硬質合金刀具加工參數模型優化方法研究

鄧　瑩，鄧　玲，張艷華

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

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硬質合金刀具加工參數模型優化方法研究

鄧瑩1，鄧玲2，張艷華1

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

[摘要]針對硬質合金刀具開發過程中的切削性能評價，通過理論與實驗分析，以硬質合金刀具對鑄鐵車削加工為例，進行切削性能分析和工藝試驗，采用均勻試驗設計方法、多元回歸法建立數學模型，通過對切削力、振動、表面質量的分析，優化刀具的切削參數，并對回歸方程進行顯著性檢驗.研究結果可以為刀片切削參數選擇提供依據，為合理評價刀具使用性能提供有效方法.

[關鍵詞]硬質合金刀具；切削參數；多元回歸法； 性能評價

隨著粉末冶金及刀具技術的飛速發展，新型材料和結構的刀具研發日新月異.對這些新型刀具，選擇合理的切削參數進行有效切削性能評價，可以正確評估刀具的使用性能，是刀具研發必不可少的環節.切削過程是一個高溫、大應變、大應變率、高頻振動、高速摩擦的材料失效過程,從機床特性、加工方式,到工件材料性質、刀具材料和幾何角度等，影響因素眾多[1].

1實驗

1.1儀器與設備

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

檢測系統：顯微鏡顯微攝像(使用自行開發的軟件和該顯微鏡配套進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、電荷放大器和數據采集與處理系統測量切削力. JB-3C 表面粗糙度儀測振動系統.刀面磨損、加工表面微觀結構通過掃描電鏡觀測.

1.2材料

工件材料：球墨鑄鐵QT500 .

刀具：硬質合金刀具(CG10牌號，成硬).其結構參數如圖1所示.

圖1　硬質合金刀具參數(CG10)

1.3試驗內容

本實驗選取成量集團硬質合金工具廠CG10牌號合金刀具，根據加工手冊和刀具樣本所提供的物理性能數據及刀具槽型特點，確定切削試驗參數范圍如表1所示.

表1　切削試驗參數范圍

鑄鐵由于良好的減摩性和切削加工性，廣泛應用于機械制造中.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，影響加工表面質量[2].本實驗以提高加工表面質量為出發點，選取針對硬質合金刀具鑄鐵平面銑削加工，進行加工性能分析和工藝試驗.通過研究刀具在不同加工參數下的切削力、切削振動以及加工表面質量，獲得刀片在球墨鑄鐵QT500 加工中的加工參數，而后選取不同批次的3片CG10刀片在優化切削參數條件下進行對比性能試驗， 評估加工性能.

在設計試驗方案時，采用均勻試驗設計方法，取切削速度vc、每轉進給量f和軸向切深ap3個因素進行考察.其中：vc和f在參數范圍內均劃分為10 個水平，ap在參數范圍內均劃分為5 個水平，均勻設計U10(10×52)的因素水平和試驗參數設計表分別如表2和表3所示.

表2　均勻設計U10(10×52)的因素水平

通過在線及離線檢測(切削力、切削振動和斷屑性能、刀具磨損、加工表面質量)，對切削進行對比研究，評估切削加工中的切削性能.試驗過程中， 每走一刀變化一次切削參數，測量每組參數下的切削力(Kistel 測力儀)工件和主軸的振動(Bruel & Kjaer加速度傳感器)，收集切屑.試驗完畢收集刀具和試件，試驗結果見表4.此處切削振動試驗的測量結果來自于主切削方向(Y向)，因為它對刀具的影響最顯著.

表3　試驗參數設計

2擬合模型

根據金屬切削原理，切削力與切削參數之間存在復雜的指數關系[3].應用多元回歸的方法來建立切削力與切削參數之間關系的常用形式如(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.

(1)

(xFx、yFx、nFx)、(xFy、yFy、nFy)、(xFz、yFz、nzx)分別為3個分力公式中切削深度ap(mm)、進給量fz(mm)和切削速度νc(mm/min)指數.由于切削力的公式是指數，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，根據公式(1)的特點，假設X1=lg(Vc)、X2=lg(Fz)、X3=lg(ap)、yi=lg(Fi)，公式(1)轉化為:

Yi=bi0+bi1x1+bi2x2+bi3x3

(2)

用矢量分析作為求解參數bij的工具，建立多元線性回歸方程:

(3)

其中，εi為隨機誤差，bi為參數βi的最小二乘數，(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，將試驗參數和試驗結果組成矩陣形式，并取對數，由矢量分析求得參數bij.

3試驗結果及分析

將表3的試驗參數和表4試驗結果組成矩陣形式并取對數，代入公式(3)~(5)由矢量分析求得參數bij及優化公式：

(6)

由于切削力指數公式只是一種假設，因此要判斷公式擬合程度的好壞，必須進行顯著性檢驗以驗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：

H0：b1=b2=…=bm=0

(7)

為建立對H0進行檢驗的統計量，將總偏差進行平方和Lyy分解.

(8)

(9)

導入數據，通過MATLAB編程計算得出F值[5].表5為Fx模型方差分析表，采用相同計算方法可得Fy、FH.從結果可以看出，F遠遠大于臨界值，表明(6)式回歸十分顯著.

表4　試驗數據采集結果

圖2為模型與試驗結果的擬合曲線，與實際結果可以很好地擬合，可以用以預測銑削力.軸向力Fz的數學模型無法回歸得出.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、跳動和振動，造成軸向力Fz的無規律變化.

切削振動A與表面粗糙度Ra可以采用相同的方法獲得模型.結果如下：

4參數優化分析

4.1多目標模型的建立

我們已經擬合得到切削力、切削振動、粗糙度的數學模型.為了使刀具處于最佳工作狀態，達到最佳的加工效果，還必須根據模型對加工參數進行優化[6].首先，為了達到加工效果，我們應盡可能使加工表面的粗糙度小，并且切削力(因為切削分力的趨勢基本上與切削合力的趨勢相同，此處僅使用合力)和切削振動也應盡可能小.可以建立多目標規劃模型如(10)式所示：

(10)

圖2　模型與試驗結果的擬合曲線

這是一個非線性模型，可以對其進行線性化處理.觀察模型特點可以發現，通過對模型取對數，可達到線性化的效果.原變量與新變量的關系為：

4.2試驗結果模型的分層求解法

分層評價法的特點是：每一優先層的目標函數的求解不再是求解一個數值極小化問題，而是需要求解一個多目標極小化問題.我們應該先在可行域X上對第一層的向量目標F1(X)進行多目標極小化，設得到有效解集E1(F1,X)，再對第二層的目標函數F2(X)進行求解.最后，在L-1 優先層的有效解集EL-1(FL-1,X)上對第L優先層的目標函數FL(X)進行多目標極小化，所得的解為模型的解[7].根據多目標規劃分層求解法，采用MATLAB軟件進行分層優化對其求解[8]，以加工表面質量為首位，加工效率次之，最后考慮力和振動.采用目標規劃和分層規劃相結合的辦法，得到優化結果模型.

多目標規劃模型只是對實際參數選擇提供指導性建議，實際參數的選擇必須通過切削試驗驗證.根據對前面試驗結果的分析，第9組參數為最佳方案，它與優化結果極為接近.因此，該優化方法是有效、可行的.

通過試驗結果與模擬結果的對比可以發現，振動加速度和表面粗糙度誤差較大，切削力基本控制在10﹪以內.這主要是由于振動誤差是多方面綜合作用的結果，較難控制， 而表面粗糙度和振動加速度正是切削振動的外在表現.

5切削性能對比

為驗證模型的有效性，我們利用優化參數(切削速度Vc=130m/min，每轉進給量f=0.12mm/r，切削深度ap=1mm)進行切削對比試驗.選取3個不同批次的CG10刀片進行切削對比實驗，根據評判指標對刀片進行質量判定.3種刀片切削力、切削振動、斷屑性能、加工表面質量的情況基本相同.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準為VB=0.1mm的條件下，表現相差不大，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的表現明顯較好.這說明1批次刀片的生產工藝參數要優于2、3批次.因此可以從2、3批次的工藝參數中摸索差異，改進工藝.

圖3　刀具磨損情況對比曲線

圖4　刀具磨損SEM圖片

6結論

本實驗采用均勻試驗設計方法，通過對切削力、振動、表面質量的分析，用多元回歸法建立數學模型，并對回歸方程進行顯著性檢驗，給出硬質合金刀具切削加工的優化參數. 基于實驗和分析可以得出以下結論:

1)利用多元回歸法建立加工參數的預測模型，通過顯著性檢驗且與加工試驗結果擬合良好.這種實驗模型可以在硬質合金刀具的加工性能實驗中推廣，并為硬質合金刀具生產、研發提供參考.

2)采用目標規劃和分層規劃相結合，對多個加工參數進行優化，可以獲得優化合理的加工參數數據，減少試驗次數，增大試驗點的信息量，為刀具加工性能評價提供有效的手段.

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(責任編輯穆剛)

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

[文獻標志碼]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合金材料、微納米金屬粉末方面的研究.

[基金項目]重慶市教育委員會科學技術研究項目(KJ121217，KJ121203).

[收稿日期]2015-06-09