鈦合金材料切削加工參數(shù)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)研究

呂嗣孝，周洪，崔建昆

（上海園菱機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司，上海 201404）

0 引言

鈦合金具有強(qiáng)度高、密度小的特點(diǎn)，同時(shí)還具有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的耐腐蝕性能,與復(fù)合材料匹配好，用于現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件能獲得良好的減重效果，同時(shí)在航天領(lǐng)域，鈦合金材料在制造燃料儲(chǔ)箱、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、火箭噴嘴導(dǎo)管、人造衛(wèi)星殼體等方面也得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。鈦合金還具有耐熱性好的特點(diǎn)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、輪盤和葉片等重要零件的首選材料。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，鈦合金已經(jīng)成為當(dāng)代火箭、衛(wèi)星和飛機(jī)等飛行器主要結(jié)構(gòu)材料之一。

由于鈦合金彈性模量低、切削力大和導(dǎo)熱性差，綜合切削性能比較差，機(jī)床加工過程中刀具的熱負(fù)荷大，產(chǎn)生的切削溫度高，切削過程穩(wěn)定性差，零件易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重制約了加工設(shè)備生產(chǎn)效率提升和零件加工精度的保證[3]。因此，其加工工藝優(yōu)化對(duì)提高相關(guān)零件的加工質(zhì)量和效率有積極的作用。

本文通過建立刀具、工件和切削過程模型，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案。利用極差分析說明鈦合金切削過程中各因素對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，在MATLAB中利用Regress函數(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析得出了刀具前角、刀具后角和切削速度對(duì)切削力的回歸函數(shù)和對(duì)切削溫度的回歸函數(shù)。然后進(jìn)行多目標(biāo)遺傳優(yōu)化計(jì)算，得到合理的刀具前角、刀具后角、切削速度等工藝參數(shù)，并通過工藝試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化模型的建立

遺傳算法是目前對(duì)于優(yōu)化問題的一種常用的優(yōu)化算法。多目標(biāo)優(yōu)化算法在各個(gè)目標(biāo)函數(shù)中獲得相對(duì)于整體是最優(yōu)解，這意味著解集不像單目標(biāo)優(yōu)化只有一組解，而是由若干組解組成的解集[4]。進(jìn)行鈦合金切削加工優(yōu)化過程中首先需要確定優(yōu)化的參數(shù)，在進(jìn)給量和背吃刀量一定的前提下，優(yōu)化的參數(shù)有3個(gè)：刀具前角、刀具后角和切削速度。將切削力和切削溫度的回歸函數(shù)作為主要優(yōu)化目標(biāo)，將材料去除率和切削功率的優(yōu)化作為輔助目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，切削力可以控制機(jī)床切削功率和工件的變形，而切削溫度主要影響熱變形和刀具的磨損。

假設(shè)刀具前角為A，刀具后角為B，切削速度為C，用以下公式分別表示出切削力和切削溫度的回歸方程式：

因此可以得到刀具前角A、刀具后角B、切削速度C與切削溫度之間的關(guān)系為

以上述公式為遺傳算法中需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，而約束條件為：刀具前角的約束為0°～15°；刀具后角的約束為5°～15°；切削速度的約束為60～180 m/min。

2 優(yōu)化結(jié)果

以最小切削力和最小切削溫度為主要目標(biāo)、以最大去除率、最小表面粗糙度和最小功率為輔助目標(biāo)的遺傳優(yōu)化結(jié)果表格和帕累托前沿如圖1所示。

圖1 遺傳算法優(yōu)化后帕累托前沿

優(yōu)化后的部分加工參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化后的加工參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)值

3 鈦合金加工優(yōu)化方案的仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證鈦合金優(yōu)化參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響，分別采用切削力測(cè)量?jī)x和手持式測(cè)溫儀測(cè)量車床切削鈦合金時(shí)切削力和切削溫度的變化情況。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比法，分別采用相同鈦合金材料+不同的加工參數(shù)、不同的鈦合金材料+相同的加工參數(shù)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化的結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1 切削力測(cè)試試驗(yàn)

測(cè)力系統(tǒng)由應(yīng)變片、放大器、采集卡和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)反饋組成，工作原理主要是通過應(yīng)變電阻受到力的作用，在力的作用下電阻發(fā)生改變，電阻兩端電壓改變，電壓值通過放大器增益，最終通過采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)，并在線處理得出數(shù)據(jù)。應(yīng)變片粘貼在刀具的主切削力方向上，4個(gè)應(yīng)變片在刀具上下各2片，圖2、圖3所示為車削試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2 測(cè)力應(yīng)變片和刀具

圖3 切削力測(cè)試系統(tǒng)

將直徑70 mm的圓形工件裝夾在車床上進(jìn)行外圓加工，刀具采用硬質(zhì)合金鋼，調(diào)整車刀角度，使車刀參數(shù)匹配成優(yōu)化參數(shù)，以給定的切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量開始加工工件，表2為試驗(yàn)工藝參數(shù)。在切削加工過程中，測(cè)量切削力變化，取較穩(wěn)定加工時(shí)切削力的平均值，得到切向切削力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 切削力測(cè)試結(jié)果

表2 切削力測(cè)試工藝參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果分析得出：第一組實(shí)驗(yàn)的平均切削力為230 N，相比優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值誤差僅為0.8%，第二組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均切削力為235 N，相比優(yōu)化后切削力的預(yù)測(cè)值誤差僅為0.4%，第三組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均切削力為123 N，與鈦合金的切削力相比，相對(duì)較低。

3.2 切削溫度測(cè)量

加工過程中，車刀的切削刃與工件作用下溫度會(huì)不斷升高，切屑也會(huì)帶走一部分熱量，剩余的熱量會(huì)集中在工件的第一變形區(qū)，通常在前刀面沿著切削刃的部分溫度最高。采用激光測(cè)溫儀可以簡(jiǎn)單快速地測(cè)得加工過程中的實(shí)時(shí)溫度。使用可視激光測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)切削第一變形區(qū)（和刀具切削刃接觸區(qū)域），通過讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)，取視野中最高點(diǎn)的溫度值為切削溫度。溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 切削溫度場(chǎng)

經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果切削溫度場(chǎng)分析可以看出，優(yōu)化后的加工參數(shù)在車削鈦合金過程中，第一組切削溫度最高為670 ℃，相對(duì)遺傳算法得出的切削溫度誤差為2.0%，第二組切削溫度最高為679 ℃，與優(yōu)化結(jié)果的誤差僅為1.5%。

4 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析并計(jì)算得出：優(yōu)化后的加工參數(shù)在車削鈦合金過程中，切削力與優(yōu)化后的解誤差非常小，具有可信度。并且在相同材料、不同加工參數(shù)的情況下，可以有效降低切削力。同時(shí)在相同加工參數(shù)的情況下，鋁合金受到的切削力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鈦合金。實(shí)驗(yàn)得出的切削溫度與仿真和優(yōu)化的結(jié)果也比較接近，因此在實(shí)際加工中可以通過優(yōu)化方法合理選擇切削參數(shù)，降低切削力和切削溫度。