航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能模糊綜合評(píng)判

趙　威　王盛璋　何　寧　李　亮　楊吟飛

南京航空航天大學(xué),南京,210016

航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能模糊綜合評(píng)判

趙威王盛璋何寧李亮楊吟飛

南京航空航天大學(xué),南京,210016

目前國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)對(duì)鈦合金銑削刀具的選擇仍缺少系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，往往造成實(shí)際加工過(guò)程中刀具成本增加、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工效率低下等問(wèn)題。為此，根據(jù)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的工藝特點(diǎn)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建了面向航空鈦合金結(jié)構(gòu)件粗精加工的銑削刀具性能的模糊綜合評(píng)判模型；設(shè)計(jì)了考慮航空鈦合金結(jié)構(gòu)件典型難加工特征的基準(zhǔn)件，制定相應(yīng)的加工工藝并進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)；最后應(yīng)用所構(gòu)建的模糊綜合評(píng)判模型進(jìn)行了刀具性能評(píng)判。結(jié)果表明，所構(gòu)建的模糊綜合評(píng)判模型可以快捷、有效地評(píng)判刀具性能，為航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具的合理選擇與刀具性能的綜合評(píng)判提供了一條新途徑。

鈦合金;銑削;刀具性能;模糊評(píng)判

0　引言

鈦合金憑借其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件中，但由于鈦合金材料及其結(jié)構(gòu)的難加工性,因而對(duì)銑削刀具提出了很高的要求。鈦合金加工是一種條件惡劣的強(qiáng)力切削，刀具對(duì)鈦合金加工的成功與否,起著不可替代的關(guān)鍵作用[1]?？焖俸侠淼剡x擇銑削刀具對(duì)實(shí)現(xiàn)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效率、高精度以及高可靠性加工至關(guān)重要。

為了快速合理地選擇銑削刀具，必須了解刀具的切削性能以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)特征。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金加工刀具進(jìn)行了大量的研究，如研究刀具的幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響[2-3],刀具材料與工件材料的匹配性[4]，刀具的磨損機(jī)理以及磨損對(duì)加工質(zhì)量的影響等[5]。這些研究對(duì)于鈦合金加工中刀具的選擇與研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。然而，以往對(duì)鈦合金加工刀具的研究忽略了典型結(jié)構(gòu)特征對(duì)刀具性能的影響，同時(shí)缺乏有效的綜合評(píng)判方法對(duì)刀具進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。刀具切削性能受到多種復(fù)雜因素的影響，同一把刀具加工不同結(jié)構(gòu)特征往往表現(xiàn)出不同的加工效果，因而現(xiàn)有的試切法或單一經(jīng)驗(yàn)公式模型很難綜合評(píng)判刀具的切削性能。模糊數(shù)學(xué)是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究和處理帶有模糊現(xiàn)象的一種數(shù)學(xué)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(wèn)題，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[6-9]。

本文以航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能為研究對(duì)象，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)判模型,最后通過(guò)銑削試驗(yàn)驗(yàn)證了該評(píng)判模型的可行性。

1　模糊綜合評(píng)判模型

模糊綜合評(píng)判是對(duì)受多種因素影響的事物進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的一種十分有效的多因素決策方法,基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則,考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素,對(duì)其進(jìn)行合理的綜合評(píng)價(jià)[10]。對(duì)于航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削加工,影響刀具性能的因素較為復(fù)雜,而單因素評(píng)價(jià)刀具性能較片面。因此,本文針對(duì)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件粗精加工中小型銑削刀具,分別構(gòu)建了刀具性能模糊綜合評(píng)判模型,以進(jìn)行刀具性能綜合評(píng)判。

1.1粗加工刀具性能評(píng)判模型

在粗加工銑削中著重考慮加工效率和刀具磨損,故在模型的構(gòu)建中以金屬去除率和刀具后刀面磨損作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)因素集和評(píng)價(jià)集。設(shè)因素集U={u1,u2},u1表示刀具后刀面磨損;u2表示金屬去除率。這兩個(gè)因素的權(quán)重記為A=(α1，α2)。評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3,v4},v1表示刀具性能優(yōu)秀,v2表示刀具性能良好，v3表示刀具性能一般,v4表示刀具性能差。

(2)單因素評(píng)判。因素集與評(píng)價(jià)集之間的關(guān)系可通過(guò)建立隸屬函數(shù),用模糊關(guān)系矩陣R=[ri j]2×4表示。其中ri j表示評(píng)價(jià)指標(biāo)ui對(duì)評(píng)價(jià)集中vj的隸屬度。因素集中評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬度通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)獲得,隸屬度設(shè)置主要由經(jīng)驗(yàn)即參考現(xiàn)有航空制造企業(yè)對(duì)刀具磨損、金屬去除率等的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定,評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)如圖1所示。

(a)粗加工刀具磨損隸屬函數(shù)

(b)金屬去除率隸屬函數(shù)圖1　粗加工評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)

(3)綜合評(píng)判。模糊綜合評(píng)價(jià)可表示為:B=A°R,模糊關(guān)系矩陣R通過(guò)相應(yīng)的隸屬函數(shù)獲得?！啊恪贝砟：阕?在此為了兼顧各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),選擇加權(quán)平均算子,具體計(jì)算式為

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

(1)

1.2精加工刀具性能評(píng)判模型

在精加工銑削中著重考慮加工質(zhì)量并兼顧刀具磨損,故在模型中以表面粗糙度、尺寸精度和刀具后刀面磨損作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。用于評(píng)價(jià)精加工銑削刀具的指標(biāo)較多且具有層次性，因而一級(jí)模糊評(píng)判模型并不能有效反映刀具性能的優(yōu)劣。為此，對(duì)于精加工的銑削刀具，采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型。

(1)因素集和評(píng)價(jià)集。設(shè)因素集U={u1,u2,u3},u1表示表面粗糙度,u2表示尺寸精度;u3表示刀具后刀面磨損。將因素集分為兩組：U1={u1，u2};U2={u3}。評(píng)價(jià)集同粗加工評(píng)價(jià)集。

(2)單因素評(píng)判。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,其中隸屬度設(shè)置亦由經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定,精加工各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)如圖2所示。

(a)表面粗糙度隸屬函數(shù)

(b)尺寸精度隸屬函數(shù)

(c)刀具磨損隸屬函數(shù)圖2　精加工評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)

(3)一級(jí)綜合評(píng)判。對(duì)U1作一級(jí)綜合評(píng)判，權(quán)重為A1=(α11,α21),兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)同等重要故均取0.5,則B1=A1°R1=(b11,b12,b13,b14)。對(duì)U2作一級(jí)綜合評(píng)判,由于只有一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),故權(quán)重為A2=(1),則B2=A2°R2=(b21,b22,b23,b24)。

(4)二級(jí)綜合評(píng)判。對(duì)第一級(jí)因素集U={U1，U2},設(shè)權(quán)重分配A=(α1,α2),根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度取α1=0.8,α2=0.2。則總單因素評(píng)價(jià)矩陣為

(2)

作二級(jí)綜合評(píng)判，得

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

(3)

根據(jù)最大隸屬度原則,bk=max(b1,b2,b3,b4),bk則為應(yīng)用該模型對(duì)刀具性能進(jìn)行的綜合評(píng)判。為了更好地評(píng)判刀具性能,或當(dāng)最大隸屬度原則無(wú)法有效進(jìn)行刀具性能的評(píng)判時(shí),可利用下式進(jìn)一步評(píng)判:

(4)

根據(jù)評(píng)價(jià)集中各評(píng)價(jià)的重要程度,在后面的驗(yàn)證中,式(4)中影響系數(shù)依次取0.4、0.3、0.2和0.1,式(4)的結(jié)果記為C值。

2　基準(zhǔn)件及其加工策略

為了驗(yàn)證所構(gòu)建的模糊綜合評(píng)價(jià)模型的可行性,有必要在考慮鈦合金材料及其結(jié)構(gòu)的難加工性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)典型基準(zhǔn)件,并制定相應(yīng)的加工策略[11]。

2.1基準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)

針對(duì)航空鈦合金槽腔結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出包含開(kāi)口槽、閉口槽、轉(zhuǎn)角與底角、腹板等典型特征的基準(zhǔn)件,具體如圖3所示。圖3中基準(zhǔn)件輪廓尺寸為150 mm×102 mm×32 mm,正面槽腔深度為18 mm,反面腔槽深度為12 mm,側(cè)壁厚度為2 mm,腹板厚度為2 mm,轉(zhuǎn)角圓弧半徑為6 mm,底角圓弧半徑為2 mm。基準(zhǔn)件材料為退火態(tài)TC4鈦合金,共兩件。

(a)正面

(b)反面圖3　典型特征基準(zhǔn)件

2.2加工策略

粗加工加工策略為:采用大進(jìn)給銑削方式，正反面封閉槽腔均采用型腔銑,螺旋下刀,下刀角度為0.6°,走刀方式為環(huán)切。開(kāi)口槽采用沿零件內(nèi)側(cè)壁輪廓徑向分層切削，沿刀具進(jìn)給方向直線進(jìn)刀。銑削參數(shù)為:銑削速度v=60 m/min,每齒進(jìn)給量fz=0.6 mm,徑向切深ae=12.5 mm,軸向切深ap=0.7 mm。

精加工加工策略為：加工刀具為普通螺旋立銑刀,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,銑削參數(shù)為銑削速度v=80 m/min,每齒進(jìn)給量fz=0.08 mm,軸向切深ap=1 mm。反面槽腔的側(cè)壁采用螺旋下刀,轉(zhuǎn)角處減速,銑削參數(shù)為:銑削速度v=80 m/min,每齒進(jìn)給量fz=0.08 mm,徑向切深ae=2 mm,軸向切深ap=2 mm。閉口槽I側(cè)壁采用螺旋進(jìn)刀方式,開(kāi)口槽側(cè)壁采用直線進(jìn)刀方式,軸向分三層,軸向切深ap=6 mm;徑向分兩層,徑向切深ae1=1.5 mm、ae2=0.5 mm,切削速度v=80 m/min,每齒進(jìn)給量fz=0.08 mm。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1試驗(yàn)條件及方案

數(shù)控機(jī)床采用瑞士Mikron UCP710五坐標(biāo)高速加工中心。銑削刀具及其加工特征如下:粗加工采用機(jī)夾式大進(jìn)給銑削刀具,刀片為WALTER WSM35、WSP45、WKP35S三角形硬質(zhì)合金刀片以及POKOLM M40方形硬質(zhì)合金刀片。應(yīng)用WSM35和WSP45兩種刀片分別加工基準(zhǔn)件的正面槽腔,用4種刀片分別加工基準(zhǔn)件反面槽腔。精加工采用M.A.FORD整體硬質(zhì)合金立銑刀，精加工刀具的具體參數(shù)與加工特征見(jiàn)表1。測(cè)量?jī)x器采用Kistler 9625B三向壓電式動(dòng)態(tài)測(cè)力儀、工具顯微鏡、Mahr S3P測(cè)量?jī)x。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2為4種刀片加工不同特征時(shí)后刀面磨損的測(cè)量結(jié)果，后刀面磨損為該刀具加工完一個(gè)封閉槽腔后的后刀面磨損量。根據(jù)表2運(yùn)用所構(gòu)建的粗加工模型進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，評(píng)判結(jié)果如表3所示。

表1　精加工刀具及其加工特征

表2　粗加工各刀片試驗(yàn)結(jié)果

表3　粗加工各刀片性能模糊綜合評(píng)判結(jié)果

刀具性能的模糊綜合評(píng)判共分兩步:首先根據(jù)最大隸屬度來(lái)評(píng)判刀具性能,當(dāng)最大隸屬度失效時(shí)根據(jù)C值進(jìn)一步評(píng)判。由表3可知,同一種刀片加工不同特征時(shí),如WSM35加工開(kāi)口槽比加工閉口槽更具有優(yōu)越性,WSP45亦是如此。

對(duì)加工同一特征的不同刀片性能評(píng)判結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,WSM35和WSP45加工閉口槽Ⅰ時(shí)刀具性能均為一般，但是WSM35刀具對(duì)于刀具性能一般這一評(píng)價(jià)結(jié)果的隸屬度值比WSP45刀具更大,即WSM35刀具比WSP45刀具更適合加工閉口槽。WSM35和WSP45加工開(kāi)口槽時(shí),盡管WSP45在刀具性能一般這一評(píng)判結(jié)果上的隸屬度高于WSM35,但WSM35在刀具性能良好這一評(píng)判結(jié)果上的隸屬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WSP45,此時(shí)最大隸屬度原則失效。為此,采用式(4)進(jìn)一步評(píng)判，評(píng)判結(jié)果分別為CWSM35=0.209,CWSP45=0.178,即WSM35比WSP45更適合進(jìn)行開(kāi)口槽的粗加工。加工閉口槽Ⅱ、Ⅲ時(shí),WALTER三種刀片評(píng)判結(jié)果均為性能一般,M40刀片性能差,即WALTER三種刀片比POKOLM M40性能優(yōu)越,同時(shí)根據(jù)模糊綜合評(píng)判C值可知WALTER三種刀片性能優(yōu)劣依次為WKP35S、WSM35、WSP45，以上結(jié)論與文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

表4為精加工各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果，根據(jù)表4對(duì)4種刀具運(yùn)用所構(gòu)建的精加工模型進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，評(píng)判結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5,根據(jù)最大隸屬度原則，應(yīng)用1#和2#刀具在加工閉口槽I時(shí)均表現(xiàn)為良好的性能，但是1#刀具對(duì)于刀具性能良好這一評(píng)價(jià)結(jié)果的隸屬度值比2#刀具大,即1#刀具比2#刀具更適合精加工閉口槽。應(yīng)用3#和4#刀具分別精加工開(kāi)口槽時(shí),刀具性能評(píng)價(jià)結(jié)果分別為刀具性能良好、刀具性能優(yōu)秀,即4#刀具比3#刀具更適合精加工開(kāi)口槽，與文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

表4　精加工各刀具試驗(yàn)結(jié)果

表5　精加工各刀片性能模糊綜合評(píng)判結(jié)果

4　結(jié)論

(1)根據(jù)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的工藝特征，分別構(gòu)建了粗精加工銑削刀具性能模糊綜合評(píng)判模型，并通過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)件及銑削試驗(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)粗加工時(shí),三角形刀片比方形刀片具有更好的切削性能。如粗加工閉口槽和開(kāi)口槽時(shí),在同等切削參數(shù)條件下,WSM35刀片均比WSP45刀片體現(xiàn)出更好的切削性能。加工反面閉口槽時(shí),WALTER三種刀片切削性能均為一般,而M40的切削性能為差,刀片切削性能的優(yōu)劣依次為WKP35S、WSM35、WSP45、M40。

(3)精加工閉口槽和開(kāi)口槽時(shí)，在同等切削參數(shù)條件下，加工閉口槽時(shí)1#刀具的綜合性能優(yōu)于2#刀具；而加工開(kāi)口槽時(shí)4#角刀具的綜合性能明顯好于3#刀具。

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(編輯袁興玲)

Comprehensive Fuzzy Evaluation of Cutting Tool Performance in Milling of Aviation Titanium Alloy Components

Zhao WeiWang ShengzhangHe NingLi LiangYang Yinfei

Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Nanjing,210016

There was a lack of systematic method to evaluate cutting tool performance in domestic aviation manufacturing industries till now,which resulted in a increasing of cutting tools cost,unstable machining quality and low machining efficiency etc.Considering the processing characteristics of aviation titanium alloy components,comprehensive fuzzy evaluation models of cutting tool performance for rough and finish milling were established based on fuzzy mathematical method. A testing benchmark with some typical difficult-to-machine features extracted from aviation complex integrated components was designed,and its processing route was developed.Finally,experiments of milling the benchmark were carried out,and then the comprehensive fuzzy evaluation models were used to evaluate the milling tools.The results show that the models are convenient and effective to evaluate milling tools performance,which provides a new method for the selection and evaluation of milling tools.

titanium alloy;milling;cutting tool performance;fuzzy evaluation

2014-04-04

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04003021)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005118)

TG714DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.001

趙威，男，1977年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)殡y加工材料與難加工結(jié)構(gòu)的高速、高性能加工技術(shù)。王盛璋，男，1991年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。何寧，男，1959年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。李亮,男,1973年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。楊吟飛，男，1982年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院講師。