圓環面銑刀高速銑削S50C模具鋼的工藝參數研究

王義強,閆國琛,袁修華,谷巖,楊林霖

(1.浙江大學寧波理工學院,浙江寧波 315100;2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室,浙江寧波 315100)

圓環面銑刀高速銑削S50C模具鋼的工藝參數研究

王義強1,2,閆國琛1,2,袁修華1,谷巖1,楊林霖1

(1.浙江大學寧波理工學院,浙江寧波 315100;2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室,浙江寧波 315100)

為了探究高速銑削過程中工藝參數對表面粗糙度的影響規律,采用多因素正交試驗方法對常用模具鋼S50C進行高速銑削試驗,測量了使用圓環面銑刀銑削加工時不同主軸轉速、進給速度、切削深度、切削行距、刀具傾角下加工工件的表面粗糙度,利用人工神經網絡結合遺傳算法建立了表面粗糙度預測與工藝參數優選模型,并且對模型的有效性進行了驗證。結果表明,此方法可以用于切削加工前表面粗糙度的預測與工藝參數的優選,同時也為其他材料加工工藝參數的研究提供了方法。

機械制造工藝與設備;高速銑削;圓環面銑刀;工藝參數;人工神經網絡;遺傳算法

0 引言

常規的模具加工方法是在退火階段進行銑削加工,然后進行熱處理、磨削或電火花加工,最后手工打磨、拋光[1-2]。由于淬火處理后模具的硬度大大增加,增加了后續工序的難度,也降低了加工效率,增加了加工成本。隨著高速切削(HSC)技術研究的不斷深入,特別是高速旋轉主軸性能的提高及耐磨刀具的發展[3],使得HSC技術在模具及成形制造中的應用越來越廣泛[4-6],模具業中大部分模具均適用HSC技術,高速硬切削可加工硬度HRC50～60的淬硬材料,因而取代了部分電火花加工,并減少了鉗工修磨工序,縮短了模具加工周期。

圓環面銑刀是用一段圓弧切削刃將底部的切削刃和側刃光滑地連接起來形成的一種刀具。圓環面銑刀相對于球頭銑刀,不存在切削速度為0的點,極大地改善了加工表面的質量。相對于平底銑刀,沒有尖齒,相對磨損小,刀具壽命高[7]。圓環面銑刀由于具有球頭銑刀和平底銑刀的雙重優點,因而受到了國外工業界、學術界和政府機構的高度關注[8-10]。

S50C模具鋼為高級優質中碳鋼,是由電爐、平爐或純氧轉爐煉鋼法制造的全靜鋼,具有金相組織均勻、強度高、硬度大、耐磨性優良等優點,但延展性差,淬火易變形和開裂。一般在淬火回火下使用,用于制造各種冷作模具的墊板、鉆模固定板等。本文在試驗的基礎上研究了圓環面銑刀的工藝參數對表面粗糙度的影響,在常規工藝參數的基礎上加入了刀具傾角的影響,建立了適合S50C模具鋼的表面粗糙度預測模型,最后將遺傳算法用于該模型得到了S50C模具鋼的最優工藝參數。

1 高速銑削試驗

1.1 試驗條件

機床為FADIA D165高速銑削加工中心,主軸轉速240～24 000 r/min,各軸行程:X軸1 000 mm, Y軸600 mm,Z軸500 mm.刀具采用韓國NEK銑刀,型號為10×10×25×100 R1(刀具直徑10 mm,齒數4,圓弧半徑1 mm,全長100 mm,刃長25 mm),圖1為銑削機床及所用的刀具。潤滑方式為油氣潤滑。測量儀器采用美國Corning Tropel公司研制的非接觸式Laser-check 6212B激光粗糙度儀,如圖2所示。

1.2 試驗方案

高速銑削加工中,在刀具一定的條件下,對被加工工件的表面粗糙度Ra產生影響的因素主要有主軸轉速n、進給速度vf、切削深度ap、切削行距ae、刀具傾角θ,圖3和圖4分別為影響因素的示意圖和加工后的工件。為減少試驗次數,提高各試驗點數據的信息量,本文采用L16(45)正交表[11]進行高速銑削試驗,試驗因素及水平、試驗結果分別如表1和表2所示。測量時,將每個樣本沿長度方向等分為10個區域,每個區域內測量1個樣本值,計算其均值與方差,由于方差極小,因此取其均值作為最終試驗結果。

圖1 銑削機床及刀具Fig.1 Milling machine and cutting tool

圖2 表面粗糙度測量儀Fig.2 Surface finish measuring instrument

圖3 影響因素示意圖Fig.3 Schematic diagram of influencing factors

1.3 試驗結果分析

圖4 工件Fig.4 Workpiece

根據極差分析法做出極差分析結果如表3所示,Ki(i=1,2,3,4)為i水平下各因素對加工表面的影響效果平均值,R為極差。由表3可以看出,對S50C模具鋼表面粗糙度的影響因素顯著性排序為n＞ae＞vf＞ap＞θ,影響最顯著的因素是主軸轉速,其次是切削行距,影響最不顯著的因素是刀具傾角。同時,可以得出最優工藝參數的粗略值:n=20 000 r/min, vf=5 000 mm/min,ap=0.04 mm,ae=0.01 mm,θ= 10°.

2 基于BP網絡的表面粗糙度預測

2.1 BP網絡簡介

BP網絡是利用非線性可微分函數進行權值訓練的多層前饋型網絡。它結構簡單、可塑性強、數學意義明確、學習算法步驟分明,是前向網絡的核心部分,因此得到了廣泛的應用。BP網絡是一種具有3層或3層以上結構的神經網絡,包括輸入層、中間層(隱層)和輸出層。上下層之間實現全連接,而每層神經元之間無連接。BP網絡所采用的傳遞函數均是可微的單調遞增函數,它的學習規則是使用最速下降法,通過反向傳播來不斷調整網絡的權值和閾值,使網絡的誤差平方和最小[12]。

表1 試驗因素及水平值Tab.1 Experimental factors and levels

表2 試驗結果Tab.2 Experimental results

表3 極差分析結果Tab.3 The results of range analysis

2.2 BP網絡結構設計

因為本文要建立的預測模型中有5個自變量, 1個因變量,所以確定該BP網絡輸入層應具有5個節點,輸出層只有1個節點。由神經網絡理論可知,對于任何在閉區間內的一個連續函數都可以用單隱層的BP網絡逼近,故本文采用3層BP網絡建立預測模型。神經網絡結構示意圖如圖5所示。

圖5 神經網絡的結構Fig.5 The structure of neural network

根據kolomogorov定理,網絡中間層的神經元可以取11個。隱層和輸出層傳遞函數分別為對數S型函數和線性函數,訓練函數選擇收斂速度更快的Levenberg-Marquardt算法,最大訓練次數為2000次,誤差目標值為1.0×10-8,預測神經網絡的實現流程如圖6所示。

圖6 神經網絡流程Fig.6 Flowchart of neural network

2.3 BP網絡訓練和驗證

從16組試驗數據中選擇14組作為訓練樣本,剩余2組作為驗證樣本。網絡模型的訓練誤差隨訓練次數的變化曲線如圖7所示,當網絡訓練的步數達到第4步時滿足要求,網絡訓練停止,此時網絡模型的均方誤差達到1.3911×10-10,真實值與預測值散點圖及預測誤差變化曲線如圖8和圖9所示。

圖7 訓練誤差隨訓練次數的變化Fig.7 Variation of training error with training times

圖8 真實值與預測值Fig.8 True values and predicted values

3 基于遺傳算法的工藝參數優選

3.1 遺傳算法簡介

遺傳算法(GA)是人工智能領域中通過模擬自然界優勝劣汰的選擇機制而進行隨機化搜索的一種超啟發式算法。一般認為,參數編碼、創建初始群體、適應度評估檢測、遺傳操作、設定控制參數5個要素構成了GA的核心內容。由于GA具有內在的隱并行性和更好的全局搜索能力,而且搜索不依賴于梯度信息,因而更加適用于傳統方法難以解決的復雜非線性問題。

圖9 預測誤差變化Fig.9 Variation of prediction error

傳統的切削參數優選方法是對大量的試驗數據進行曲線擬合,然后通過解析法和數值計算方法等求得其極值,這樣不僅費時費力,而且得到的最優工藝參數的準確性也難以保證。GA在機械加工中的應用改變了這一現狀,將GA用于神經網絡的預測模型中,一方面避免了粗糙度解析模型類型的假定,從而避免模型誤差所導致的最優參數偏離真實值,另一方面避免了繁瑣復雜的計算,此外模型具備了良好的可移植性,即針對不同的材料,只需要改變控制參數就可實現其工藝參數的優選。

3.2 工藝參數優選模型

參數優選模型中的變量為BP網絡預測模型中的5個工藝參數,即主軸轉速(5 000 r/min≤n≤20 000 r/min)、進給速度(5 000 mm/min≤vf≤8 000 mm/min)、切削深度 (0.02 mm≤ ap≤0.08 mm)、切削行距(0.01 mm≤ae≤0.07 mm)、刀具傾角(10°≤θ≤40°).目標函數為表面粗糙度: Minf(X)=f(n,vf,ap,ae,θ),適應度函數為G(X)= 1/(a+k·f(X)),實現流程如圖10所示。

圖10 參數優選流程Fig.10 Flowchart of parameters optimization

經過反復試驗,確定種群數量為200,變量采用二進制編碼方式,位數為20,最大迭代次數為60,適應度函數中a取值20,k取值1,重組交叉率為0.8.

3.3 最優工藝參數

迭代過程中適應度與表面粗糙度的變化如圖11和圖 12所示。最優工藝參數:主軸轉速 n= 14 710 r/min、進給速度vf=5 890 mm/min、切削深度ap=0.024 mm、切削行距ae=0.010 mm、刀具傾角θ=10°,此時表面粗糙度最小,其值為0.206 μm.實際加工后表面粗糙度值為0.215 μm,相對誤差為4%.

圖11 適應度隨迭代次數的變化Fig.11 Variation of fitness with the number of iterations

圖12 表面粗糙度隨迭代次數的變化Fig.12 Variation of surface roughness with the number of iterations

通過與極差分析結果對比可知:極差分析僅用于試驗點水平上的參數優選,而基于GA的參數優選模型可以對非試驗點水平的參數進行最優選擇,而且準確度更高。

4 結論

通過對S50C模具鋼進行高速銑削試驗,利用BP網絡與GA建立了粗糙度預測模型與參數優選模型,得到以下結論:

1)對于圓環面銑刀,影響工件表面粗糙度的因素主要有主軸轉速、切削行距、進給速度、切削深度、刀具傾角,影響的顯著程度依次降低。

2)利用正交試驗方法和人工神經網絡建立S50C模具鋼的表面粗糙度預測模型,可以減少試驗次數,增加試驗點的信息量,用于加工前的表面粗糙度預測,預測的相對誤差控制在4%以內。該方法可以用于其他材料的表面粗糙度預測。

3)建立了基于GA的參數優選模型,通過迭代計算獲得S50C模具鋼的最優工藝參數:主軸轉速n=14 710 r/min、進給速度vf=5 890 mm/min、切削深度ap=0.024 mm、切削行距ae=0.010 mm、刀具傾角θ=10°.應用該方法可以建立其他材料的參數優選模型。

4)圓環面銑刀可用于模具表面的精加工,加工過程中通過合理選擇工藝參數,可以得到表面粗糙度Ra為0.215 μm甚至更小的加工表面,可替代部分電火花加工。

References)

[1] 張伯霖,范夢吾,李志英.模具制造中的高速加工技術[J].制造技術與機床,2003(5):8-11.

ZHANG Bo-lin,FAN Meng-wu,LI Zhi-ying.High speed machining in die&mold making[J].Manufacturing Technology&Machine Tool,2003(5):8-11.(in Chinese)

[2] 馬曉云,林建平.淬硬模具鋼SKD61的高速銑削加工研究[J].機械工程材料,2004,28(6):27-29.

MA Xiao-yun,LIN Jian-ping.High speed milling machining processes of a SKD61 hardened steel[J].Materials for Mechanical Engineering,2004,28(6):27-29.(in Chinese)

[3] 鄧朝暉,劉戰強,張曉紅.高速高效加工領域科學技術發展研究[J].機械工程學報,2010,46(23):106-120.

DENG Zhao-hui,LIU Zhan-qiang,ZHANG Xiao-hong.Research of the science and technology development in high-speed and efficient processing field[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46 (23):106-120.(in Chinese)

[4] 曲曉文,林有希,顏聰明.模具高速切削關鍵技術研究進展[J].機械設計與制造,2012(5):249-251.

QU Xiao-wen,LIN You-xi,YAN Cong-ming.Research on key technology of high speed cutting in molds&dies[J].Machinery Design&Manufacture,2012(5):249-251.(in Chinese)

[5] 王西彬,楊廣勇.超高速干銑削灰鑄鐵的研究[J].兵工學報, 1999,20(3):263-267.

WANG Xi-bin,YANG Guang-yong.High speed dry milling of cast iron[J].Acta Armamentarii,1999,20(3):263-267.(in Chinese)

[6] 趙文祥,王西彬,龍震海,等.鍛壓鎂合金材料端面高速銑削過程中切削力特征規律分析[J].兵工學報,2005,26(4):540-544.

ZHAO Wen-xiang,WANG Xi-bin,LONG Zhen-hai,et al.Factorial study on characteristics of magnesium alloy in high-speed facemilling process[J].Acta Armamentarii,2005,26(4):540-544. (in Chinese)

[7] 華茂發,溫秀蘭.圓環面刀五坐標銑削加工復雜曲面干涉避免研究[J].組合機床與自動化加工技術,2012(8):6-8.

HUA Mao-fa,WEN Xiu-lan.Study on interference avoidance of five-axis milling of complex surface with ring-face milling cutter [J].Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique,2012(8):6-8.(in Chinese)

[8] Roth D,Bedi S,Ismail F,et al.Surface swept by a toroidal cutter during 5-axis machining[J].Computer-Aided Design,2001, 33(1):57-63.

[9] Sheltami K,Bedi S,Ismail F.Swept volumes of toroidal cutters using generating curves[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,1998,38(7):855-870.

[10] Jywe W Y,Liu C H.A method for evaluating the contour and tolerance of the toroidal cutter with helicoidal surfaces[J].Measurement Science and Technology,2000,11(3):237-243.

[11] 任露泉.回歸設計及其優化[M].北京:科學出版社,2009.

REN Lu-quan.Regression design and optimization[M].Beijing: Science Press,2009.(in Chinese)

[12] 胡金平,高淑琴,齊立濤.應用BP神經網絡預測高速銑削表面粗糙度[J].裝備制造技術,2012(6):237-241.

HU Jin-ping,GAO Shu-qin,QI Li-tao.Predicting surface roughness of high speed milling using back propagation artificial neural network[J].Equipment Manufacturing Technology,2012(6): 237-241.(in Chinese)

Research on Process Parameters of Toroidal Cutter in High-speed Milling of Die Steel S50C

WANG Yi-qiang1,2,YAN Guo-chen1,2,YUAN Xiu-hua1,GU Yan1,YANG Lin-lin1
(1.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,Zhejiang,China; 2.Zhejiang Provincial Key Lab of Part Rolling Technology,Ningbo 315100,Zhejiang,China)

In order to explore the effect of process parameters on surface roughness in high-speed milling, the multifactorial orthogonal experiments of die steel S50C are conducted,and the surface roughness is measured under different parameters such as spindle speed,feed rate,axial depth,radial width and pose angle.The artificial neural network and genetic algorithm are used to establish a prediction model of surface roughness and an optimization model of process parameters.In addition,the validity of two models is verified.Results show that the approach may be used for the prediction of surface roughness and optimization of the process parameters before machining.Moreover,this research also provides a valid means to study the process parameters of other materials.

manufacturing technique and equipment;high-speed milling;toroidal cutter;process parameter;artificial neural network;genetic algorithm

TG543

A

1000-1093(2014)07-1091-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.024

2013-09-08

浙江省自然科學基金項目(Y1110708);國家科技重大專項(2012ZX04011021);寧波市自然科學基金項目(2013A610152)

王義強(1964—),男,教授,博士生導師。E-mail:jluwang@gmail.com;

閆國琛(1986—),男,碩士研究生。E-mail:yanguochen1986@126.com