楊 東，賈天浩

（安徽大學(xué) 機(jī)械工程系，安徽 合肥 230601）

0 引言

鈦合金因比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱強(qiáng)度高等一系列優(yōu)異的性能，在航空航天、國(guó)防工業(yè)等高端裝備制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。銑削是鈦合金結(jié)構(gòu)件加工中最常用的方法之一。但是，由于鈦合金切削過(guò)程溫度高、切削力大、刀具易磨損等，鈦合金的加工表面質(zhì)量很難控制[2]。探明鈦合金銑削加工表面形貌特征及其對(duì)切削參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)實(shí)現(xiàn)鈦合金加工表面質(zhì)量調(diào)控和提升鈦合金結(jié)構(gòu)件服役性能具有重要理論和實(shí)踐意義。

銑削加工表面形貌的創(chuàng)成取決于多種因素，如切削參數(shù)、刀具材料、刀具磨損程度等，其中切削工藝參數(shù)的優(yōu)選是最直接和有效的方法[3]。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)TC4 鈦合金銑削加工表面形貌及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了一系列的研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行了銑削加工，發(fā)現(xiàn)每齒進(jìn)給量f對(duì)表面粗糙度Ra的影響最大，最優(yōu)的銑削參數(shù)組合為：銑削速度vc=100 m/min，徑向切深ae=4.3 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.02 mm/齒，軸向切深ap=0.05 mm，可獲得的表面粗糙度Ra=0.17 μm。文獻(xiàn)[5]通過(guò)開展側(cè)銑實(shí)驗(yàn)，研究了不同切削速度vc(48～108 m/min) 以及進(jìn)給量f(0.04～0.06 mm/r)下的TC4 鈦合金的表面粗糙度Ra。結(jié)果表明，在較高的切削速度和較低的進(jìn)給量下，表面粗糙度降低了20%以上。文獻(xiàn)[6]對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行了不同切削速度vc（30 mm/min 和60 mm/min）和每齒進(jìn)給量fz（0.01 mm/齒和0.05 mm/齒）的銑削實(shí)驗(yàn)，并分析了銑削表面粗糙度Sa的變化規(guī)律。結(jié)果表明，fz對(duì)Sa的影響大于vc，較低的切削速度和進(jìn)給速度可以獲得較低的表面粗糙度，即較高的表面質(zhì)量。

在切削工藝參數(shù)的優(yōu)化方法研究方面，文獻(xiàn)[7]基于遺傳算法以磨損量、表面粗糙度和材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)AISI 1040 鋼切削參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了最優(yōu)切削參數(shù)組合，預(yù)測(cè)誤差在2%以下。文獻(xiàn)[8]以銑削力和材料去除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)TC4 鈦合金加工參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到了最優(yōu)參數(shù)組合：vc=120 m/min，ae=1 mm，fz=0.04 mm/z，ap=10 mm。文獻(xiàn)[9]以TC4 鈦合金銑削力和材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，基于遺傳算法得到了加工參數(shù)的最優(yōu)解集。文獻(xiàn)[10]以銑削力、粗糙度、材料去除率建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用遺傳算法求解獲得了最優(yōu)銑削參數(shù)解集，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。

為實(shí)現(xiàn)面向側(cè)銑加工表面形貌的切削工藝參數(shù)優(yōu)選，本文主要開展TC4 鈦合金側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)研究。從銑削加工表面微觀缺陷、表面粗糙度隨切削參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律和基于遺傳算法的工藝參數(shù)優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行研究，為TC4鈦合金側(cè)銑加工實(shí)踐提供依據(jù)。

1 TC4鈦合金側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)材料為TC4 鈦合金鍛坯，規(guī)格尺寸為30 mm×30 mm×5 mm。材料微觀組織結(jié)構(gòu)和EDS 能譜如圖1所示。

圖1 TC4鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和EDS能譜Fig.1 Microstructure and EDS spectrum of TC4 titanium alloy

圖中可以看出，TC4 鈦合金是α+β型雙相鈦合金，α相為基體相呈灰暗色，β相為強(qiáng)化相附著在基體上，呈亮白色。TC4 鈦合金主要物理力學(xué)性能如表1所列。

表1 TC4鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和EDS能譜Tab.1 Microstructure and EDS spectrum of TC4 titanium alloy

側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)在型號(hào)為GJ SEIKO LM-6050 的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。加工刀具選用直徑為50 mm 的直角六齒可轉(zhuǎn)位銑刀，刀片選用Kennametal 公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金AlTiN（PVD）涂層刀片（APPT1135PESR-FS KC522M），其有效切削長(zhǎng)度為11 mm?？紤]到干切削方式可以避免切削液阻力引起的排屑不暢，保證加工精度的同時(shí)，可解決鈦合金加工液冷成本高、污染環(huán)境等方面的問題。因此，實(shí)驗(yàn)加工方式選擇干式銑削。側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 銑削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Field diagram of milling experiment

采用S-4800 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和基恩士形狀測(cè)量激光顯微系統(tǒng)VK-X260K 觀測(cè)銑削后的表面形貌，測(cè)量三維表面粗糙度Sa以及沿進(jìn)給方向的二維表面粗糙度Ra。

采用三因素四水平L16（43）正交實(shí)驗(yàn)方法開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)考察因素分別為主軸轉(zhuǎn)速n、徑向切深ae和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f。具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所列。

表2 正交試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Tab.2 Parameters and results of orthogonal experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 加工表面缺陷

不同銑削條件下獲得的加工表面形貌圖及其對(duì)應(yīng)的三維高度云圖如圖3所示。

圖3 不同銑削參數(shù)下的表面形貌Fig.3 Surface topographies under different milling parameters

從圖3可以看出，加工表面呈現(xiàn)均勻分布的棱線，這是銑刀和工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的進(jìn)給痕跡，相鄰進(jìn)給痕跡之間的距離由進(jìn)給速率決定。由于銑刀后角的影響，在相鄰的進(jìn)給痕跡之間產(chǎn)生了沿進(jìn)給方向的劃痕。進(jìn)給刀痕和表面劃痕可歸結(jié)為側(cè)銑加工表面固有缺陷，此類缺陷分布規(guī)律是由刀具幾何特征和刀具-工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的。

此外，加工表面還觀察到黏附顆粒、隨機(jī)劃痕和微小裂紋等缺陷。黏附顆?？赡苁俏⑿〉那行蓟蛘呤菑牡毒呱厦撀涞挠操|(zhì)點(diǎn)等[11]。對(duì)銑削表面的黏附顆粒進(jìn)行能譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示。圖4 a）發(fā)現(xiàn)其成分與TC4 鈦合金基體材料基本相同。可以推斷，黏附顆粒主要是在側(cè)銑過(guò)程中高溫的微切屑黏附到表面而形成。表面上還存在一些隨機(jī)方向的劃痕，這是從銑刀上剝落的硬質(zhì)點(diǎn)、積屑瘤或者切屑在銑削表面滑擦產(chǎn)生[12-13]。圖4 b）中，劃痕的能譜分析結(jié)果與TC4 鈦合金的基體材料基本相同。可以推斷，隨機(jī)無(wú)定向劃痕是由積屑瘤或碎屑在刀具和工件之間的接觸面滑擦形成。此外，在干式銑削的條件下，由于加工區(qū)域中存在較高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，銑削表面便產(chǎn)生了微小裂紋[14]。

圖4 側(cè)銑表面缺陷的EDS能譜Fig.4 EDS spectrum of surface defects in peripheral milling

2.2 銑削表面粗糙度

不同銑削工藝條件下，加工表面粗糙度Ra和Sa隨切削工藝參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度Ra和Sa的影響Fig.5 Effect of different milling parameters on surface roughness Ra and Sa

圖5 a）中，表面粗糙度Ra的值隨著主軸轉(zhuǎn)速n從400 r/min 增加到900 r/min 而減小，并在n=900 r/min時(shí)達(dá)到最小值（Ra=0.944 μm）。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)900 r/min 時(shí)，表面粗糙度呈上升趨勢(shì)。主軸速度的增加意味著材料變形率的增加，這將導(dǎo)致在銑削過(guò)程中產(chǎn)生更多的熱量。銑刀和工件接觸表面之間的熱量積累會(huì)軟化TC4 鈦合金材料，材料的塑性流動(dòng)使得銑削后的表面粗糙度有所降低[15]。但當(dāng)主軸速度繼續(xù)增加時(shí)，刀具與工件接觸表面上積聚的熱量將難以快速消散，導(dǎo)致切屑與銑刀、加工表面間的黏附力增加，從而增加了銑削力[16]。此外，在較高的主軸轉(zhuǎn)速下，應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化對(duì)銑削力的影響大于熱軟化，這也導(dǎo)致銑削力呈上升趨勢(shì)[17]。銑削力的增加會(huì)使刀具產(chǎn)生顫振現(xiàn)象[18]，影響了加工的精度，從而惡化了銑削表面質(zhì)量，導(dǎo)致表面粗糙度的增加。

圖6 為主軸轉(zhuǎn)速900 r/min 和1 150 r/min 下觀測(cè)的加工表面形貌圖。可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑削表面質(zhì)量降低。在n=1 150 r/min 時(shí)獲得的表面高度波動(dòng)遠(yuǎn)大于在n=900 r/min 處獲得的表面高波動(dòng)，并且表面上黏附顆粒數(shù)量大于在n=900 r/min 下獲得的。

圖6 在不同主軸轉(zhuǎn)速下的銑削表面形貌Fig.6 Milling surface topography at different spindle speeds

在圖5 b）中，隨著徑向切深ae由0.2 mm 增加到0.4 mm，表面粗糙度Ra的值先是減小了1.88%，然后顯著增加。一方面，工件在加工之前進(jìn)行了預(yù)加工以找平加工面。銑刀和工件表面之間的擠壓和摩擦?xí)?dǎo)致表面纖維化，從而硬化了待加工表面[19-20]。另一方面，TC4鈦合金的化學(xué)活性非常高，很容易與空氣中的元素反應(yīng)，產(chǎn)生表面硬化層，這也導(dǎo)致了表面硬度的增加[21]。因此，適當(dāng)增加徑向切削深度會(huì)使銑刀在一定程度上避免產(chǎn)生表面硬化層，從而更容易切削材料，使表面粗糙度值略微下降。但銑削過(guò)程中，材料剪切區(qū)的橫截面積會(huì)隨著徑向切深的增加而增加，并且單位時(shí)間材料去除率的增加將導(dǎo)致銑削力的增加，從而使表面粗糙度增加。圖7 為徑向切深0.3 mm 和0.4 mm 下觀測(cè)的加工表面三維形貌圖，徑向切深的增加導(dǎo)致表面上黏附顆粒、劃痕的增加和表面質(zhì)量的惡化。當(dāng)徑向切深ae超過(guò)0.4 mm時(shí)，表面粗糙度呈下降趨勢(shì)。這可解釋為擠壓變形的進(jìn)一步增加使銑削溫度升高，表面熱軟化效應(yīng)變得顯著[22]。因此，表面材料更容易去除，并且表面質(zhì)量得到改善。

圖7 不同徑向切深下的銑削表面形貌Fig.7 Milling surface topography at different radial depth of cut

在圖5 c）中，隨著進(jìn)給量f從0.06 mm/r 增加到0.14 mm/r，表面粗糙度Ra的值增大了19.9%。這是由于銑刀在進(jìn)給方向上每單位切削面積的切削時(shí)間減少，加工表面上相鄰峰和谷之間的間距和形態(tài)差異增加。銑刀在加工表面上的殘余高度也有所增加，最終導(dǎo)致表面粗糙度增加。特別是在圖3 中，進(jìn)給痕跡間的不均勻間距會(huì)惡化表面質(zhì)量，這可歸因于銑削力的增加使銑刀在加工過(guò)程中產(chǎn)生了振動(dòng)[23]。當(dāng)進(jìn)給量f超過(guò)0.14 mm/r 時(shí)，表面粗糙度Ra呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這可歸因?yàn)殂娤鳒囟茸兏哕浕薚C4 鈦合金材料[24]，從而使材料更容易去除，表面粗糙度降低。另一種可能是涂抹效應(yīng)[25]，效應(yīng)降低了工件表面峰值的高度，從而使表面粗糙度Ra降低。較高的機(jī)械載荷和熱載荷促使了這種現(xiàn)象的發(fā)生。圖8 為進(jìn)給量0.14 mm/r和0.18 mm/r 下觀測(cè)的加工表面三維形貌。隨著進(jìn)給量的增加，銑削表面上后刀面引起的劃痕變得更加清晰均勻，表明表面質(zhì)量有所改善。

從圖5 還可以看出，粗糙度Sa的值都高于沿進(jìn)給方向的粗糙度Ra，Sa與Ra隨銑削參數(shù)有類似的變化趨勢(shì)，但并不完全相同。圖5 a）中，表面粗糙度Sa隨主軸轉(zhuǎn)速具有先降低后增加的相同趨勢(shì)，并在n=900 r/min時(shí)達(dá)到最小值（Sa=1.250 μm）；圖5 b）中，隨著徑向切深ae由0.2 mm 增 加 到0.3 mm，粗 糙 度Sa增 大 了0.75%，這與粗糙度Ra的變化趨勢(shì)恰恰相反；圖5 c）中，當(dāng)進(jìn)給量f超過(guò)0.14 mm/r 時(shí)，粗糙度Sa的值反而呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)門C4 鈦合金側(cè)銑表面不僅包含沿著進(jìn)給方向的表面特征，還包括垂直于進(jìn)給方向的特征，如劃痕、隨機(jī)顆粒等。特別是銑刀后角引起的劃痕，其在垂直于進(jìn)給方向的高度波動(dòng)導(dǎo)致表面粗糙度Sa的增大。

3 基于遺傳算法的側(cè)銑工藝參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是1 種模擬達(dá)爾文進(jìn)化論中自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型。該算法將問題求解的過(guò)程轉(zhuǎn)換成生物體中染色體選擇、交叉和變異的過(guò)程，相對(duì)于一些常規(guī)優(yōu)化算法，其計(jì)算簡(jiǎn)單高效。算法的基本流程如圖9所示。

圖9 遺傳算法基本流程圖Fig.9 Basic flowchart of genetic algorithm

將主軸轉(zhuǎn)速n、徑向切深ae、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f作為優(yōu)化模型的變量，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果以及各銑削參數(shù)的取值范圍，可以得到優(yōu)化目標(biāo)的約束方程如下：

則優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可寫為：

借助MATLAB 數(shù)學(xué)軟件平臺(tái)，采用Gamultiobj 函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化問題的求解。在Gamultiobj 函數(shù)的參數(shù)中，交叉概率和變異概率的選擇對(duì)種群的更新影響最大。交叉的概率過(guò)低會(huì)大大降低種群的更新速度，交叉概率過(guò)高會(huì)破壞種群內(nèi)的最優(yōu)解；變異概率過(guò)低會(huì)使種群內(nèi)的有效基因缺失，變異概率過(guò)高雖使得種群多樣性增大，但會(huì)使現(xiàn)有種群規(guī)模遭到破壞。因此，需要根據(jù)實(shí)際求解問題，對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理的處理，具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 Gamultiobj函數(shù)相關(guān)參數(shù)數(shù)值與含義Tab.3 Numerical values and meanings of parameters related to the Gamultiobj function

求解后，獲得了150 組帕累托（Pareto）最優(yōu)解，對(duì)應(yīng)的粗糙度值如圖10所示，部分最優(yōu)解如表4所示。

表4 部分Pareto最優(yōu)解Tab.4 Partial Pareto optimal solution

圖10 Pareto前端解集Fig.10 Pareto front set

采用隸屬度函數(shù)對(duì)Pareto解集中的最優(yōu)解進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式（4）中：fi表示第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)，i=1,2；最優(yōu)結(jié)果選取P值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的Pareto解集中的銑削參數(shù)。

4 結(jié)論

1） TC4 鈦合金側(cè)銑加工表面微觀缺陷主要包括進(jìn)給刀痕、后刀面摩擦劃痕、黏附顆粒、微小裂紋和隨機(jī)劃痕等。進(jìn)給刀痕和后刀面摩擦劃痕可歸結(jié)為側(cè)銑加工表面固有缺陷，此類缺陷分布規(guī)律是由刀具幾何特征和刀具-工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的；黏附顆粒、隨機(jī)劃痕和微小裂紋等隨機(jī)性缺陷，主要是微小切屑附著、積屑瘤摩擦以及在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的。

2） 銑削表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大；隨徑向切深的增大先增大后減小；隨進(jìn)給量先增大后減小。但Ra和Sa隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律并不完全，這是因?yàn)殂娤鞅砻娌粌H包含沿進(jìn)給方向的特征，還包括垂直于進(jìn)給方向的特征，特別是銑削后角引起的劃痕，其在垂直于進(jìn)給方向的高度波動(dòng)使得Sa數(shù)值增大。

3） 基于遺傳算法以最小表面粗糙度值為優(yōu)化目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到的最優(yōu)側(cè)銑參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速n=1 093 r/min，徑向切深ae=0.2 mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.06 mm/r。在該條件下，可獲得較小的表面粗糙度值，即Ra=0.167 3 μm和Sa=0.604 3 μm。