硬質(zhì)合金刀具加工參數(shù)模型優(yōu)化方法研究

鄧　瑩，鄧　玲，張艷華

(1.重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院， 重慶　永川　402160； 2.成都成量集團(tuán)硬質(zhì)合金工具廠， 四川　成都　610031)

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硬質(zhì)合金刀具加工參數(shù)模型優(yōu)化方法研究

鄧瑩1，鄧玲2，張艷華1

(1.重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院， 重慶永川402160； 2.成都成量集團(tuán)硬質(zhì)合金工具廠， 四川成都610031)

[摘要]針對硬質(zhì)合金刀具開發(fā)過程中的切削性能評價(jià)，通過理論與實(shí)驗(yàn)分析，以硬質(zhì)合金刀具對鑄鐵車削加工為例，進(jìn)行切削性能分析和工藝試驗(yàn)，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、多元回歸法建立數(shù)學(xué)模型，通過對切削力、振動(dòng)、表面質(zhì)量的分析，優(yōu)化刀具的切削參數(shù)，并對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).研究結(jié)果可以為刀片切削參數(shù)選擇提供依據(jù)，為合理評價(jià)刀具使用性能提供有效方法.

[關(guān)鍵詞]硬質(zhì)合金刀具；切削參數(shù)；多元回歸法； 性能評價(jià)

隨著粉末冶金及刀具技術(shù)的飛速發(fā)展，新型材料和結(jié)構(gòu)的刀具研發(fā)日新月異.對這些新型刀具，選擇合理的切削參數(shù)進(jìn)行有效切削性能評價(jià)，可以正確評估刀具的使用性能，是刀具研發(fā)必不可少的環(huán)節(jié).切削過程是一個(gè)高溫、大應(yīng)變、大應(yīng)變率、高頻振動(dòng)、高速摩擦的材料失效過程,從機(jī)床特性、加工方式,到工件材料性質(zhì)、刀具材料和幾何角度等，影響因素眾多[1].

1實(shí)驗(yàn)

1.1儀器與設(shè)備

試驗(yàn)切削加工系統(tǒng)：銑削加工中心(德國MAHO MH600C).該加工中心最高轉(zhuǎn)速為6 000 rpm，四軸聯(lián)動(dòng)，各軸行程：X-600 mm,Y-450 mm,Z-450 mm.

檢測系統(tǒng)：顯微鏡顯微攝像(使用自行開發(fā)的軟件和該顯微鏡配套進(jìn)行刀具后刀面磨損測量以及切屑厚度測量).四向壓電式測力儀、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)測量切削力. JB-3C 表面粗糙度儀測振動(dòng)系統(tǒng).刀面磨損、加工表面微觀結(jié)構(gòu)通過掃描電鏡觀測.

1.2材料

工件材料：球墨鑄鐵QT500 .

刀具：硬質(zhì)合金刀具(CG10牌號，成硬).其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示.

圖1　硬質(zhì)合金刀具參數(shù)(CG10)

1.3試驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)選取成量集團(tuán)硬質(zhì)合金工具廠CG10牌號合金刀具，根據(jù)加工手冊和刀具樣本所提供的物理性能數(shù)據(jù)及刀具槽型特點(diǎn)，確定切削試驗(yàn)參數(shù)范圍如表1所示.

表1　切削試驗(yàn)參數(shù)范圍

鑄鐵由于良好的減摩性和切削加工性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造中.從切削加工角度來看，鑄鐵是一種脆性材料，在加工過程中存在較大的振動(dòng)和沖擊，而且加工表面也存在著一定的缺陷，影響加工表面質(zhì)量[2].本實(shí)驗(yàn)以提高加工表面質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，選取針對硬質(zhì)合金刀具鑄鐵平面銑削加工，進(jìn)行加工性能分析和工藝試驗(yàn).通過研究刀具在不同加工參數(shù)下的切削力、切削振動(dòng)以及加工表面質(zhì)量，獲得刀片在球墨鑄鐵QT500 加工中的加工參數(shù)，而后選取不同批次的3片CG10刀片在優(yōu)化切削參數(shù)條件下進(jìn)行對比性能試驗(yàn)， 評估加工性能.

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，取切削速度vc、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f和軸向切深ap3個(gè)因素進(jìn)行考察.其中：vc和f在參數(shù)范圍內(nèi)均劃分為10 個(gè)水平，ap在參數(shù)范圍內(nèi)均劃分為5 個(gè)水平，均勻設(shè)計(jì)U10(10×52)的因素水平和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)表分別如表2和表3所示.

表2　均勻設(shè)計(jì)U10(10×52)的因素水平

通過在線及離線檢測(切削力、切削振動(dòng)和斷屑性能、刀具磨損、加工表面質(zhì)量)，對切削進(jìn)行對比研究，評估切削加工中的切削性能.試驗(yàn)過程中， 每走一刀變化一次切削參數(shù)，測量每組參數(shù)下的切削力(Kistel 測力儀)工件和主軸的振動(dòng)(Bruel & Kjaer加速度傳感器)，收集切屑.試驗(yàn)完畢收集刀具和試件，試驗(yàn)結(jié)果見表4.此處切削振動(dòng)試驗(yàn)的測量結(jié)果來自于主切削方向(Y向)，因?yàn)樗鼘Φ毒叩挠绊懽铒@著.

表3　試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2擬合模型

根據(jù)金屬切削原理，切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系[3].應(yīng)用多元回歸的方法來建立切削力與切削參數(shù)之間關(guān)系的常用形式如(1)式所示.Fx、Fy、Fz為廣義切削力，Ax、Ay、Az取決于被加工金屬和切削條件系數(shù).

(1)

(xFx、yFx、nFx)、(xFy、yFy、nFy)、(xFz、yFz、nzx)分別為3個(gè)分力公式中切削深度ap(mm)、進(jìn)給量fz(mm)和切削速度νc(mm/min)指數(shù).由于切削力的公式是指數(shù)，首先要盡可能化簡為線性模型.采用多元線性回歸分析的方法，根據(jù)公式(1)的特點(diǎn)，假設(shè)X1=lg(Vc)、X2=lg(Fz)、X3=lg(ap)、yi=lg(Fi)，公式(1)轉(zhuǎn)化為:

Yi=bi0+bi1x1+bi2x2+bi3x3

(2)

用矢量分析作為求解參數(shù)bij的工具，建立多元線性回歸方程:

(3)

其中，εi為隨機(jī)誤差，bi為參數(shù)βi的最小二乘數(shù)，(3)式用矩陣形式表示為：

Y=βx+ε

(4)

b=(xx)-1xy.

(5)

用MATLAB作為求解軟件，將試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果組成矩陣形式，并取對數(shù)，由矢量分析求得參數(shù)bij.

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

將表3的試驗(yàn)參數(shù)和表4試驗(yàn)結(jié)果組成矩陣形式并取對數(shù)，代入公式(3)~(5)由矢量分析求得參數(shù)bij及優(yōu)化公式：

(6)

由于切削力指數(shù)公式只是一種假設(shè)，因此要判斷公式擬合程度的好壞，必須進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)以驗(yàn)證以上模型及用多元線性模型模擬刀具切削力公式的可行性[4].假設(shè)：

H0：b1=b2=…=bm=0

(7)

為建立對H0進(jìn)行檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量，將總偏差進(jìn)行平方和Lyy分解.

(8)

(9)

導(dǎo)入數(shù)據(jù)，通過MATLAB編程計(jì)算得出F值[5].表5為Fx模型方差分析表，采用相同計(jì)算方法可得Fy、FH.從結(jié)果可以看出，F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界值，表明(6)式回歸十分顯著.

表4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖2為模型與試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線，與實(shí)際結(jié)果可以很好地?cái)M合，可以用以預(yù)測銑削力.軸向力Fz的數(shù)學(xué)模型無法回歸得出.這主要是由于刀盤的制造誤差、刀柄剛度不足等因素所引起軸向偏移、跳動(dòng)和振動(dòng)，造成軸向力Fz的無規(guī)律變化.

切削振動(dòng)A與表面粗糙度Ra可以采用相同的方法獲得模型.結(jié)果如下：

4參數(shù)優(yōu)化分析

4.1多目標(biāo)模型的建立

我們已經(jīng)擬合得到切削力、切削振動(dòng)、粗糙度的數(shù)學(xué)模型.為了使刀具處于最佳工作狀態(tài)，達(dá)到最佳的加工效果，還必須根據(jù)模型對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[6].首先，為了達(dá)到加工效果，我們應(yīng)盡可能使加工表面的粗糙度小，并且切削力(因?yàn)榍邢鞣至Φ内厔莼旧吓c切削合力的趨勢相同，此處僅使用合力)和切削振動(dòng)也應(yīng)盡可能小.可以建立多目標(biāo)規(guī)劃模型如(10)式所示：

(10)

圖2　模型與試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線

這是一個(gè)非線性模型，可以對其進(jìn)行線性化處理.觀察模型特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，通過對模型取對數(shù)，可達(dá)到線性化的效果.原變量與新變量的關(guān)系為：

4.2試驗(yàn)結(jié)果模型的分層求解法

分層評價(jià)法的特點(diǎn)是：每一優(yōu)先層的目標(biāo)函數(shù)的求解不再是求解一個(gè)數(shù)值極小化問題，而是需要求解一個(gè)多目標(biāo)極小化問題.我們應(yīng)該先在可行域X上對第一層的向量目標(biāo)F1(X)進(jìn)行多目標(biāo)極小化，設(shè)得到有效解集E1(F1,X)，再對第二層的目標(biāo)函數(shù)F2(X)進(jìn)行求解.最后，在L-1 優(yōu)先層的有效解集EL-1(FL-1,X)上對第L優(yōu)先層的目標(biāo)函數(shù)FL(X)進(jìn)行多目標(biāo)極小化，所得的解為模型的解[7].根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃分層求解法，采用MATLAB軟件進(jìn)行分層優(yōu)化對其求解[8]，以加工表面質(zhì)量為首位，加工效率次之，最后考慮力和振動(dòng).采用目標(biāo)規(guī)劃和分層規(guī)劃相結(jié)合的辦法，得到優(yōu)化結(jié)果模型.

多目標(biāo)規(guī)劃模型只是對實(shí)際參數(shù)選擇提供指導(dǎo)性建議，實(shí)際參數(shù)的選擇必須通過切削試驗(yàn)驗(yàn)證.根據(jù)對前面試驗(yàn)結(jié)果的分析，第9組參數(shù)為最佳方案，它與優(yōu)化結(jié)果極為接近.因此，該優(yōu)化方法是有效、可行的.

通過試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)加速度和表面粗糙度誤差較大，切削力基本控制在10﹪以內(nèi).這主要是由于振動(dòng)誤差是多方面綜合作用的結(jié)果，較難控制， 而表面粗糙度和振動(dòng)加速度正是切削振動(dòng)的外在表現(xiàn).

5切削性能對比

為驗(yàn)證模型的有效性，我們利用優(yōu)化參數(shù)(切削速度Vc=130m/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.12mm/r，切削深度ap=1mm)進(jìn)行切削對比試驗(yàn).選取3個(gè)不同批次的CG10刀片進(jìn)行切削對比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)評判指標(biāo)對刀片進(jìn)行質(zhì)量判定.3種刀片切削力、切削振動(dòng)、斷屑性能、加工表面質(zhì)量的情況基本相同.圖3為刀具磨損情況對比曲線，圖4為刀具磨損的SEM圖片.

從磨損曲線中可以看出，3種刀片在刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.1mm的條件下，表現(xiàn)相差不大，1批次要稍好于其他兩者.但從刀具磨損曲線的總體走勢來看，1的表現(xiàn)明顯較好.這說明1批次刀片的生產(chǎn)工藝參數(shù)要優(yōu)于2、3批次.因此可以從2、3批次的工藝參數(shù)中摸索差異，改進(jìn)工藝.

圖3　刀具磨損情況對比曲線

圖4　刀具磨損SEM圖片

6結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過對切削力、振動(dòng)、表面質(zhì)量的分析，用多元回歸法建立數(shù)學(xué)模型，并對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，給出硬質(zhì)合金刀具切削加工的優(yōu)化參數(shù). 基于實(shí)驗(yàn)和分析可以得出以下結(jié)論:

1)利用多元回歸法建立加工參數(shù)的預(yù)測模型，通過顯著性檢驗(yàn)且與加工試驗(yàn)結(jié)果擬合良好.這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢栽谟操|(zhì)合金刀具的加工性能實(shí)驗(yàn)中推廣，并為硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)、研發(fā)提供參考.

2)采用目標(biāo)規(guī)劃和分層規(guī)劃相結(jié)合，對多個(gè)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以獲得優(yōu)化合理的加工參數(shù)數(shù)據(jù)，減少試驗(yàn)次數(shù)，增大試驗(yàn)點(diǎn)的信息量，為刀具加工性能評價(jià)提供有效的手段.

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(責(zé)任編輯穆剛)

Research on the test methods for cutting performance of cemented carbide tool

DENG Ying1, DENG Ling2, ZHANG Yanhua1

(1.Research Institute for New Materials Technology, Chongqing University of Arts and Science, Yongchuan Chongqing 402160, China;2.Chengdu Chengliang Tool Group Co., Ltd., Chengdu Sichuan 610056, China)

Abstract：In view of the evaluation of cutting performance in the process of developing cemented carbide tool, through the analysis and study of theory and experiment, taking the cemented carbide tool for the cast iron turning machine as the example, the cutting efficiency analysis and process experiment was carried out. Average experiment design method and multiple regression method was used to construct the mathematical model. Through the analysis of the cutting force, vibration and surface quality, the cutting parameter was optimized, and the regression equation was testified, which providing reliable evidence to choose the cutting parameter, and effective method to assess the tool’s cutting performance.

Key words：cemented carbide tool; cutting parameter; multiple regression; test performance

[中圖分類號]O651

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0001-05

[作者簡介]鄧瑩(1971—)，女，湖南邵陽人，博士，高級工程師，主要從事高性能硬質(zhì)合金材料、微納米金屬粉末方面的研究.

[基金項(xiàng)目]重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ121217，KJ121203).

[收稿日期]2015-06-09