趙威　王盛璋　李亮　楊吟飛

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

面向鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削刀具性能評(píng)價(jià)*

趙威王盛璋李亮楊吟飛

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

摘要：航空鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料和結(jié)構(gòu)雙重難加工特性,選擇刀具時(shí)既要考慮刀具/工件在材料方面的匹配,又要關(guān)注刀具/工件在結(jié)構(gòu)方面的匹配.針對(duì)目前國內(nèi)航空制造業(yè)在鈦合金結(jié)構(gòu)件高性能加工方面對(duì)銑削刀具選擇及評(píng)價(jià)的迫切需求,在已有研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了綜合考慮航空鈦合金結(jié)構(gòu)件難加工特征的典型基準(zhǔn)件模型,基于模糊數(shù)學(xué)理論分別構(gòu)建了粗、精加工刀具性能模糊綜合評(píng)價(jià)模型,并進(jìn)行了基準(zhǔn)件模型銑削試驗(yàn),應(yīng)用所構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)銑削刀具性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分析.研究結(jié)果表明,所構(gòu)建的基準(zhǔn)件模型和模糊綜合評(píng)價(jià)模型可以準(zhǔn)確、快捷地評(píng)價(jià)銑削刀具性能.

關(guān)鍵詞：鈦合金;航空結(jié)構(gòu)件;銑削;切削性能評(píng)價(jià)

鈦合金憑借其優(yōu)越的綜合性能在航空、航天等領(lǐng)域得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用.航空鈦合金結(jié)構(gòu)件材料和結(jié)構(gòu)的雙重難加工性對(duì)其切削加工技術(shù)提出了更高的要求,而刀具是影響鈦合金切削加工的最直接因素,也是鈦合金切削加工的根本保障和必備條件之一[1].因此,為保證航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工效率和質(zhì)量穩(wěn)定性,選擇刀具時(shí)既要考慮刀具/工件在材料方面的匹配,又要關(guān)注刀具/工件在結(jié)構(gòu)方面的匹配.

鈦合金是典型的難加工材料,為了提高其可加工性,國內(nèi)外對(duì)鈦合金加工刀具做了大量研究,如刀具材質(zhì)的研究[2],刀具切削過程的有限元仿真[3- 4],刀具幾何參數(shù)或刀具磨損對(duì)切削力、溫度場、加工質(zhì)量的影響等[5-7].但以往研究往往忽略了鈦合金零件結(jié)構(gòu)的難加工性,尚缺乏行之有效的鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具綜合評(píng)價(jià)方法.

影響刀具切削性能的因素十分復(fù)雜,而且各因素之間往往交互作用,因而難以定量地去評(píng)價(jià)刀具的綜合切削性能.模糊數(shù)學(xué)理論是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究、處理帶有模糊現(xiàn)象的一種理論和方法,能較好地解決模糊的、難以量化的以及各種非確定性的問題,可以用來解決刀具性能的綜合評(píng)價(jià)問題,已在刀具控制、評(píng)價(jià)等方面得到了一定的應(yīng)用[8-13].文獻(xiàn)[10]在考慮刀具壽命合理值模糊性的條件下,基于模糊概率理論提出了刀具壽命可靠性的計(jì)算公式,并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了分析與驗(yàn)證;文獻(xiàn)[11]確定了銑刀片溫度場的評(píng)價(jià)指標(biāo),并引入模糊數(shù)學(xué)的方法構(gòu)建其模糊綜合評(píng)價(jià)模型,以此來判斷溫度場的優(yōu)劣;文獻(xiàn)[13]構(gòu)建了航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能的模糊綜合評(píng)價(jià)模型,并通過銑削試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性.

為此,文中在已有研究[13]的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提取航空鈦合金典型的難加工特征,優(yōu)化其基準(zhǔn)件模型,基于模糊數(shù)學(xué)理論并結(jié)合鈦合金粗、精加工的工藝特點(diǎn)分別構(gòu)建粗、精加工銑削刀具性能的綜合評(píng)價(jià)模型,并通過基準(zhǔn)件模型的銑削試驗(yàn)進(jìn)行分析和驗(yàn)證.

1基準(zhǔn)件模型設(shè)計(jì)

盡管航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,但其結(jié)構(gòu)特征可進(jìn)一步細(xì)分為槽腔、加強(qiáng)筋和輪廓及其子特征等.由于典型難加工特征會(huì)影響其切削刀具的性能,因此很有必要針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件的典型特征設(shè)計(jì)典型基準(zhǔn)件模型,并進(jìn)行銑削試驗(yàn)綜合評(píng)估刀具的性能[13-14].為此,文中在文獻(xiàn)[13]基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)了航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能評(píng)估的典型基準(zhǔn)件模型,如圖1所示.同文獻(xiàn)[13]中的基準(zhǔn)件模型相比,圖1所示的基準(zhǔn)件模型涵蓋了更全面、更簡潔的典型特征.

圖1　典型基準(zhǔn)件模型Fig.1　Typical benchmark model

基準(zhǔn)件模型的輪廓尺寸為186 mm×104 mm×37 mm,兩邊沉孔用于裝夾,由壁1-4構(gòu)成的S形輪廓高度為20 mm,壁厚為2 mm;反面封閉槽腔尺寸為110 mm×60 mm×15 mm,腹板厚度為2 mm.其中壁1代表直壁,壁2代表圓弧壁,壁3代表開、閉角的圓弧壁,壁4代表開、閉角的直壁,它們共同構(gòu)成了一段包含4種不同典型特征的S輪廓.

2銑削刀具性能模糊綜合評(píng)價(jià)模型

航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具的性能受到多種因素的影響,各因素之間交互作用且難以量化,因而模糊綜合評(píng)價(jià)非常適合解決此問題.在模糊綜合評(píng)價(jià)中,權(quán)重的確定以及算子的選擇至關(guān)重要[15].文獻(xiàn)[13]中根據(jù)粗、精加工的特點(diǎn)確定了各因素權(quán)重,并采用了常用的加權(quán)平均模型.文中在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究,采用層次分析法(AHP)確定各因素權(quán)重,并針對(duì)評(píng)價(jià)的非線性特點(diǎn)構(gòu)建更具一般性的非線性算子.

2.1　確定各因素權(quán)重

層次分析法是一種定量分析和定性分析相結(jié)合的決策方法,能夠有效地確定銑削刀具各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性及權(quán)重.在航空鈦合金銑削過程中,粗加工時(shí)主要關(guān)注刀具壽命、加工效率,精加工時(shí)主要關(guān)注加工質(zhì)量和刀具壽命.文中根據(jù)粗、精加工的不同特點(diǎn),采用9標(biāo)度法[16]確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果如表1所示.

表1　各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Table 1　Weights of evaluation indexes

2.2　確定模糊算子

目前常用的加權(quán)平均模型實(shí)質(zhì)上是一種線性加權(quán)方法,為了更合理地評(píng)價(jià)刀具性能,文中采用一種可以反映某些指標(biāo)突出影響的非線性模型[17].模糊綜合評(píng)價(jià)模型為

(1)

式中:A為權(quán)重模糊向量;αi(i=1,2,…,n)為A中第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重;R為模糊關(guān)系矩陣;rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ui相對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度;° 為模糊算子,具體可表示為

(2)

2.3　構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型

航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削過程中,粗、精加工的目的不一樣,因此有必要分別針對(duì)粗、精加工刀具選取不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)并構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型.

2.3.1粗加工刀具性能評(píng)價(jià)模型

粗加工刀具性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)較少,一級(jí)模型就可以很好地反映刀具性能的優(yōu)劣,建立粗加工刀具性能評(píng)模型的具體步驟如下:

(1)建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集U={u1,u2},其中u1為刀具后刀面平均磨損量VB,u2為金屬去除率Q.

(2)將刀具性能分為4個(gè)等級(jí),建立評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3,v4},其中v1、v2、v3、v4分別表示刀具性能為優(yōu)秀、良好、一般、差.

(3)單因素評(píng)價(jià),即在因素集和評(píng)價(jià)集之間構(gòu)建一個(gè)模糊映射,從而得到粗加工刀具性能模糊關(guān)系矩陣R=(rij).隸屬度通過相應(yīng)的隸屬函數(shù)來確定,粗加工刀具磨損的隸屬函數(shù)見圖2.

圖2　粗加工評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)Fig.2　Membership functions of roughing tool evaluation indexes

(4)綜合評(píng)價(jià).(U,V,R)構(gòu)成了一個(gè)模糊綜合評(píng)價(jià)模型,模糊綜合評(píng)價(jià)可表示為B=A°R,其中A為U中不同因素的權(quán)重模糊向量(見表1).由式(2)可知,模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

(3)

B=(b1,b2,b3,b4)=

(4)

根據(jù)最大隸屬度原則,令b=max(b1,b2,b3,b4),b則為應(yīng)用該模型對(duì)刀具性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果.此外,文中還規(guī)定隸屬度值低于0.6時(shí)最大隸屬度失效,故需用C值進(jìn)一步評(píng)價(jià).

(5)

2.3.2精加工刀具性能評(píng)價(jià)模型

精加工刀具性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)較多且具有層次性,故采用二級(jí)模型評(píng)價(jià)刀具性能的優(yōu)劣,建立精加工刀具性能評(píng)價(jià)模型的具體步驟如下:

(1)建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集和評(píng)價(jià)集.因素集U={u1,u2,u3},其中u1為表面粗糙度Ra,u2為尺寸精度,u3為刀具后刀面平均磨損量.將因素集分為U1={u1,u2}和U2={u3},U1代表加工質(zhì)量,U2代表刀具壽命.精加工刀具性能評(píng)價(jià)集同粗加工刀具性能評(píng)價(jià)集.

(2)單因素評(píng)價(jià).表征因素集與評(píng)價(jià)集關(guān)系的隸屬函數(shù)亦用模糊關(guān)系矩陣表示,精加工各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)如圖3所示.

圖3　精加工評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)Fig.3　Membership functions of finishing tool evaluation indexes

(3)對(duì)U1作一級(jí)綜合評(píng)價(jià),權(quán)重為A1=(α11,α12),由表1可知評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重均為0.5,由隸屬函數(shù)可得模糊關(guān)系矩陣R1=(r1ij).根據(jù)式(2)可知

B1′=A1°R1=(b11′ ,b12′ ,b13′ ,b14′ )=

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行歸一化,得

(7)

U2中只有一個(gè)因素,則 B2=(b21,b22,b23,b24)=R2=(r2ij).

(4)對(duì)第一級(jí)因素集U={U1,U2}進(jìn)行二級(jí)綜合評(píng)價(jià),由表1可知A=(α1,α2)=(0.83,0.17).那么,總單因素評(píng)價(jià)矩陣為

(8)

作二級(jí)綜合評(píng)價(jià),得

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行歸一化,并根據(jù)最大隸屬度原則得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,當(dāng)最大隸屬度原則失效時(shí),根據(jù)式(5)的C值進(jìn)一步評(píng)價(jià).

3刀具性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)與分析

3.1　基準(zhǔn)件銑削試驗(yàn)

銑削試驗(yàn)在MikronUCP710 五坐標(biāo)高速加工中心上進(jìn)行,應(yīng)用工具顯微鏡測量刀具后刀面平均磨損量VB,通過MahrS3P測量儀和三坐標(biāo)測量機(jī)分別測量精加工后的表面粗糙度Ra和尺寸精度.

粗加工刀具為WALTERP23696-1.0系列大進(jìn)給刀片WSM35、WSP45、WSM35S、WSP45S,該系列刀具前角為16°、后角為14°;精加工刀具幾何參數(shù)見表2,其中D為刀具直徑，R為刀尖圓角半徑，W、M分別代表WALTER、M.A.FORD刀具.

表2　精加工刀具幾何參數(shù)　Table2　Geometricparametersoffinishingtools

粗加工采用大進(jìn)給刀具,正反面均采用型腔銑,正面采用直線進(jìn)刀,反面采用螺旋下刀,下刀角度為0.6°,走刀方式為環(huán)切,余量為2mm.WSM35S、WSP45S刀片銑削參數(shù):切削速度80m/min,每齒進(jìn)給量1mm,徑向切深12.5mm,軸向切深0.6mm.WSM35、WSP45刀片銑削參數(shù):切削速度60m/min,每齒進(jìn)給量0.8mm,徑向切深12.5mm,軸向切深0.6mm.

精加工時(shí),先加工底面腹板然后加工側(cè)壁.腹板采用平面銑,下刀速度為加工進(jìn)給速度的50%,轉(zhuǎn)角處減速,徑向切深為刀具直徑的50%,切削速度110m/min,每齒進(jìn)給量0.12mm,軸向切深1.5、0.5mm.S形側(cè)壁采用外形輪廓銑、直線進(jìn)刀方式,軸向分3層,軸向切深6~8mm;徑向分兩層,徑向切深1.5、0.5mm,切削速度60m/min,每齒進(jìn)給量0.08mm.反面封閉槽腔的側(cè)壁采用螺旋下刀,轉(zhuǎn)角處減速,軸向分兩層,軸向切深7、8mm,其余切削參數(shù)同正面S形側(cè)壁.

3.2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)所制定的加工策略對(duì)基準(zhǔn)件模型進(jìn)行銑削試驗(yàn).表3為4種刀片加工不同特征時(shí)后刀面平均磨損量的測量結(jié)果及金屬去除率.根據(jù)表3并運(yùn)用粗加工模型進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),結(jié)果如表4所示.

表3　粗加工刀具試驗(yàn)結(jié)果Table3　Experimentalresultsofroughingtools

對(duì)不同刀具進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)時(shí),首先依據(jù)最大隸屬度值進(jìn)行評(píng)價(jià),當(dāng)最大隸屬度原則失效時(shí)采用C值進(jìn)一步評(píng)價(jià).由表4可知,粗加工開口槽1和2(均為S形開口槽)的4種刀具的切削性能均為良好.值得注意的是,WSM35刀片對(duì)于良好的隸屬度值低于0.6,且對(duì)于優(yōu)秀也有一定的隸屬度值,此時(shí)最大隸屬度原則失效,需采用C值進(jìn)一步評(píng)價(jià).此外,WSP45S和WSP45的切削性能相差不大.綜上所述,粗加工開口槽的4種刀片性能從高到低的順序依次為WSM35S、WSM35、WSP45S、WSP45.粗加工反面閉口槽時(shí),WSM35S和WSM35的切削性能均為優(yōu)秀且最大隸屬度原則有效,但WSM35S對(duì)于優(yōu)秀的隸屬度值高于WSM35,故加工封閉槽腔時(shí)WSM35S的切削性能優(yōu)于WSM35,該結(jié)論與文獻(xiàn)[13-14]一致.由表4還可以知道,同一刀片加工不同特征時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的切削性能.如WSM35S刀片粗加工閉口槽時(shí)切削性能優(yōu)秀,但加工S形區(qū)域時(shí)的切削性能為良好,這進(jìn)一步說明了典型結(jié)構(gòu)特征會(huì)影響刀具的切削性能.

表4　粗加工刀具模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table4　Fuzzycomprehensiveevaluationresultsofroughingtools

表5為精加工各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測量結(jié)果,根據(jù)表5并運(yùn)用文中所構(gòu)建的精加工模型進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),結(jié)果如表6所示.

表5　精加工刀具試驗(yàn)結(jié)果Table5　Experimentalresultsoffinishingtools

由文獻(xiàn)[13-14]可知,精加工閉口槽時(shí)4齒尖角刀具的綜合性能優(yōu)于4齒R角刀具,精加工開口槽時(shí)R角刀具的綜合性能優(yōu)于尖角刀具,故文中在此基礎(chǔ)上分別選取了兩種不同廠家的銑削刀具.由表6可知,精加工S形輪廓時(shí),W-T3和M-T4的切削性能均為良好,但最大隸屬度原則失效,故由C值進(jìn)一步評(píng)價(jià)可知,W-T3的切削性能更為優(yōu)越.精加工閉口槽時(shí),W-T1和M-T2的切削性能均為一般,由C值進(jìn)一步評(píng)價(jià)可知,M-T2的切削性能更為優(yōu)越.

表6　精加工刀具模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table6　Fuzzycomprehensiveevaluationresultsoffinishingtools

4結(jié)論

(1)基于航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的典型特征及其工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了通用的基準(zhǔn)件模型,分別構(gòu)建了粗、精加工刀具性能綜合評(píng)價(jià)模型,并通過基準(zhǔn)件模型的銑削試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的可行性,為航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具的優(yōu)化選擇提供了一定的參考依據(jù).

(2)粗加工含S形結(jié)構(gòu)的開口槽時(shí),4種刀片的切削性能均為良好,但最大隸屬度和C值不一樣,其性能從高到低的順序依次為WSM35S、WSM35、WSP45S、WSP45.粗加工閉口槽時(shí),WSM35S和WSM35的切削性能均為優(yōu)秀,但WSM35S的切削性能優(yōu)于WSM35.由相同刀片加工不同特征所體現(xiàn)出的不同切削性能進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)特征對(duì)刀具切削性能的影響.

(3)精加工時(shí),選取了不同廠家的相同幾何參數(shù)的銑削刀具加工相同的典型特征,結(jié)果表明:精加工含有4種不同典型特征的S形區(qū)域時(shí),WALTER4齒R角刀具的切削性能優(yōu)于M.A.FORD4齒R角刀具;精加工閉口槽時(shí),M.A.FORD4齒尖角刀具的綜合性能優(yōu)于WALTER4齒尖角刀具.

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Evaluation of Cutting Tool Performance of End Mills for Titanium Alloy Components

ZhaoWeiWangSheng-zhangLiLiangYangYin-fei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China)

Abstract:The machining of the titanium aircraft component is difficult to conduct in terms of material and structure, so both the structural and material matches between cutting tools and work-pieces need to be considered. At present, a systematic method to evaluate and select cutting tools used in the high-performance machining of domestic aviation manufacturing industry is highly demanded. Aiming at this issue, a testing benchmark model is constructed on the basis of existing researches in this paper, which takes into account the typical difficult-to-cut features of titanium aircraft components, and proposes two fuzzy comprehensive evaluation models of cutting tool performance of rough and finish milling on the basis of fuzzy mathematics theory. Then, by the milling experiments of the benchmark model, the proposed fuzzy comprehensive evaluation models are used to evaluate the cutting tool performance of end mills. The results show that the constructed benchmark model and the proposed fuzzy comprehensive evaluation models can be used to assess the cutting tool performance of end mills for titanium aircraft components accurately and rapidly.

Key words:titanium alloys; aircraft component; milling; cutting performance evaluation

中圖分類號(hào)：TG714

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.09.019

作者簡介：趙威(1977-),男,博士,副教授,主要從事難加工材料與難加工結(jié)構(gòu)的高速、高性能加工技術(shù)研究.E-mail: nuaazw@nuaa.edu.cn

*基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04003- 021)

收稿日期：2015-01-19

文章編號(hào)：1000-565X(2015)09-0121-07

Foundation item： Supported by the National Science and Technology Major Project of China(2012ZX04003- 021)