難加工材料3種優(yōu)化指標的應(yīng)用特性

吳志遠，張 康，王朋曉，王 龍

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100072)

參數(shù)優(yōu)化試驗可以大幅降低試驗次數(shù)，快速獲得相關(guān)現(xiàn)象的試驗規(guī)律，在加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1-2］。評價指標是判定各組試驗結(jié)果優(yōu)劣的依據(jù)，其設(shè)置的有效性和針對性將直接關(guān)系到試驗的成敗，是優(yōu)化試驗的核心問題。目前，難加工材料切削試驗所應(yīng)用的評價指標有刀具耐用度、加工效率、表面質(zhì)量、加工成本等［2-5］。但文獻檢索發(fā)現(xiàn)［6-8］:上述評價指標的選擇和應(yīng)用具有較大的隨意性，不同評價結(jié)果的可比性不高，甚至由于對指標應(yīng)用特點的認識不足，出現(xiàn)指標誤用現(xiàn)象。本文結(jié)合前期試驗規(guī)律的總結(jié)，在同一組正交試驗中應(yīng)用刀具耐用度T、切削里程L和材料去除總量Q作為評價指標，并結(jié)合加工效率對各指標應(yīng)用的特性進行分析。

1 方法設(shè)計與試驗條件

采用正交試驗設(shè)計方法，以T、L和Q分別作為評價指標，以切削用量3要素的切削速度v、進給量f、切削深度ap作為優(yōu)化對象，每個因素考慮3個水平，利用正交表L9(34)設(shè)計正交試驗。

試驗所用刀具材料為株洲硬質(zhì)合金廠的特種硬質(zhì)合金YG610，刀具角度為前期優(yōu)化的最佳參數(shù)組合，即前角為0°，后角為8°，副后角為 8°，刃傾角為0°，主偏角為45°，副偏角為15°，加工過程屬于沖擊性加工，切削的堆焊層硬度為30HRC。每組試驗重復(fù)3次，取平均值為最后結(jié)果。試驗中采用后刀面磨損值0．3 mm為磨鈍標準。

2 3種優(yōu)化指標對比分析

2．1 刀具耐用度評價結(jié)果分析

刀具耐用度T是切削參數(shù)選擇的一個重要依據(jù)，在加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［9-10］。以T作為評價指標的正交試驗結(jié)果如表1所示。

表1 以T作為評價指標的正交試驗結(jié)果

從表1可以看出:以T作為評價指標時，最優(yōu)的水平組合為 A1B1C1，即在 v=31．4 m/min、f=0．08 mm/r、ap=0．5 mm 的條件下，T 達到最大值51 min。但由于其對應(yīng)的切削用量全部為最低值，加工效率只有8 cm3/min，是所有組合中最低的一組。更重要的是，在一個刃磨周期內(nèi)，采用該組合時的材料去除總量僅為408 cm3，也沒有達到所有組合最佳值。因此，這種情況下，雖然得到了最優(yōu)的刀具耐用度，但得出的切削用量偏小，加工效率也偏低，切削用量的優(yōu)化效果不明顯。

泰勒公式是重要的刀具耐用度公式，式中:m為直線的斜率，表示v對T的影響程度，與刀具材料無關(guān);C0為直線在縱坐標軸上的截距，與工件材料和切削條件有關(guān)。式(1)的主要結(jié)論是:當C0一定時，v越大，則T越小。這個規(guī)律在不同加工場合被廣泛證明和應(yīng)用，揭示了切削速度與刀具耐用度的相互關(guān)系。

圖1為以T作為評價指標的效應(yīng)曲線。可以看出:T隨著v、f和ap的增大而減小，試驗完全符合泰勒公式規(guī)律。但所選最優(yōu)刀具耐用度一定對應(yīng)于最小的切削用量。因此，單純的刀具耐用度最優(yōu)不意味著同時滿足加工效率和切削效果的最優(yōu)。依此類推，對于所選因素中包含了切削用量的刀具角度優(yōu)化過程也存在同樣的問題。

圖1 以T作為評價指標的效應(yīng)曲線

試驗可以作為參考的是表1中進給量、切削速度、切削深度由大至小的極差排序。進給量的極差最大，說明它對刀具耐用度的影響最大，而最小的切削深度影響也最小。也就是說進給量增加對刀具耐用度的降低作用最大，而切削深度最小。

2．2 切削里程評價結(jié)果分析

當毛坯余量較小，不需要過分關(guān)注材料去除效率和去除總量時，獲得盡可能多的已加工表面是難加工材料優(yōu)化的重要方向。切削里程L(軸向切削距離)可很好地展示已加工表面的形成總量。以L作為評價指標的正交試驗結(jié)果如表2所示。

表2 以L作為評價指標的正交試驗結(jié)果

由表2可見:以L作為評價指標時，最優(yōu)的組合為 A2B1C2，即在 v=62．8 m/min、f=0．08 mm/r、ap=1 mm的條件下，L達到最大。計算可得該參數(shù)下加工效率為32 cm3/min，遠高于刀具耐用度評價指標的優(yōu)化結(jié)果。本次優(yōu)化結(jié)果的極差由大到小依次為進給量、切削速度、切削深度，與刀具耐用度優(yōu)化結(jié)果相同，但結(jié)果進一步量化了切削參數(shù)，達到了最大的已加工表面形成量。

圖2為以L作為評價指標的效應(yīng)曲線。可以看出:切削速度和切削深度曲線不再單調(diào)變化，最佳參數(shù)都位于所選區(qū)間內(nèi)，擺脫了刀具耐用度在評價過程中的局限性，可以說本評價是一次成功的評價。

2．3 材料去除總量評價結(jié)果分析

粗加工時，毛坯余量較多，盡可能多地去除材料是工藝完美實現(xiàn)的關(guān)鍵。以材料去除總量Q作為評價指標的正交試驗結(jié)果如表3所示。

圖2 以L作為評價指標的效應(yīng)曲線

表3 以Q作為評價指標的正交試驗結(jié)果

從表3可以看出:以Q作為評價指標時，最優(yōu)的組合為 A1B1C2，即在 v=31．4 m/min、f=0．08 mm/r、ap=1 mm的條件下，Q達到最大。計算可得該參數(shù)下加工效率為16 cm3/min，高于刀具耐用度評價指標的優(yōu)化結(jié)果，但低于切削里程的評價結(jié)果。本次優(yōu)化結(jié)果的極差由大到小依次為切削深度、切削速度、進給量。這表明如果希望刀具能夠盡可能多地去除材料，那么應(yīng)該采用盡可能大的切削深度、適中的切削速度和盡可能小的進給量。這種結(jié)果與刀具耐用度和切削里程優(yōu)化結(jié)果存在較大的差異。

圖3為以Q作為評價指標的效應(yīng)曲線。可以看出:如果希望獲得較大的材料去除總量，那么應(yīng)該適度降低切削速度和進給量，而獲得最佳總?cè)コ康年P(guān)鍵在于切削深度的合理選擇。這種結(jié)果與刀具耐用度和切削里程的評價結(jié)果又存在顯著差異。

圖3 以Q作為評價指標的效應(yīng)曲線

3 結(jié)論

1)采用刀具耐用度作為評價指標時，切削用量優(yōu)化結(jié)果對應(yīng)于最小值，極差排序也難以定量地評價切削參數(shù)的最優(yōu)值。因此，孤立地采用刀具耐用度作為評價指標進行正交試驗優(yōu)化時，其結(jié)果的實際應(yīng)用價值較低。

2)采用切削里程作為評價指標時，正交試驗的極差排序與刀具耐用度排序一致，但本組試驗可以定量地獲得試驗環(huán)境下的最優(yōu)切削用量。試驗結(jié)果中，加工效率為刀具耐用度的4倍，并且材料去除總量也相當可觀，是較為成功的評價指標。

3)采用材料去除總量作為評價指標時，主要以增大材料去除量作為目標，其切削參數(shù)的選用原則與其他2種評價指標的評價結(jié)果具有明顯的差異。但加工效率仍能達到刀具耐用度評價的2倍。

4)切削過程根據(jù)需求可分為最佳經(jīng)濟性、最佳刀具耐用度和最佳效率等生產(chǎn)方式，它們所希望實現(xiàn)的目標是不同的。采用不同的評價指標進行評價時，切削參數(shù)的選用原則差異較大，足以影響試驗結(jié)果的有效性。因此，試驗應(yīng)根據(jù)不同的試驗?zāi)康倪M行有針對性的設(shè)計和選用。

［1］ 解麗靜，劉志兵，王西彬．硬質(zhì)合金刀具銑削高強度鋼的磨損機理研究［J］．兵工學(xué)報，2005，26(4):519-522．

［2］ 劉玉慶，徐九華，丁文鋒，等．阻燃鈦合金Ti40銑削加工性研究［J］．航空制造技術(shù)，2013(14):48-52．

［3］ 葉洪濤．刀具耐用度公式推導(dǎo)過程［J］．工具技術(shù)，2013，47(12):55-57．

［4］ 高彥軍，陳五一．切削參數(shù)評價系統(tǒng)的構(gòu)建［J］．工具技術(shù)，2009(4):63-66．

［5］ 龍震海，王西彬，劉志兵．高速銑削難加工材料時硬質(zhì)合金刀具前刀面磨損機理及切削性能研究［J］．摩擦學(xué)學(xué)報，2005，25(1):83-87．

［6］ 王中華，李輝，陳姣．高速切削刀具材料的性能及應(yīng)用［J］．裝備制造技術(shù)，2012(10):110-112．

［7］ 張毅．超聲振動銑削碳纖維復(fù)合材料刀具磨損研究［J］．精密制造與自動化，2010(2):13-15．

［8］ 袁躍峰，張文英，高強度鋼刀具磨損實驗研究［J］．中國水運，2013，12(13):175-176．

［9］ 徐媛媛，趙永東，蘭芳．CBN刀具銑削灰鑄鐵時銑削用量優(yōu)化的研究［J］．現(xiàn)代制造工程，2012(5):85-87．

［10］ 姜增輝，吳月穎，王琳琳．硬質(zhì)合金刀具干切削TC4鈦合金耐用度的研究［J］．工藝與監(jiān)測，2013(9):109-112．