超高強(qiáng)度鋼高速切削工藝參數(shù)優(yōu)化*

吳順興，畢仁貴，劉志勇

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

超高強(qiáng)度鋼因其高強(qiáng)度、良好的塑性和抗沖擊韌性等優(yōu)良機(jī)械性能，而廣泛應(yīng)用于航空、汽車和軍工等領(lǐng)域[1-2].但是，在切削過(guò)程中，由于切削力大、切削溫度高和刀具磨損嚴(yán)重等，使得超高強(qiáng)度鋼成為難加工材料.高速切削加工技術(shù)是適合難加工材料切削的先進(jìn)加工方法，有助于提高切削效率和改善加工表面的質(zhì)量[3].目前，針對(duì)超高強(qiáng)度鋼高速切削過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度、切屑和刀具磨損的影響規(guī)律，學(xué)者們做了一些研究[4-8]，但對(duì)于超高強(qiáng)度鋼高速切削過(guò)程中工藝參數(shù)優(yōu)化的研究較少.

金屬陶瓷材料既具有陶瓷刀具強(qiáng)度高、硬度高和高溫化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，又具有金屬刀具的韌性和可塑性，是一種全新的刀具材料，適用于難加工材料的加工[9].相關(guān)研究[10-13]也表明，金屬陶瓷刀具用于難加工材料切削時(shí)顯示出優(yōu)異的切削性能.因此，筆者擬結(jié)合金屬陶瓷刀具的切削性能和高速切削加工技術(shù)，利用金屬陶瓷刀具對(duì)超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，并綜合考慮刀具磨損速率和切削加工效率以優(yōu)化切削工藝參數(shù)，從而為金屬陶瓷刀具應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼高速切削加工時(shí)如何合理選擇工藝參數(shù)提供參考.

1 金屬陶瓷刀具高速銑削超高強(qiáng)度鋼刀具磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的工件材料為超高強(qiáng)度鋼32Cr3NiMoVA，長(zhǎng)150 mm，寬50 mm，高70 mm；刀盤為山特維克的通用方肩面銑刀 CoroMill290，直徑100 mm；刀片為山特維克生產(chǎn)的金屬陶瓷刀具，型號(hào)R290-12T308M-PM 530，試驗(yàn)時(shí)，刀盤上只安裝1個(gè)刀片；高速銑削試驗(yàn)在KVC800/1型四軸三聯(lián)動(dòng)立式加工中心上進(jìn)行，銑削方式為干式銑削和對(duì)稱銑削.刀具及工件安裝如圖1所示.刀片后刀面磨損量的測(cè)量工具為日本基恩士生產(chǎn)的超景深顯微系統(tǒng)(圖2).

圖1 刀具及工件安裝Fig. 1 Tool and Workpiece Installation

2 超景深顯微系統(tǒng)Fig. 2 Ultra Depth of Field Microscopic System

1.2 試驗(yàn)方案

刀具磨損試驗(yàn)采用三因素三水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1.刀具磨損試驗(yàn)中，每一組切削參數(shù)采用一個(gè)新刀片，當(dāng)?shù)侗P在工件長(zhǎng)度方向上切削完一個(gè)長(zhǎng)度為150 mm的工件后，采用超景深顯微鏡系統(tǒng)測(cè)量刀片后刀面的磨損量大小.后刀面磨損量的測(cè)量如圖3所示.

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

圖3 后刀面磨損量測(cè)量Fig. 3 Flank Wear Measurement

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)

其中u為刀片后刀面磨損量.

正交試驗(yàn)結(jié)果和刀具磨損速率列于表2.

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test Results

2 刀具磨損速率預(yù)測(cè)模型

為了建立切削參數(shù)與刀具磨損速率的關(guān)系的模型，將刀具磨損速率表示為關(guān)于切削速度、進(jìn)給量和軸向切深的函數(shù).于是，刀具磨損速率預(yù)測(cè)模型可表示為

(2)

其中k，l，m，n為切削參數(shù)的修正系數(shù).對(duì)(2)式兩邊取對(duì)數(shù)，得到

lne=lnk+llnν+mlnf+nlnap.

(3)

(4)

將表2中的切削參數(shù)代入(4)式，即可得到刀具磨損速率的預(yù)測(cè)值.預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差見(jiàn)表3.

表3 刀具磨損速率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差Table 3 Predicted Value of Tool Wear Rate and Its Relative Error with the Measured Value

從表3可知，刀具磨損速率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差最大值為7.84%，說(shuō)明刀具磨損速率預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度滿足要求.此外，從預(yù)測(cè)模型(4)可知，3個(gè)工藝參數(shù)中切削速度的指數(shù)最大，說(shuō)明對(duì)刀具磨損速率影響最大的工藝參數(shù)是切削速度.這主要是因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣呤沟们邢鳒囟仍龃?，從而造成刀具快速磨損.

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

刀具的磨損不僅會(huì)降低刀具的使用壽命，而且會(huì)增大切削力和工件表面粗糙度；因此，在提高切削效率的基礎(chǔ)上如何保證刀具的低磨損速率是學(xué)者們關(guān)注的問(wèn)題.

切削效率與切削速度、進(jìn)給量、軸向切深和徑向切深(本研究銑削方式為對(duì)稱銑削，徑向切深不變)有關(guān)，因此超高強(qiáng)度鋼的切削效率可近似表示為

(5)

單位為mm3/s.于是，以刀具磨損速率最小和切削效率最高的目標(biāo)函數(shù)可表示為

(6)

其中w1和w2分別為刀片磨損速率和切削效率的加權(quán)系數(shù).

w1和w2分別取0.5，各因素的約束條件與表1一致，利用MATLAB優(yōu)化工具箱中的遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)(6)進(jìn)行求解，得到最優(yōu)切削工藝參數(shù)組合為：切削速度600 m/min，進(jìn)給量0.1 mm/r，軸向切深0.75 mm.

4 結(jié)論

(1)通過(guò)超高強(qiáng)度鋼高速銑削試驗(yàn)建立了金屬陶瓷刀具磨損速率預(yù)測(cè)模型，由預(yù)測(cè)模型得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為7.84%；由預(yù)測(cè)模型可知，對(duì)刀具磨損速率影響最大的工藝參數(shù)為切削速度.

(2)以刀具磨損速率最低和切削效率最高作為優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳算法對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的切削參數(shù)組合為：切削速度600 m/min，進(jìn)給量0.1 mm/r，軸向切深0.75 mm.