhì)合金刀片涂層硬車削Inconel DA718試驗，根據(jù)一般方程，采用三維曲面擬合后刀面磨損數(shù)據(jù)，構(gòu)建了切削速度、切削長度對后刀面磨損預(yù)測模型，經(jīng)試驗驗證，不同切削條件下的刀具磨損預(yù)測模型的估計精度為93%。

綜上所述，采用統(tǒng)計建模方法，進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理，更易獲得刀具磨損預(yù)測模型，且獲得的刀具磨損預(yù)測模型具有線性不相關(guān)的特點，可以消除自變量多重共線性，使得模型的精度相對更高，更利于與大數(shù)據(jù)下信息采集分析反饋的刀具磨損實時監(jiān)測方法相結(jié)合。

3.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法

3.3.1 深度學(xué)習(xí)

近年來，隨著大數(shù)據(jù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動在各領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣。為了實現(xiàn)機(jī)械加工過程中刀具磨損實時在線監(jiān)測，避免因刀具磨損嚴(yán)重而導(dǎo)致的加工問題，保障零件加工質(zhì)量及精度，刀具磨損預(yù)測的研究逐漸轉(zhuǎn)向經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，尤其是深度學(xué)習(xí)模型。

目前，關(guān)于數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測模型研究，Zhi等[61]針對小規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，提出了一種基于邊緣標(biāo)記圖的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測 （TCM）方法，將刀具磨損圖像輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）中，獲取訓(xùn)練樣本的特征，再基于這些特征建立一個完全連通圖，獲得邊標(biāo)記的值，最后通過支持集的樣本標(biāo)記和與查詢樣本相連的邊緣的預(yù)測值，采用加權(quán)投票方法預(yù)測刀具磨損狀態(tài)，研究表明，在小樣本情況下，該方法優(yōu)于其他3種先進(jìn)方法 （CNN、AlexNet和ResNet）。Li等[62]為了適應(yīng)工廠加工生產(chǎn)和提高刀具磨損預(yù)測的準(zhǔn)確性，提出了一種新的基于音頻信號處理方法，進(jìn)行刀具磨損監(jiān)測，其采用擴(kuò)展卷積有界分量分析 （ECBCA）、多變量同步壓縮變換 （MSST）、自適應(yīng)核主成分分析 （AKPCA）對音頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，試驗結(jié)果表明，該預(yù)測模型能夠?qū)Φ毒吣p狀態(tài)進(jìn)行高精度分類。Li等[63]提出了一種基于雷達(dá)地圖特征融合的數(shù)據(jù)驅(qū)動監(jiān)測方法，用于刀具磨損識別和定量預(yù)測，研究表明，該方法能夠快速準(zhǔn)確地識別當(dāng)前的磨損狀態(tài)，同時根據(jù)有限的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測磨損值，結(jié)合刀具磨損識別和預(yù)測結(jié)果，有助于在智能制造過程中做出更靈活的刀具更換決策。

但由于單獨數(shù)據(jù)驅(qū)動模型缺乏對物理問題的表示，以及性能受到訓(xùn)練樣本量的限制，在處理物理問題時，單獨使用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型或基于物理的模型易存在不確定性，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果誤差較大。Sun等[64]利用不同預(yù)測模型的優(yōu)勢提高預(yù)測性能，提出了一種混合切削刀具RUL預(yù)測方法，該混合方法使用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型來監(jiān)測刀具磨損情況，利用基于物理的模型來預(yù)測刀具RUL，試驗研究驗證了該方法的有效性、準(zhǔn)確性和魯棒性，從而在加工過程中更準(zhǔn)確地預(yù)測刀具的剩余使用壽命。Wang等[65]針對高速數(shù)控機(jī)床復(fù)雜工況下刀具磨損的物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的不足，提出一種新的物理指導(dǎo)GRU模型 （PGGM），該模型集成了數(shù)據(jù)驅(qū)動和物理知識用于刀具磨損預(yù)測，該模型可以解決由磨損條件復(fù)雜和物理參數(shù)動態(tài)變化導(dǎo)致的刀具磨損預(yù)測困難，更易擴(kuò)展到特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，刀具磨損預(yù)測的計劃方案如圖12所示。

圖12 PGGM方案[65]Fig.12 Scheme of PGGM[65]

3.3.2 元學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型需通過大量的訓(xùn)練樣本來保證預(yù)測的準(zhǔn)確性，使得訓(xùn)練成本非常昂貴，而且在實際加工過程中存在加工工況多變、加工種類繁多以及監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)性等問題，導(dǎo)致獲取訓(xùn)練樣本更加困難，因此深度學(xué)習(xí)模型也存在單一性?；谠獙W(xué)習(xí)的預(yù)測模型，可通過預(yù)先少量樣本和多任務(wù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)對模型初始化參數(shù)產(chǎn)生自適應(yīng)調(diào)整性，使模型能夠更快速、更準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測。

目前，對于元學(xué)習(xí)預(yù)測模型研究，Li等[66]針對一段時間內(nèi)給定切削條件下的深度學(xué)習(xí)預(yù)測存在的不足，提出了一種新的元學(xué)習(xí)方法，該方法易于訓(xùn)練、更新，能夠適應(yīng)不同切削條件下的新加工任務(wù)，與現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)預(yù)測方法進(jìn)行對比，試驗表明該方法的預(yù)測精度得到了實質(zhì)性的提高。Wang等[67]為了解決在小數(shù)據(jù)下構(gòu)建的預(yù)測模型無法保證預(yù)測準(zhǔn)確性這一問題，引入了一種元域泛化方法，該方法包括源數(shù)據(jù)分割、元學(xué)習(xí)前訓(xùn)練和模型優(yōu)化3個階段，并進(jìn)行了大量的試驗以證明該方法的正確性。結(jié)果表明，元域泛化法能在小數(shù)據(jù)的前提下準(zhǔn)確預(yù)測不同工況下的刀具磨損，且數(shù)據(jù)分割優(yōu)化對元域泛化性能有顯著影響，元域泛化方法的具體流程如圖13所示。

圖13 刀具磨損預(yù)測的MDG框架[67]Fig.13 Framework of MDG for tool wear prediction[67]

Li等[68]為了克服在不同刀具磨損率下傳統(tǒng)刀具磨損預(yù)測方法存在的缺點，提出了一個新的物理元學(xué)習(xí)框架 （PIML），用于預(yù)測不同磨損率下的刀具磨損，分別通過經(jīng)驗方程、分段擬合、物理信息損失項約束元學(xué)習(xí)模型等方式，提高PIML模型的可解釋性和預(yù)測精度。Liu等[69]針對交叉條件下數(shù)據(jù)的邊際分布和條件分布的差異問題，提出了一種新的數(shù)據(jù)驅(qū)動的刀具磨損預(yù)測方法，即元不變特征空間學(xué)習(xí)方法，其通過元學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)交叉條件下的本質(zhì)規(guī)律，可在交叉條件下通過少量新樣本實現(xiàn)準(zhǔn)確的刀具磨損預(yù)測，試驗結(jié)果證實了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。Hua等[70]提出了一種基于不同切削條件下刀具磨損預(yù)測的新方法，以長短時記憶 （LSTM）為基礎(chǔ)模型，結(jié)合元學(xué)習(xí)，成功訓(xùn)練出Meta-LSTM模型，該模型可以用非常少的樣本進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)新的切削條件，與現(xiàn)有的元學(xué)習(xí)方法相比，隨著新切削條件的任務(wù)分配，適應(yīng)切削條件的范圍可以擴(kuò)大。

綜上所述，數(shù)據(jù)驅(qū)動的刀具磨損預(yù)測作為目前備受關(guān)注的一種預(yù)測方法，在可以實現(xiàn)刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測的同時，也能夠較好地保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，且更符合產(chǎn)業(yè)智能制造的要求。但數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測中主流的深度學(xué)習(xí)預(yù)測方法需要大量的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)來保證預(yù)測的準(zhǔn)確性，這就需要依賴于大量的訓(xùn)練樣本，獲取高質(zhì)量和數(shù)量龐大的刀具磨損數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)致成本會大大提高，且具有單一性。元學(xué)習(xí)的預(yù)測模型作為可通過預(yù)先少的樣本和多任務(wù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)對模型初始化參數(shù)產(chǎn)生自適應(yīng)調(diào)整性，實現(xiàn)模型更快速、更準(zhǔn)確地預(yù)測方法，但目前，元學(xué)習(xí)的預(yù)測模型在刀具磨損預(yù)測上的應(yīng)用研究較少。同時，單獨使用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型或物理預(yù)測模型處理物理問題時，易存在不確定性，需要加強數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和物理預(yù)測模型相結(jié)合的研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合國內(nèi)外研究，分別闡述了常見刀具磨損機(jī)理特點，切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和形狀以及加工方法等對刀具磨損的影響，并總結(jié)了刀具磨損預(yù)測模型的建模方法。

（1）切削加工中，刀具磨損形式不是單一的，而是多種磨損形式并存。常見的刀具磨損機(jī)理包括磨粒磨損、粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損。切削熱與擠壓摩擦是刀具磨損形成的根本性因素。

（2）目前，關(guān)于切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和形狀以及刀具和工件材料特性對刀具磨損影響的研究已趨于成熟。而對加工方法的研究，學(xué)者們提出了多種特種加工方法并進(jìn)行了試驗，也均取得了較好的研究成果。但隨著時代進(jìn)步，探究新的加工方法是必然的結(jié)果，目前電塑性輔助加工作為一種新型綠色加工方法，已在金屬拉拔和軋制等領(lǐng)域取得很好的效果，但其在切削過程中研究較少，后續(xù)可以加強電塑性輔助切削的試驗研究以及各加工方法相結(jié)合的創(chuàng)新試驗研究。

（3）刀具磨損預(yù)測模型由單一磨損機(jī)理向多影響參數(shù)、多磨損機(jī)理構(gòu)建發(fā)展。刀具磨損預(yù)測建模研究已逐漸向多學(xué)科交叉方向發(fā)展，包括磨損機(jī)理、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)等多個領(lǐng)域，伴隨所涉及領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，刀具磨損預(yù)測模型的預(yù)測精度也會提高。為了實現(xiàn)刀具磨損預(yù)測模型多方向的發(fā)展，保證刀具磨損預(yù)測的準(zhǔn)確性，可加強數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法中，由單個目標(biāo)量、加工條件向多個方向上發(fā)展，刀具磨損預(yù)測建模模式向多種加工形式、多種建模方法相結(jié)合的方向轉(zhuǎn)變，如元學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和物理預(yù)測模型相結(jié)合等。