車用鋁合金銑削參數(shù)優(yōu)化及表面質(zhì)量研究

趙向陽，吳啟斌

（河南工學(xué)院車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 引言

鋁合金由于在機(jī)械性能、抗腐蝕性能以及輕量化等方面具有優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于汽車鈑金類零部件中。在LY12 鋁合金材料的銑削加工過程中對銑削參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量和側(cè)吃刀量的選擇在很大程度上影響著工件的表面質(zhì)量、加工效率、刀具使用壽命、機(jī)床的穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本等。在實(shí)際生產(chǎn)中，切削用量的選擇主要通過查詢切削手冊，或憑借經(jīng)驗(yàn)而確定。因?yàn)閼{借經(jīng)驗(yàn)而定的切削參數(shù)使用范圍窄，通過切削手冊查詢的數(shù)值僅僅是一個(gè)范圍，以及單靠切削試驗(yàn)來確定的參數(shù)具有局限性和復(fù)雜性。所以，優(yōu)化銑削參數(shù)一直是機(jī)械制造業(yè)研究的重要課題。

近年來，許多學(xué)者對切削工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]在模型參數(shù)優(yōu)化中采用直接求導(dǎo)的方法對切削用量進(jìn)行了優(yōu)化求解，文獻(xiàn)[2]運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對多目標(biāo)切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，文獻(xiàn)[3-4]以生產(chǎn)率最高為優(yōu)化目標(biāo)，建立了各約束邊界，建立了磨削參數(shù)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，文獻(xiàn)[5]運(yùn)用遺傳算法分以磨削余量最大和表面質(zhì)量最高為目標(biāo)函數(shù)對齒輪成形磨削進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，文獻(xiàn)[6]采用信噪比和組合權(quán)重灰色關(guān)聯(lián)分析法將碳排放量最低、能量效率最高和材料切除率最高三目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，運(yùn)用量子遺傳算法對模型進(jìn)行優(yōu)化求解。上述研究以能耗、表面粗糙度、刀具壽命、加工效率和切除率等為目標(biāo)函數(shù)，分別采用了遺傳算法、直接求導(dǎo)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，將多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型通過關(guān)聯(lián)度或者權(quán)函數(shù)轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型進(jìn)行分析求解，具有一定的局限性。針對此問題，首先以Φ20 三刃高速鋼立銑刀銑削硬鋁（LY12）加工為例，以銑削參數(shù)為優(yōu)化指標(biāo)，以材料切除率和表面粗糙度為目標(biāo)函數(shù)，建立一個(gè)合理的銑削加工系統(tǒng)多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，其次運(yùn)用回歸分析方法，建立表面粗糙度預(yù)測模型，采用多目標(biāo)線性規(guī)劃法尋找可行區(qū)域內(nèi)滿足多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型和約束條件的最優(yōu)解。最后分析了不同銑削用量對表面質(zhì)量的影響，利用工具顯微鏡觀察其微觀形貌，并進(jìn)行了對比分析。

2 建立銑削參數(shù)工藝優(yōu)化目標(biāo)模型

2.1 優(yōu)化變量的確定

影響銑削質(zhì)量的因素很多，包括機(jī)床功率、加工精度、刀具結(jié)構(gòu)、工件及刀具材料和銑削要素等。但是從理論上講，機(jī)床、刀具、工件確定之后，影響銑削質(zhì)量主要就是銑削四要素。選擇主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf、背吃刀量ap和側(cè)吃刀量ae為優(yōu)化變量，計(jì)算多目標(biāo)線性規(guī)劃法求出多目標(biāo)優(yōu)化模型的最優(yōu)解。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)的確定

選擇表面粗糙度（Ra）最低和材料去除率（MRR）RMR最高為優(yōu)化目標(biāo)，建立銑削參數(shù)的優(yōu)化模型，如式（1）所示：

2.2.1 材料去除率

2.2.2 表面粗糙度

表面粗糙度是衡量工件加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。在利用數(shù)控加工中心進(jìn)行銑削時(shí)，主要是根據(jù)材料物理特性、刀具機(jī)床的性能以及工件加工要求來確定銑削參數(shù)。因此，根據(jù)數(shù)控加工中心實(shí)際銑削要求，在確定好機(jī)床和刀具的參數(shù)之后，以主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給量vf，背吃刀量ap和側(cè)吃刀量ae為參數(shù)變量建立表面粗糙度預(yù)測模型[8]，如式（3）所示：

式中：b0—由加工條件、材料特性決定；

b1，b2，b3，b4—個(gè)變量的指數(shù)。

2.3 建立約束條件

根據(jù)機(jī)床性能和實(shí)際加工要求確定變量取值范圍，如式（4）所示：

3 分析方法

多目標(biāo)線性規(guī)劃有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的目標(biāo)函數(shù)，而且目標(biāo)函數(shù)和約束條件全為線性函數(shù)[9]，其數(shù)學(xué)模型，如式（5）所示：

4 工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料選用硬鋁牌號(hào)為LY12，其長、寬、高結(jié)構(gòu)尺寸分別是100mm、100mm、50mm。刀具：Φ20 三刃高速鋼，在VDL-800數(shù)控銑床上進(jìn)行加工。采用便攜式粗糙度儀對加工工件進(jìn)行表面粗糙度測量。利用CAXA 工程師軟件對工件進(jìn)行建模編程，設(shè)定加工路線及銑削參數(shù)等，計(jì)算出每一道加工工序所用的時(shí)間和金屬材料去除的體積來計(jì)算金屬去除率。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了充分體現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量vf、背吃刀量ap和側(cè)吃刀量ae對工件銑削表面粗糙度和金屬材料去除率的影響，以工件表面粗糙度和每道工序的材料去除量為試驗(yàn)指標(biāo)，以主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給量vf，背吃刀量ap和側(cè)吃刀量ae為影響因素，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，如表1 所示。同時(shí)對工件表面粗糙度進(jìn)行測量，其結(jié)果，如表2 所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factor Level of Orthogonal Test

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test Scheme and Test Results

4.3 模型建立及分析

根據(jù)表面粗糙度預(yù)測模型：

對上述模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)可得：擬合度R2=0.8297，顯著性檢驗(yàn)F=26.7977＞0，說明模型擬合效果良好。但是，與顯著性相關(guān)的P=0.0895＞0.05，說明回歸方程中有些變量可以考慮剔除。

4.4 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

令Z1=lgRMR，Z2=lgRa則以最小表面粗糙度值和最大材料金屬切除率的多目標(biāo)規(guī)劃模型為：

4.5 多目標(biāo)線性規(guī)劃的求解方法即MATLAB 實(shí)現(xiàn)

5 銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響

由表面粗糙度模型可知，在給定的銑削參數(shù)范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響最為顯著，側(cè)吃刀量次之，而背吃刀量影響最小。

5.1 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

由圖1～圖3 可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n為1000r/min，2000r/min，3000r/min 時(shí)，所能達(dá)到的最小表面粗糙度Ra分別為0.58mm，0.31mm，0.27mm，因此當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=（1000r/min，2000r/min）時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高對表面質(zhì)量具有正效應(yīng)，且越來越顯著。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，已加工表面的溝壑和隆起逐漸減少，如圖4所示。其原因是LY12 為典型的塑形材料，在低轉(zhuǎn)速銑削加工中，容易發(fā)生“粘刀”現(xiàn)象，增加了切削與刀具的摩擦，形成積屑瘤，使得工件表面產(chǎn)生切削深度不均衡，惡化加工質(zhì)量，所以，適當(dāng)增加主軸轉(zhuǎn)速，使得工件與切削分離比較完全，可以遏制“粘刀”的現(xiàn)象的發(fā)生，使得已加工表面刀痕逐步均衡平滑。

5.2 進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響

如圖1～圖3 所示，在給定的銑削范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度都呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，但是隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升，進(jìn)給速度對表面粗糙度增大的趨勢（即線段整體斜率）逐漸減小，進(jìn)一步說明了主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響比進(jìn)給速度顯著。另一方面，雖然增大進(jìn)給速度，有利于提高金屬切除率，但是增大進(jìn)給速度，單位長度的切削紋理周期數(shù)逐漸減少，波峰和波谷愈來愈不均勻，如圖5 所示。因此，在主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，決定紋理周期的大小，即紋理的粗細(xì)程度進(jìn)給量占主導(dǎo)地位，進(jìn)給量越大，表面紋理越粗，表面粗糙度值越大；反之，表面粗糙度值越小。通過計(jì)算最優(yōu)解得出進(jìn)給速度vf=320mm/min，表明為提高表面粗糙度，從而降低了金屬切除率，此時(shí)可同時(shí)兼顧表面粗糙度和金屬切除率的要求。

5.3 側(cè)吃刀量和背吃刀量對表面粗糙度的影響

側(cè)吃刀量和背吃刀量主要是根據(jù)刀具的耐用度和加工工藝確定的，由圖1～圖3 可知，當(dāng)背吃刀量ap=2mm，3mm，4mm 時(shí)，不同轉(zhuǎn)速中的折線間距大致相等，且整體斜率變化一致，且給定的背吃刀量和側(cè)吃刀量在工件銑削時(shí)都滿足機(jī)床的使用要求，故二者對表面粗糙度的影響要遠(yuǎn)小于主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

圖1 主軸轉(zhuǎn)速1000r/min 時(shí)進(jìn)給速度和側(cè)吃刀量對表面粗糙度的影響Fig.1 Influence of Feed Speed and Side Feed Amount on Surface Roughness at the SpindleSpeed of 1000r/min

圖2 主軸轉(zhuǎn)速2000r/min 時(shí)進(jìn)給速度和側(cè)吃刀量對表面粗糙度的影響Fig.2 Influence of Feed Speed and Side Feed Amount on Surface Roughness at the Spindle Speed of 2000r/min

圖3 主軸轉(zhuǎn)速3000r/進(jìn)給速度和側(cè)吃刀量對表面粗糙度的影響Fig.3 Influence of Feed Speed and Side Feed Amount on Surface Roughness at the Spindle Speed of 3000r/min

圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速下LY12 表面形貌Fig.4 Surface Morphology of LY12 at Different Spindle Speeds

圖5 不同進(jìn)給速度下LY12 表面形貌Fig.5 Surface Morphology of LY12 at Different Feed Speeds

6 結(jié)論

（3）通過分析銑削用量對表面質(zhì)量的影響得出：在給定的銑削參數(shù)范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度具有最大的正效應(yīng)影響，而進(jìn)給速度對表面粗糙度具有較大負(fù)效應(yīng)影響，側(cè)吃刀量次之，而背吃刀量影響最小。