吳志遠(yuǎn)，張 康，王朋曉，王 龍

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)可以大幅降低試驗(yàn)次數(shù)，快速獲得相關(guān)現(xiàn)象的試驗(yàn)規(guī)律，在加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1-2］。評(píng)價(jià)指標(biāo)是判定各組試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)劣的依據(jù)，其設(shè)置的有效性和針對(duì)性將直接關(guān)系到試驗(yàn)的成敗，是優(yōu)化試驗(yàn)的核心問(wèn)題。目前，難加工材料切削試驗(yàn)所應(yīng)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)［6-8］:上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和應(yīng)用具有較大的隨意性，不同評(píng)價(jià)結(jié)果的可比性不高，甚至由于對(duì)指標(biāo)應(yīng)用特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)不足，出現(xiàn)指標(biāo)誤用現(xiàn)象。本文結(jié)合前期試驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)，在同一組正交試驗(yàn)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(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合加工效率對(duì)各指標(biāo)應(yīng)用的特性進(jìn)行分析。

1 方法設(shè)計(jì)與試驗(yàn)條件

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以T、L和Q分別作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以切削用量3要素的切削速度v、進(jìn)給量f、切削深度ap作為優(yōu)化對(duì)象，每個(gè)因素考慮3個(gè)水平，利用正交表L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。

試驗(yàn)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(guò)程屬于沖擊性加工，切削的堆焊層硬度為30HRC。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為最后結(jié)果。試驗(yàn)中采用后刀面磨損值0．3 mm為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

2 3種優(yōu)化指標(biāo)對(duì)比分析

2．1 刀具耐用度評(píng)價(jià)結(jié)果分析

刀具耐用度T是切削參數(shù)選擇的一個(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 以T作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出:以T作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，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(dá)到最大值51 min。但由于其對(duì)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(gè)刃磨周期內(nèi)，采用該組合時(shí)的材料去除總量?jī)H為408 cm3，也沒有達(dá)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(duì)T的影響程度，與刀具材料無(wú)關(guān);C0為直線在縱坐標(biāo)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(dāng)C0一定時(shí)，v越大，則T越小。這個(gè)規(guī)律在不同加工場(chǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(yàn)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(duì)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(shí)滿足加工效率和切削效果的最優(yōu)。依此類推，對(duì)于所選因素中包含了切削用量的刀具角度優(yōu)化過(guò)程也存在同樣的問(wèn)題。

圖1 以T作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的效應(yīng)曲線

試驗(yàn)可以作為參考的是表1中進(jìn)給量、切削速度、切削深度由大至小的極差排序。進(jìn)給量的極差最大，說(shuō)明它對(duì)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(shuō)進(jìn)給量增加對(duì)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(píng)價(jià)結(jié)果分析

當(dāng)毛坯余量較小，不需要過(guò)分關(guān)注材料去除效率和去除總量時(shí)，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(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 以L作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見:以L作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，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(dá)到最大。計(jì)算可得該參數(shù)下加工效率為32 cm3/min，遠(yuǎn)高于刀具耐用度評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jìn)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(jìn)一步量化了切削參數(shù)，達(dá)到了最大的已加工表面形成量。

圖2為以L作為評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)過(guò)程中的局限性，可以說(shuō)本評(píng)價(jià)是一次成功的評(píng)價(jià)。

2．3 材料去除總量評(píng)價(jià)結(jié)果分析

粗加工時(shí)，毛坯余量較多，盡可能多地去除材料是工藝完美實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。以材料去除總量Q作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖2 以L作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的效應(yīng)曲線

表3 以Q作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出:以Q作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，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(dá)到最大。計(jì)算可得該參數(shù)下加工效率為16 cm3/min，高于刀具耐用度評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，但低于切削里程的評(píng)價(jià)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(jìn)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(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(jìn)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(píng)價(jià)結(jié)果又存在顯著差異。

圖3 以Q作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的效應(yīng)曲線

3 結(jié)論

1)采用刀具耐用度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，切削用量?jī)?yōu)化結(jié)果對(duì)應(yīng)于最小值，極差排序也難以定量地評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化時(shí)，其結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較低。

2)采用切削里程作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，正交試驗(yàn)的極差排序與刀具耐用度排序一致，但本組試驗(yàn)可以定量地獲得試驗(yàn)環(huán)境下的最優(yōu)切削用量。試驗(yàn)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(dāng)可觀，是較為成功的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3)采用材料去除總量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，主要以增大材料去除量作為目標(biāo)，其切削參數(shù)的選用原則與其他2種評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果具有明顯的差異。但加工效率仍能達(dá)到刀具耐用度評(píng)價(jià)的2倍。

4)切削過(guò)程根據(jù)需求可分為最佳經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是不同的。采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，切削參數(shù)的選用原則差異較大，足以影響試驗(yàn)結(jié)果的有效性。因此，試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和選用。

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