多目標(biāo)決策的微織構(gòu)球頭銑刀切削性能評(píng)價(jià)

楊樹(shù)財(cái)　王煥焱　張玉華　張磊

摘要：在球頭銑刀的銑削過(guò)程中，表面微織構(gòu)具有抗磨減磨作用，為了進(jìn)一步研究微織構(gòu)球頭銑刀的切削性能，依據(jù)多目標(biāo)決策理論，利用指數(shù)標(biāo)度的層次分析法建立了球頭銑刀切削性能評(píng)價(jià)體系，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法及鈦合金銑削實(shí)驗(yàn)，對(duì)球頭銑刀的切削性能進(jìn)行分析，并給出了球頭銑刀的綜合評(píng)價(jià)值.研究結(jié)果表明：微織構(gòu)球頭銑刀與無(wú)織構(gòu)球頭銑刀相比，不僅減小了切削力、切削熱而且提高了工件表面質(zhì)量，其切削性能綜合評(píng)價(jià)值為0.578高于無(wú)織構(gòu)球頭銑刀的0.422，由此表面微織構(gòu)對(duì)球頭銑刀切削性能改善效果顯著.

關(guān)鍵詞：微織構(gòu)；多目標(biāo)決策；球頭銑刀；切削性能評(píng)價(jià)

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.001

中圖分類號(hào)：TG714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）06-0001-05

1.引言

仿生摩擦學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，置入微織構(gòu)的表面具有良好的減摩抗磨效果，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明刀具表面的微織構(gòu)置入提高了刀具性能，陳碧沖。利用無(wú)織構(gòu)刀具和不同類型微織構(gòu)刀具進(jìn)行了鋁合金切削仿真實(shí)驗(yàn)，研究了不同切削深度條件下無(wú)織構(gòu)刀具和不同類型微織構(gòu)刀具的切削性能，僅分析了切削深度對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律；日本Noritaka Kawasegi等學(xué)者在車(chē)刀前刀面加工出微溝槽織構(gòu)，結(jié)合鋁合金切削試驗(yàn)，得出了微織構(gòu)的置入使前刀面的摩擦降低，從而改善刀具切削性能，但并未進(jìn)一步探索研究；龍遠(yuǎn)強(qiáng)。通過(guò)微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具分別對(duì)OCrl8Ni9奧氏體不銹鋼進(jìn)行干切削試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)刀具相比，微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具切削過(guò)程中的主切削力減小了8%～16%，切削溫度降低了15%～24%，改善了刀具的粘著磨損現(xiàn)象，有效的提高了切削性能.目前大量學(xué)者是只是針對(duì)表面微織構(gòu)刀具車(chē)削過(guò)程中的切削性能的探討分析，而現(xiàn)有的研究?jī)H通過(guò)有限元模擬的方法得出了微織構(gòu)球頭銑刀在銑削過(guò)程中有減少切削力，降低切削溫度等的作用，缺乏依據(jù)不同指標(biāo)因素對(duì)微織構(gòu)球頭銑刀切削性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析。

為此，本文基于多目標(biāo)決策理論對(duì)微織構(gòu)球頭刀的切削性能進(jìn)行分析以及完整的研究評(píng)價(jià).層次分析法是多目標(biāo)決策中一種定性與定量相結(jié)合、系統(tǒng)化的分析方法，因其處理多目標(biāo)復(fù)雜決策問(wèn)題實(shí)用有效而得到廣泛應(yīng)用.本文結(jié)合了層次分析法中兩種標(biāo)度的比較，運(yùn)用以指數(shù)為標(biāo)度的改進(jìn)的層次分析法，并利用鈦合金銑削試驗(yàn)與模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具的切削性能進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.微織構(gòu)刀具的制備

1.1微織構(gòu)刀具的設(shè)計(jì)

本文選用的是020 mm可轉(zhuǎn)位球頭刀片，刀片型號(hào)為BNM-200，T=5mm，B=15mm，刀桿型號(hào)為BNML-200105S-S20C，全長(zhǎng)為141mm，刀片刀桿材料均為硬質(zhì)合金，刀具牌號(hào)為YG8，見(jiàn)圖1.由于微坑織構(gòu)有良好的減摩抗磨性能，因此本文選用微坑織構(gòu)進(jìn)行表面微織構(gòu)造型，鈦合金切削加工時(shí)刀一屑接觸長(zhǎng)度短，接觸面積小，織構(gòu)置入?yún)^(qū)域需覆蓋刀一屑接觸區(qū)域，因此本文設(shè)計(jì)的微織構(gòu)參數(shù)如下：距切削刃的距離為100um，微坑直徑為70um，微坑中心距為120um，如圖2所示為織構(gòu)置入?yún)^(qū)域。

1.2微織構(gòu)刀具的加工

本文利用激光打標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)微織構(gòu)加工，激光打標(biāo)機(jī)的加工參數(shù)為：激光波長(zhǎng)為1064nm，最大激光輸出功率為70w，激光頻率為3.14kHz，掃描速度為500um/s，打標(biāo)次數(shù)為2次.利用2000#金相砂紙打磨試樣表面去除表面毛刺后，用超聲波清洗15～20min，清洗劑為丙酮，如圖3所示為加工完成的微織構(gòu)刀具。

2.基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法構(gòu)權(quán)

2.1建立刀具評(píng)價(jià)體系

切削力、刀具磨損、加工精度、切削溫度和刀具振動(dòng)為評(píng)價(jià)刀具切削性能的重要指標(biāo)，由于在銑削加工中，主軸轉(zhuǎn)速和軸向切削深度為影響刀具振動(dòng)的主要因素，因此表面微織構(gòu)幾乎不會(huì)影響刀具加工過(guò)程的振動(dòng)變化，故而不予考慮.本文針對(duì)鈦合金高速銑削加工主要通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，建立了微織構(gòu)硬質(zhì)合金球頭銑刀評(píng)價(jià)體系，如圖4所示，切削力、刀具磨損、加工精度和切削溫度為主指標(biāo)；前刀面磨損和后刀面磨損為刀具磨損的子指標(biāo)；表面粗糙度和尺寸精度為加工精度的子指標(biāo)。

2.2建立判斷矩陣

在傳統(tǒng)的層次分析法中，大多采用1-9的標(biāo)度建立判斷矩陣，雖然均勻性好，但存在部分缺陷，且一致性差，容易導(dǎo)致評(píng)定結(jié)果出現(xiàn)逆序與思維一致性相脫節(jié)等問(wèn)題，相對(duì)比1-9標(biāo)度法，指數(shù)標(biāo)度是一個(gè)計(jì)算結(jié)果可信、優(yōu)良的標(biāo)度.本文根據(jù)指數(shù)標(biāo)度所對(duì)應(yīng)的1-13階隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)值，見(jiàn)表1.

本文利用指數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造指標(biāo)因素兩兩判斷矩陣.根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際中刀具選擇情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)對(duì)主指標(biāo)作出判斷矩陣，按[A，B，c，D]=[切削力，刀具磨損，加工精度，切削溫度]的順序構(gòu)建的判斷矩陣如下：

3）ω權(quán)重計(jì)算.找出最大特征值入_max對(duì)應(yīng)的特征向量W，歸一后，即得到各部分評(píng)定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)各部分權(quán)重值ω_i：{切削力，刀具磨損，加工精度，溫度}={0.148，0.446，0.258，0.148}。

利用指數(shù)標(biāo)度法對(duì)子指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算，總權(quán)重值見(jiàn)表2.量化后的刀具磨損值所占權(quán)重值要高于其他指標(biāo)，加工精度次之.刀具抗磨損性能的高低直接表現(xiàn)為刀具的耐用度，刀具磨損作為最重要的指標(biāo)，對(duì)刀具性能的影響最大，因此量化的結(jié)果是正確的。

3.刀具切削性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

本文采用無(wú)織構(gòu)刀具與微織構(gòu)刀具進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).工件材料為T(mén)i6A14V，見(jiàn)圖5.用正弦平口鉗及墊鐵將長(zhǎng)方形板料呈15。并夾緊固定，使用型號(hào)為VDL-1000E的數(shù)控銑床以及Kistler9257B測(cè)力儀，裝置見(jiàn)圖6.銑削方式為逆銑.銑削參數(shù)為v_c=120 m/minf=0.08mm/z，α=1mm，α=0.5mm.工件的突起部分為加工部分，每個(gè)突起部分銑20次，每次銑削行程為88mm，按圖5中序號(hào)順序進(jìn)行銑削.在對(duì)6號(hào)突起部分銑削時(shí)，兩組刀具均有磨損現(xiàn)象，且銑削力變化處于平穩(wěn)，此部分測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

圖7是6號(hào)凸起部分采集的力數(shù)據(jù).利用KIS—TLER-VHX600型超景深顯微鏡測(cè)量此時(shí)的前后刀面的磨損量，如圖8所示，為兩種刀具前刀面磨損量對(duì)比圖，從圖中可知微織構(gòu)刀具的前刀面磨損量明顯小于無(wú)織構(gòu)刀具前刀面磨損量，是由于微織構(gòu)的置入，使得微織構(gòu)球頭刀在切削過(guò)程中的摩擦區(qū)域變小了，使摩擦系數(shù)降低，有效的改善了摩擦表面的接觸性，通過(guò)表面粗糙度測(cè)量?jī)x和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別測(cè)量工件表面粗糙度值R_a和尺寸精度，如圖9所示，為兩種刀具的表面粗糙度曲線，從圖中可知微織構(gòu)刀具銑削后的工件表面粗糙度峰值波動(dòng)較小，說(shuō)明因微織構(gòu)的置入，能夠減小刀一屑摩擦系數(shù)，使得銑削工況相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致工件表面粗糙度值較小。

利用相同銑削參數(shù)對(duì)兩種刀具進(jìn)行Deform仿真實(shí)驗(yàn)，選取Johnson-Cook模型作為本構(gòu)模型.如圖10所示，為兩種刀具切削溫度仿真云圖.從圖中可知微織構(gòu)刀具在銑削過(guò)程中，熱影響區(qū)域范圍小，本文以獲得的銑削仿真過(guò)程中兩種刀具的切削溫度作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

將所有指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的平均值匯總，得到表3.為了量化微織構(gòu)球頭刀的改善效果，需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

4.構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型

本文把u=[u₁，u₂，u₃，u₄，u₅，u₆]=[切削力，前刀面磨損，后刀面磨損，表面粗糙度，尺寸精度，切削溫度]作為評(píng)價(jià)因素集，通過(guò)表2得

A=[0.148，0.268，0.178，0.142，0.116，0.148]

5.結(jié)論

1）利用激光加工工藝制備了微織構(gòu)球頭銑刀，加工出的微織構(gòu)尺寸大小的穩(wěn)定性和均勻性好.

2）建立了微織構(gòu)球頭銑刀切削性能評(píng)價(jià)體系，基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法構(gòu)權(quán)，獲得各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

3）通過(guò)無(wú)織構(gòu)刀具與微織構(gòu)刀具對(duì)比試驗(yàn)研究，得出微織構(gòu)的置入有減少磨損、減少切削力和改善工件表面質(zhì)量的作用。

4）基于模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)球頭銑刀的切削性能構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，得出了微織構(gòu)球頭銑刀的切削性能的綜合評(píng)價(jià)值是0.578，無(wú)織構(gòu)球頭銑刀為0.422.因此可作為置入微織構(gòu)可以改善球頭刀切削性能的重要依據(jù).為進(jìn)一步研究微織構(gòu)球頭刀的切削性能奠定了基礎(chǔ)，并對(duì)相關(guān)微織構(gòu)的研究具有一定的參考價(jià)值。