難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的評價技術(shù)

北京航空航天大學機械工程及自動化學院 李 勛 馬 爽

中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團）有限公司 蘇慶懷

隨著航空、航天、先進武器、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用也日益廣泛[1-3]，如高強度及超高強度材料、高韌性材料、耐高溫材料、高硬度材料和復合材料等。特別是在航空航天、先進武器裝備領(lǐng)域中，更多的需要眾多零件工作在高溫、高壓、強氧化和燃氣腐蝕的條件下，并且能夠承受復雜應力狀態(tài)且能長期可靠地工作；同時要求材料具備高強度、高剛度而質(zhì)量輕的特性（即比強度和比剛度或比模量高）。材料的難加工性給機械加工提出了更高的要求。

隨著材料性能的不斷提升，針對難加工材料進行切削加工時，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，利用不同檔次的機床進行加工時，因其價格和維護成本相差較大，也需要對其刀具和加工參數(shù)進行適當調(diào)整，以達到發(fā)揮機床和刀具最佳性能的目的。然而，當面對種類繁多，而且價格和性能相差巨大的機床設備和切削加工刀具時，因為沒有統(tǒng)一、量化的刀具及其加工參數(shù)評價體系，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)的量化評價體系，不但能夠準確地反映刀具及參數(shù)對難加工材料切削加工的適用性，同時，也能體現(xiàn)刀具及參數(shù)對機床和工藝條件的適用性，為工藝人員和操作者針對不同的材料和機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)評價體系

針對切削加工刀具及參數(shù)的評價來說，不同的材料和切削工藝條件對刀具的選擇應起到較大的作用。在不同檔次的數(shù)控機床上切削同樣的材料或者在相同的數(shù)控機床上切削不同的材料都應對刀具或者參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，這樣才能實現(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)評價目標函數(shù)的選擇

切削加工過程是一個經(jīng)濟過程，而刀具及相應切削參數(shù)選擇的目的也是充分發(fā)揮機床的優(yōu)勢、獲得較大的利潤。企業(yè)的總利潤可以用式（1）來表示。

目前，難加工材料主要分為以下5類：高強度及超高強度材料、高韌性材料、耐高溫材料、高硬度材料和復合材料等。而幾乎所有難加工材料的切削特點都是刀具壽命短、磨損嚴重、加工效率低，從而導致加工成本高[1，4-5]。同時，這些材料主要應用于關(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，很難對難加工材料制成的關(guān)重零部件進行準確的價格評估，如果采用最大利潤的目標函數(shù)對難加工材料進行刀具及切削參數(shù)優(yōu)選和評價，就很可能會因為無法準確評估零部件的價格而導致優(yōu)化結(jié)果不符合材料實際切削加工的情況[5-8]。

高切削效率為目標函數(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，可以忽略制造成本，以高切削效率為目標，因此其不適合作為難加工材料切削刀具及工藝條件評價和優(yōu)選的目標函數(shù)[7，9-10]。

在企業(yè)的生產(chǎn)訂單和任務、社會制造水平一定的情況下，零部件的價格是一個定值。在零部件滿足設計要求的前提下，它不會隨著刀具、切削參數(shù)和工藝條件的變化而改變。根據(jù)式（1）可知，對于生產(chǎn)任務量較為穩(wěn)定的企業(yè)來說，通過優(yōu)化刀具及切削參數(shù)來控制生產(chǎn)總成本就可以實現(xiàn)總利潤最大化[7-10]。

1.2 單元材料可變加工成本為指標的刀具及切削參數(shù)評價

零部件加工時的成本主要由原材料成本、工人勞動成本、能源消耗成本、機床使用成本、刀具損耗成本以及其它工藝設計、生產(chǎn)管理、廠房、設備檢修、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際生產(chǎn)中應用，對最小加工成本的優(yōu)化模型進行適當?shù)淖冃?。假設切削加工單位體積的材料所需的成本為Cu，所需的切削加工時間為tm，并且分別將單位體積材料的購買成本記為cmat，工人單位時間的工時成本記為el，單位時間的能源消耗成本記為ep、單位時間機床使用成本記為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，可以通過具體的切削試驗準確的得出。同時，cmat、el、ep、em以及其他加工不可分割成本eo都可以準確的從企業(yè)核算成本中準確得到，整個計算過程也不需要等效或估算。其中，cmat為材料的市場價格，不隨企業(yè)的切削加工技術(shù)水平、切削參數(shù)的提高和刀具類型的不同而改變，而el、ep、em以及eo也基本與刀具種類和切削參數(shù)無關(guān)，因此，從目標函數(shù)中去掉常數(shù)項cmat不會影響對刀具和切削參數(shù)的評價結(jié)果，并將其稱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

對于難加工材料切削加工的刀具及其切削參數(shù)的評價來說，式（3）主要考慮以下幾個因素：

（1）通過系數(shù)Kt考慮了切削加工的工藝條件，尤其是機床的性能和成本，反映了針對難加工材料切削加工時投入的硬件條件。當采用不同的機床、不同的夾具、不同的級別的工人等條件時，就會影響系數(shù)Kt，進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)選擇和評價結(jié)果；

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

（3）通過切削時間tm考慮切削參數(shù)對可變加工成本的影響，即將切削加工參數(shù)與成本進行了關(guān)聯(lián)；

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

通過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，也可以實現(xiàn)在給定工藝條件下，對難加工材料切削加工刀具及切削參數(shù)的量化評價。

單元材料的可變加工成本越大，說明此種材料在特定的切削工藝條件下，刀具及相應的切削參數(shù)不適合加工此種材料，反之，說明刀具及切削參數(shù)與切削工藝條件和機床設備匹配較好，適合加工給定的難加工材料。此外，這種對刀具及切削參數(shù)的評價指標是一個數(shù)字量，評價結(jié)果直觀、準確。

2 切削加工刀具及參數(shù)量化評價實例

2.1 高強鈦合金TB6的銑削加工刀具及參數(shù)評價

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

根據(jù)式（3）及其相應參數(shù)的含義，針對高強鈦合金TB6切削加工的兩種刀具及切削參數(shù)進行如下評價計算：

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

（2）機床采用桂林機床股份有限公司生產(chǎn)的XH2312/2.5三坐標龍門加工中心，價格為200萬元，使用年限為20年，因此，計算出機床使用成本em=200×104/(20×365×8×60)=0.571 元 /min；

（3）機床的總功率為40kW，切削加工過程中按照50%的平均功率，則每小時的耗電量為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、切削液費用、工裝夾具費等；

（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。

將以上的計算數(shù)值代入式（3）中，分別可以得到兩種刀具在其對應切削參數(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。

通過以上的計算得到了兩種刀具銑削加工TB6材料時的單元材料可變加工成本分別為0.414元和0.571元。雖然從加工效率來說，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)濟角度考慮，刀具1及其相應的切削參數(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)評價

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

針對實際生產(chǎn)中的鈦合金TC4（固溶時效狀態(tài)）進行整體硬質(zhì)合金刀具及切削參數(shù)進行評價和對比。刀具1為硬質(zhì)合金焊接整體刀具，直徑為Φ20mm，3齒，價格300元。刀具2為硬質(zhì)合金整體立銑刀，直徑Φ20mm，4齒，價格為1400元。機床三坐標立式加工中心，機床總功率為25kW，價格45萬元。利用單元材料的可變加工成本為指標對兩種刀具及切削參數(shù)進行評價和對比，計算過程和結(jié)果如表1和圖2所示。

從以上的計算過程和結(jié)果可以看出，兩種刀具的價格、切削參數(shù)及使用壽命都不相同，很難判斷、評價兩種刀具對加工條件和材料的適用性。但是在相同的機床和工藝條件下都能得到相應的單元材料可變加工成本。從而反映出在實驗機床和工藝條件下，刀具1及相應參數(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車削刀具及參數(shù)評價

通過2.1和2.2的分析計算可知，利用最小單元材料可變加工成本可以量化的評價刀具及參數(shù)對切削工藝條件和材料的適用性。以下對高溫合金GH4133B的車削加工刀具及參數(shù)進行評價計算。

表1 鈦合金TC4銑削加工刀具及參數(shù)的評價和對比

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

試驗設備采用瀧澤數(shù)控車床TC-46，機床功率為22kW，價格為79萬元。刀具采用3種：刀具1為Sandvik陶瓷刀具，價格為300元/片，可轉(zhuǎn)位8次；刀具2為Sandvik硬質(zhì)合金刀具，價格為65元/片，可轉(zhuǎn)位4次；刀具3為Kennametal硬質(zhì)合金刀具，價格為72元/片，可轉(zhuǎn)位4次。試件為航空發(fā)動機渦輪盤，如圖3所示，材料為GH4133B，零件直徑為φ320mm。

圖3 GH4133B發(fā)動機渦輪盤Fig.3 GH4133B engine turbine disc

分別利用3種刀片在各自相對優(yōu)化的參數(shù)條件下對材料進行車削加工，根據(jù)加工情況對3種刀具及參數(shù)進行評價計算，計算結(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，說明在以上機床和工藝條件、刀具及切削參數(shù)的情況下，刀具1及相應的車削參數(shù)對于加工GH4133B材料來說最具經(jīng)濟性，而刀具2和刀具3在其相應的參數(shù)條件下，雖然刀具成本較低、刀具的使用壽命也相對較長，但是，其材料去除率較低，耗費了較多的機床、人工工時、能耗和其它工藝成本，從而影響了加工GH4133B材料的經(jīng)濟性。同時，通過以上的車削試驗也能夠說明利用單元材料可變加工成本的刀具及參數(shù)評價體系能夠較為客觀的實現(xiàn)對車削加工刀具及參數(shù)的量化評價，為刀具、參數(shù)的選擇和評價提供更為準確的量化指標。

表2 GH4133B車削加工刀具及參數(shù)的評價計算

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

3 結(jié)論

（1）針對種類繁多、切削性能和機理各異的刀具及參數(shù)進行評價時，以單元體積材料可變加工成本為指標較為適合難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評價；

（2）基于單元體積材料可變加工成本的刀具及參數(shù)評價體系可以實現(xiàn)對難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評價，并且將刀具及參數(shù)的評價與切削加工設備、能耗等工藝條件結(jié)合在一起，從而使評價結(jié)果更適合實際生產(chǎn)的需要；

（3）在整個刀具及參數(shù)的評價計算過程中不需要對切削過程中的條件和因素進行等效和估算，是以整個切削過程的真實情況進行準確計算的，因此，針對不同刀具及參數(shù)的評價結(jié)果更為直觀，且一致性、準確性較高。

[1] 鄒喜洋. 難加工材料的特性及其應用前景. 金屬熱處理，2003，28(4): 44-47.

[2] 傅恒志. 未來航空發(fā)動機材料面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨向. 航空材料學報，1998，18(4): 52-61.

[3] 徐強，張幸紅，韓杰才，等. 先進高溫材料的研究現(xiàn)狀和展望 . 固態(tài)火箭技術(shù)，2002，25(3): 51-55.

[4] 王琳琳. 切削難加工材料的刀具選擇. 航空制造技術(shù)，2012(10)：51-53.

[5] 劉暢，王焱. 針對航空難加工材料的刀具與切削參數(shù)優(yōu)化途徑 . 航空制造技術(shù)，2010(15)：40-43.

[6] 任軍學，胡創(chuàng)國，張定華，等. 航空發(fā)動機材料切削參數(shù)優(yōu)化模型. 航空制造技術(shù)，2004(10):85-87.

[7] Tolouei Rad M, Bidhendi I M. On the optimization of machining parameters for milling oprations. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1997, 37(1): 1-16.

[8] 陳志同，張保國.面向單元切削過程的切削參數(shù)優(yōu)化模型.機械工程學報，2009，45(5): 230-236.

[9] Onwubolu G C. Performance-based optimization of multi-pass face milling operations using Tribes. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006, 46(7-8): 717-727.

[10] Gopala Krishna Alluru, Mallikarjuna Rao K. Optimization of machining parameters for milling operations using a scatter search approach. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2006, 31(3-4):219-224.

[11] Palanisamy P, Rajendran I, Shanmugasundaram S. Optimization of machining parameters using genetic algorithm and experimental validation for end-milling operations. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 32(7-8)：644-655.