北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 李 勛 馬 爽

中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 蘇慶懷

隨著航空、航天、先進(jìn)武器、石油化工、冶金、船舶以及能源等工業(yè)領(lǐng)域制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種難加工材料的應(yīng)用也日益廣泛[1-3]，如高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度材料、高韌性材料、耐高溫材料、高硬度材料和復(fù)合材料等。特別是在航空航天、先進(jìn)武器裝備領(lǐng)域中，更多的需要眾多零件工作在高溫、高壓、強(qiáng)氧化和燃?xì)飧g的條件下，并且能夠承受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)且能長(zhǎng)期可靠地工作；同時(shí)要求材料具備高強(qiáng)度、高剛度而質(zhì)量輕的特性（即比強(qiáng)度和比剛度或比模量高）。材料的難加工性給機(jī)械加工提出了更高的要求。

隨著材料性能的不斷提升，針對(duì)難加工材料進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具及其加工參數(shù)的選擇卻存在較大的盲目性。加工同樣的零件，利用不同檔次的機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，因其價(jià)格和維護(hù)成本相差較大，也需要對(duì)其刀具和加工參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到發(fā)揮機(jī)床和刀具最佳性能的目的。然而，當(dāng)面對(duì)種類(lèi)繁多，而且價(jià)格和性能相差巨大的機(jī)床設(shè)備和切削加工刀具時(shí)，因?yàn)闆](méi)有統(tǒng)一、量化的刀具及其加工參數(shù)評(píng)價(jià)體系，很難為其選擇合適的刀具和加工參數(shù)[4-5]。

因此，建立和完善與制造業(yè)水平相關(guān)聯(lián)的難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評(píng)價(jià)體系，不但能夠準(zhǔn)確地反映刀具及參數(shù)對(duì)難加工材料切削加工的適用性，同時(shí)，也能體現(xiàn)刀具及參數(shù)對(duì)機(jī)床和工藝條件的適用性，為工藝人員和操作者針對(duì)不同的材料和機(jī)床選擇更為合適的刀具及參數(shù)提供重要的量化參考。

1 難加工材料切削加工刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)體系

針對(duì)切削加工刀具及參數(shù)的評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，不同的材料和切削工藝條件對(duì)刀具的選擇應(yīng)起到較大的作用。在不同檔次的數(shù)控機(jī)床上切削同樣的材料或者在相同的數(shù)控機(jī)床上切削不同的材料都應(yīng)對(duì)刀具或者參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這樣才能實(shí)現(xiàn)刀具及參數(shù)的優(yōu)化選擇。

1.1 難加工材料切削加工刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)的選擇

切削加工過(guò)程是一個(gè)經(jīng)濟(jì)過(guò)程，而刀具及相應(yīng)切削參數(shù)選擇的目的也是充分發(fā)揮機(jī)床的優(yōu)勢(shì)、獲得較大的利潤(rùn)。企業(yè)的總利潤(rùn)可以用式（1）來(lái)表示。

目前，難加工材料主要分為以下5類(lèi)：高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度材料、高韌性材料、耐高溫材料、高硬度材料和復(fù)合材料等。而幾乎所有難加工材料的切削特點(diǎn)都是刀具壽命短、磨損嚴(yán)重、加工效率低，從而導(dǎo)致加工成本高[1，4-5]。同時(shí)，這些材料主要應(yīng)用于關(guān)鍵或特殊部件中，其切削性能不佳限制了它們得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，這些材料的切削加工技術(shù)水平在各行業(yè)，甚至同一行業(yè)不同企業(yè)都相差較大，很難對(duì)難加工材料制成的關(guān)重零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的價(jià)格評(píng)估，如果采用最大利潤(rùn)的目標(biāo)函數(shù)對(duì)難加工材料進(jìn)行刀具及切削參數(shù)優(yōu)選和評(píng)價(jià)，就很可能會(huì)因?yàn)闊o(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估零部件的價(jià)格而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果不符合材料實(shí)際切削加工的情況[5-8]。

高切削效率為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，是建立在切削工藝非常穩(wěn)定、刀具磨損幾乎可以忽略的前提下，或者有緊急事件發(fā)生時(shí)，可以忽略制造成本，以高切削效率為目標(biāo)，因此其不適合作為難加工材料切削刀具及工藝條件評(píng)價(jià)和優(yōu)選的目標(biāo)函數(shù)[7，9-10]。

在企業(yè)的生產(chǎn)訂單和任務(wù)、社會(huì)制造水平一定的情況下，零部件的價(jià)格是一個(gè)定值。在零部件滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，它不會(huì)隨著刀具、切削參數(shù)和工藝條件的變化而改變。根據(jù)式（1）可知，對(duì)于生產(chǎn)任務(wù)量較為穩(wěn)定的企業(yè)來(lái)說(shuō)，通過(guò)優(yōu)化刀具及切削參數(shù)來(lái)控制生產(chǎn)總成本就可以實(shí)現(xiàn)總利潤(rùn)最大化[7-10]。

1.2 單元材料可變加工成本為指標(biāo)的刀具及切削參數(shù)評(píng)價(jià)

零部件加工時(shí)的成本主要由原材料成本、工人勞動(dòng)成本、能源消耗成本、機(jī)床使用成本、刀具損耗成本以及其它工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、廠房、設(shè)備檢修、夾具使用、切削液使用成本等構(gòu)成[7，8-11]。為了更為方便地在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，對(duì)最小加工成本的優(yōu)化模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃巍＜僭O(shè)切削加工單位體積的材料所需的成本為Cu，所需的切削加工時(shí)間為tm，并且分別將單位體積材料的購(gòu)買(mǎi)成本記為cmat，工人單位時(shí)間的工時(shí)成本記為el，單位時(shí)間的能源消耗成本記為ep、單位時(shí)間機(jī)床使用成本記為em、刀具的單次使用成本記為ct以及單位時(shí)間的其他成本記為eo，則有

式中，T為在一組切削參數(shù)下刀具的有效使用壽命，可以通過(guò)具體的切削試驗(yàn)準(zhǔn)確的得出。同時(shí)，cmat、el、ep、em以及其他加工不可分割成本eo都可以準(zhǔn)確的從企業(yè)核算成本中準(zhǔn)確得到，整個(gè)計(jì)算過(guò)程也不需要等效或估算。其中，cmat為材料的市場(chǎng)價(jià)格，不隨企業(yè)的切削加工技術(shù)水平、切削參數(shù)的提高和刀具類(lèi)型的不同而改變，而el、ep、em以及eo也基本與刀具種類(lèi)和切削參數(shù)無(wú)關(guān)，因此，從目標(biāo)函數(shù)中去掉常數(shù)項(xiàng)cmat不會(huì)影響對(duì)刀具和切削參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果，并將其稱(chēng)為單元材料切削加工的可變加工成本Cu'。令Kt=el+ep+em+eo，單元材料的切削加工的可變成本Cu'可以表示為

對(duì)于難加工材料切削加工的刀具及其切削參數(shù)的評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，式（3）主要考慮以下幾個(gè)因素：

（1）通過(guò)系數(shù)Kt考慮了切削加工的工藝條件，尤其是機(jī)床的性能和成本，反映了針對(duì)難加工材料切削加工時(shí)投入的硬件條件。當(dāng)采用不同的機(jī)床、不同的夾具、不同的級(jí)別的工人等條件時(shí)，就會(huì)影響系數(shù)Kt，進(jìn)而影響單位材料的可變加工成本，從而影響刀具及加工參數(shù)選擇和評(píng)價(jià)結(jié)果；

（2）通過(guò)單次刀具使用成本ct考慮了在切削難加工材料時(shí)刀具對(duì)材料切削加工的適用性，選擇不同的刀具必然會(huì)影響Cu'；

（3）通過(guò)切削時(shí)間tm考慮切削參數(shù)對(duì)可變加工成本的影響，即將切削加工參數(shù)與成本進(jìn)行了關(guān)聯(lián)；

（4）通過(guò)刀具有效使用壽命T和切削時(shí)間tm考慮了切削難加工材料時(shí)刀具的有效使用壽命和切削效率這一矛盾關(guān)系。

通過(guò)以上的分析可以看出，單元材料可變加工成本Cu'不但可以作為難加工材料切削工藝條件優(yōu)化的指標(biāo)，也可以實(shí)現(xiàn)在給定工藝條件下，對(duì)難加工材料切削加工刀具及切削參數(shù)的量化評(píng)價(jià)。

單元材料的可變加工成本越大，說(shuō)明此種材料在特定的切削工藝條件下，刀具及相應(yīng)的切削參數(shù)不適合加工此種材料，反之，說(shuō)明刀具及切削參數(shù)與切削工藝條件和機(jī)床設(shè)備匹配較好，適合加工給定的難加工材料。此外，這種對(duì)刀具及切削參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是一個(gè)數(shù)字量，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。

2 切削加工刀具及參數(shù)量化評(píng)價(jià)實(shí)例

2.1 高強(qiáng)鈦合金TB6的銑削加工刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)

利用兩種刀具及參數(shù)針對(duì)高強(qiáng)鈦合金TB6進(jìn)行粗銑加工。刀具1為Φ32三刃立銑刀，刀片是Kennametal EDCT180532PDERLD，每個(gè)刀片可轉(zhuǎn)位2次，每片刀片的價(jià)格為100元；刀具2的刀片為Sandvik R390-1704 31E-PMS30T，每個(gè)刀片可轉(zhuǎn)位2次，每片刀片的價(jià)格為200元。

根據(jù)式（3）及其相應(yīng)參數(shù)的含義，針對(duì)高強(qiáng)鈦合金TB6切削加工的兩種刀具及切削參數(shù)進(jìn)行如下評(píng)價(jià)計(jì)算：

（1）企業(yè)工人的工資為15元/h，因此得到單位時(shí)間的工時(shí)成本el=0.25元/min；

（2）機(jī)床采用桂林機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的XH2312/2.5三坐標(biāo)龍門(mén)加工中心，價(jià)格為200萬(wàn)元，使用年限為20年，因此，計(jì)算出機(jī)床使用成本em=200×104/(20×365×8×60)=0.571 元 /min；

（3）機(jī)床的總功率為40kW，切削加工過(guò)程中按照50%的平均功率，則每小時(shí)的耗電量為20度，工業(yè)用電按1元/度，從而能夠得到單位時(shí)間的能源消耗成本為ep=0.333元 /min；

（4）其他不可分割的成本eo=0.1元/min，包括廠房費(fèi)、切削液費(fèi)用、工裝夾具費(fèi)等；

（5）刀具1為Φ32三刃立銑刀，刀片可轉(zhuǎn)位2次，每片刀片的價(jià)格為100元，得到單次刀具使用成本為ct=3×100/2=150元；刀具2的刀片價(jià)格為200元，得到單次刀具使用成本為ct=3×200/2=300元；

（6）企業(yè)在上述工藝條件下，利用刀具1銑削TB6的參數(shù)為：vf=72mm/min，ap=7mm，ae=8mm，因此，得到單位立方厘米材料的切削加工時(shí)間tm=1000/（72×7×8）=0.248min，在此切削參數(shù)及工藝條件下，刀具的有效使用壽命T=360min；利用刀具2銑削加工TB6的參數(shù)為：vf=110mm/min，ap=5mm，ae=12mm，因此，得到單位立方厘米材料的切削加工時(shí)間tm=1000/（110×5×12）=0.152min，在此切削參數(shù)及工藝條件下，刀具2的有效使用壽命T=120min。

將以上的計(jì)算數(shù)值代入式（3）中，分別可以得到兩種刀具在其對(duì)應(yīng)切削參數(shù)條件下銑削加工TB6單元材料的可變加工成本分別為：

兩種刀具的加工效率及單元材料銑削加工的可變加工成本如圖1所示。

通過(guò)以上的計(jì)算得到了兩種刀具銑削加工TB6材料時(shí)的單元材料可變加工成本分別為0.414元和0.571元。雖然從加工效率來(lái)說(shuō)，刀具2的材料去除率為6600mm3/min，是刀具1材料去除率4032mm3/min的1.64倍，但是在去除單元體積TB6材料時(shí)刀具2所消耗的成本是刀具1所消耗成本的1.38倍，從企業(yè)的經(jīng)濟(jì)角度考慮，刀具1及其相應(yīng)的切削參數(shù)更適合加工TB6鈦合金材料。

2.2 鈦合金TC4銑削加工刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)

圖1 兩種刀具針對(duì)TB6材料的加工效果對(duì)比Fig.1 Contrast results of two kinds of cutting tools on machining TB6

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的鈦合金TC4（固溶時(shí)效狀態(tài)）進(jìn)行整體硬質(zhì)合金刀具及切削參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比。刀具1為硬質(zhì)合金焊接整體刀具，直徑為Φ20mm，3齒，價(jià)格300元。刀具2為硬質(zhì)合金整體立銑刀，直徑Φ20mm，4齒，價(jià)格為1400元。機(jī)床三坐標(biāo)立式加工中心，機(jī)床總功率為25kW，價(jià)格45萬(wàn)元。利用單元材料的可變加工成本為指標(biāo)對(duì)兩種刀具及切削參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比，計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如表1和圖2所示。

從以上的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果可以看出，兩種刀具的價(jià)格、切削參數(shù)及使用壽命都不相同，很難判斷、評(píng)價(jià)兩種刀具對(duì)加工條件和材料的適用性。但是在相同的機(jī)床和工藝條件下都能得到相應(yīng)的單元材料可變加工成本。從而反映出在實(shí)驗(yàn)機(jī)床和工藝條件下，刀具1及相應(yīng)參數(shù)與刀具2相比的更適合銑削加工鈦合金TC4，其單元材料可變加工成本是刀具2的43.4%。

2.3 高溫合金GH4133B車(chē)削刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)

通過(guò)2.1和2.2的分析計(jì)算可知，利用最小單元材料可變加工成本可以量化的評(píng)價(jià)刀具及參數(shù)對(duì)切削工藝條件和材料的適用性。以下對(duì)高溫合金GH4133B的車(chē)削加工刀具及參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算。

表1 鈦合金TC4銑削加工刀具及參數(shù)的評(píng)價(jià)和對(duì)比

圖2 兩種刀具針對(duì)TC4材料的加工效果對(duì)比Fig.2 Contrast results of two kinds of cutting tools on machining TC4

試驗(yàn)設(shè)備采用瀧澤數(shù)控車(chē)床TC-46，機(jī)床功率為22kW，價(jià)格為79萬(wàn)元。刀具采用3種：刀具1為Sandvik陶瓷刀具，價(jià)格為300元/片，可轉(zhuǎn)位8次；刀具2為Sandvik硬質(zhì)合金刀具，價(jià)格為65元/片，可轉(zhuǎn)位4次；刀具3為Kennametal硬質(zhì)合金刀具，價(jià)格為72元/片，可轉(zhuǎn)位4次。試件為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)，如圖3所示，材料為GH4133B，零件直徑為φ320mm。

圖3 GH4133B發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)Fig.3 GH4133B engine turbine disc

分別利用3種刀片在各自相對(duì)優(yōu)化的參數(shù)條件下對(duì)材料進(jìn)行車(chē)削加工，根據(jù)加工情況對(duì)3種刀具及參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2和圖4所示。雖然陶瓷刀具的單次使用成本最高、刀具單次使用壽命也最短，但是，其較高的材料去除率使陶瓷刀具的單元材料可變加工成本最低，說(shuō)明在以上機(jī)床和工藝條件、刀具及切削參數(shù)的情況下，刀具1及相應(yīng)的車(chē)削參數(shù)對(duì)于加工GH4133B材料來(lái)說(shuō)最具經(jīng)濟(jì)性，而刀具2和刀具3在其相應(yīng)的參數(shù)條件下，雖然刀具成本較低、刀具的使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)，但是，其材料去除率較低，耗費(fèi)了較多的機(jī)床、人工工時(shí)、能耗和其它工藝成本，從而影響了加工GH4133B材料的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，通過(guò)以上的車(chē)削試驗(yàn)也能夠說(shuō)明利用單元材料可變加工成本的刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)體系能夠較為客觀的實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)削加工刀具及參數(shù)的量化評(píng)價(jià)，為刀具、參數(shù)的選擇和評(píng)價(jià)提供更為準(zhǔn)確的量化指標(biāo)。

表2 GH4133B車(chē)削加工刀具及參數(shù)的評(píng)價(jià)計(jì)算

圖4 3種刀具針對(duì)GH4133B材料的加工效果對(duì)比Fig.4 Trast results of three kinds of cutting tools on machining GH4133B

3 結(jié)論

（1）針對(duì)種類(lèi)繁多、切削性能和機(jī)理各異的刀具及參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，以單元體積材料可變加工成本為指標(biāo)較為適合難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評(píng)價(jià)；

（2）基于單元體積材料可變加工成本的刀具及參數(shù)評(píng)價(jià)體系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評(píng)價(jià)，并且將刀具及參數(shù)的評(píng)價(jià)與切削加工設(shè)備、能耗等工藝條件結(jié)合在一起，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更適合實(shí)際生產(chǎn)的需要；

（3）在整個(gè)刀具及參數(shù)的評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程中不需要對(duì)切削過(guò)程中的條件和因素進(jìn)行等效和估算，是以整個(gè)切削過(guò)程的真實(shí)情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算的，因此，針對(duì)不同刀具及參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果更為直觀，且一致性、準(zhǔn)確性較高。

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