多目標決策的微織構球頭銑刀切削性能評價

楊樹財　王煥焱　張玉華　張磊

摘要：在球頭銑刀的銑削過程中，表面微織構具有抗磨減磨作用，為了進一步研究微織構球頭銑刀的切削性能，依據多目標決策理論，利用指數標度的層次分析法建立了球頭銑刀切削性能評價體系，結合模糊綜合評價法及鈦合金銑削實驗，對球頭銑刀的切削性能進行分析，并給出了球頭銑刀的綜合評價值.研究結果表明：微織構球頭銑刀與無織構球頭銑刀相比，不僅減小了切削力、切削熱而且提高了工件表面質量，其切削性能綜合評價值為0.578高于無織構球頭銑刀的0.422，由此表面微織構對球頭銑刀切削性能改善效果顯著.

關鍵詞：微織構；多目標決策；球頭銑刀；切削性能評價

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.001

中圖分類號：TG714

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0001-05

1.引言

仿生摩擦學研究發現，置入微織構的表面具有良好的減摩抗磨效果，目前，國內外學者研究表明刀具表面的微織構置入提高了刀具性能，陳碧沖。利用無織構刀具和不同類型微織構刀具進行了鋁合金切削仿真實驗，研究了不同切削深度條件下無織構刀具和不同類型微織構刀具的切削性能，僅分析了切削深度對切削力和切削溫度的影響規律；日本Noritaka Kawasegi等學者在車刀前刀面加工出微溝槽織構，結合鋁合金切削試驗，得出了微織構的置入使前刀面的摩擦降低，從而改善刀具切削性能，但并未進一步探索研究；龍遠強。通過微織構自潤滑刀具與傳統硬質合金刀具分別對OCrl8Ni9奧氏體不銹鋼進行干切削試驗，結果表明，與傳統刀具相比，微織構自潤滑刀具切削過程中的主切削力減小了8%～16%，切削溫度降低了15%～24%，改善了刀具的粘著磨損現象，有效的提高了切削性能.目前大量學者是只是針對表面微織構刀具車削過程中的切削性能的探討分析，而現有的研究僅通過有限元模擬的方法得出了微織構球頭銑刀在銑削過程中有減少切削力，降低切削溫度等的作用，缺乏依據不同指標因素對微織構球頭銑刀切削性能進行系統的研究分析。

為此，本文基于多目標決策理論對微織構球頭刀的切削性能進行分析以及完整的研究評價.層次分析法是多目標決策中一種定性與定量相結合、系統化的分析方法，因其處理多目標復雜決策問題實用有效而得到廣泛應用.本文結合了層次分析法中兩種標度的比較，運用以指數為標度的改進的層次分析法，并利用鈦合金銑削試驗與模糊綜合評價法對微織構硬質合金刀具的切削性能進行評價.

1.微織構刀具的制備

1.1微織構刀具的設計

本文選用的是020 mm可轉位球頭刀片，刀片型號為BNM-200，T=5mm，B=15mm，刀桿型號為BNML-200105S-S20C，全長為141mm，刀片刀桿材料均為硬質合金，刀具牌號為YG8，見圖1.由于微坑織構有良好的減摩抗磨性能，因此本文選用微坑織構進行表面微織構造型，鈦合金切削加工時刀一屑接觸長度短，接觸面積小，織構置入區域需覆蓋刀一屑接觸區域，因此本文設計的微織構參數如下：距切削刃的距離為100um，微坑直徑為70um，微坑中心距為120um，如圖2所示為織構置入區域。

1.2微織構刀具的加工

本文利用激光打標機實現微織構加工，激光打標機的加工參數為：激光波長為1064nm，最大激光輸出功率為70w，激光頻率為3.14kHz，掃描速度為500um/s，打標次數為2次.利用2000#金相砂紙打磨試樣表面去除表面毛刺后，用超聲波清洗15～20min，清洗劑為丙酮，如圖3所示為加工完成的微織構刀具。

2.基于指數標度的層次分析法構權

2.1建立刀具評價體系

切削力、刀具磨損、加工精度、切削溫度和刀具振動為評價刀具切削性能的重要指標，由于在銑削加工中，主軸轉速和軸向切削深度為影響刀具振動的主要因素，因此表面微織構幾乎不會影響刀具加工過程的振動變化，故而不予考慮.本文針對鈦合金高速銑削加工主要通過以下幾個方面進行綜合考慮，建立了微織構硬質合金球頭銑刀評價體系，如圖4所示，切削力、刀具磨損、加工精度和切削溫度為主指標；前刀面磨損和后刀面磨損為刀具磨損的子指標；表面粗糙度和尺寸精度為加工精度的子指標。

2.2建立判斷矩陣

在傳統的層次分析法中，大多采用1-9的標度建立判斷矩陣，雖然均勻性好，但存在部分缺陷，且一致性差，容易導致評定結果出現逆序與思維一致性相脫節等問題，相對比1-9標度法，指數標度是一個計算結果可信、優良的標度.本文根據指數標度所對應的1-13階隨機一致性檢驗指標值，見表1.

本文利用指數標度法構造指標因素兩兩判斷矩陣.根據生產實際中刀具選擇情況的調查統計對主指標作出判斷矩陣，按[A，B，c，D]=[切削力，刀具磨損，加工精度，切削溫度]的順序構建的判斷矩陣如下：

3）ω權重計算.找出最大特征值入_max對應的特征向量W，歸一后，即得到各部分評定指標權重系數各部分權重值ω_i：{切削力，刀具磨損，加工精度，溫度}={0.148，0.446，0.258，0.148}。

利用指數標度法對子指標進行構造判斷矩陣及權重計算，總權重值見表2.量化后的刀具磨損值所占權重值要高于其他指標，加工精度次之.刀具抗磨損性能的高低直接表現為刀具的耐用度，刀具磨損作為最重要的指標，對刀具性能的影響最大，因此量化的結果是正確的。

3.刀具切削性能評價試驗

本文采用無織構刀具與微織構刀具進行對比實驗.工件材料為Ti6A14V，見圖5.用正弦平口鉗及墊鐵將長方形板料呈15。并夾緊固定，使用型號為VDL-1000E的數控銑床以及Kistler9257B測力儀，裝置見圖6.銑削方式為逆銑.銑削參數為v_c=120 m/minf=0.08mm/z，α=1mm，α=0.5mm.工件的突起部分為加工部分，每個突起部分銑20次，每次銑削行程為88mm，按圖5中序號順序進行銑削.在對6號突起部分銑削時，兩組刀具均有磨損現象，且銑削力變化處于平穩，此部分測得的實驗數據作為評價數據。

圖7是6號凸起部分采集的力數據.利用KIS—TLER-VHX600型超景深顯微鏡測量此時的前后刀面的磨損量，如圖8所示，為兩種刀具前刀面磨損量對比圖，從圖中可知微織構刀具的前刀面磨損量明顯小于無織構刀具前刀面磨損量，是由于微織構的置入，使得微織構球頭刀在切削過程中的摩擦區域變小了，使摩擦系數降低，有效的改善了摩擦表面的接觸性，通過表面粗糙度測量儀和三坐標測量機分別測量工件表面粗糙度值R_a和尺寸精度，如圖9所示，為兩種刀具的表面粗糙度曲線，從圖中可知微織構刀具銑削后的工件表面粗糙度峰值波動較小，說明因微織構的置入，能夠減小刀一屑摩擦系數，使得銑削工況相對穩定，導致工件表面粗糙度值較小。

利用相同銑削參數對兩種刀具進行Deform仿真實驗，選取Johnson-Cook模型作為本構模型.如圖10所示，為兩種刀具切削溫度仿真云圖.從圖中可知微織構刀具在銑削過程中，熱影響區域范圍小，本文以獲得的銑削仿真過程中兩種刀具的切削溫度作為評價數據。

將所有指標評價數據的平均值匯總，得到表3.為了量化微織構球頭刀的改善效果，需對試驗結果進行模糊綜合評價。

4.構建模糊綜合評價模型

本文把u=[u₁，u₂，u₃，u₄，u₅，u₆]=[切削力，前刀面磨損，后刀面磨損，表面粗糙度，尺寸精度，切削溫度]作為評價因素集，通過表2得

A=[0.148，0.268，0.178，0.142，0.116，0.148]

5.結論

1）利用激光加工工藝制備了微織構球頭銑刀，加工出的微織構尺寸大小的穩定性和均勻性好.

2）建立了微織構球頭銑刀切削性能評價體系，基于指數標度的層次分析法構權，獲得各個評價指標權重。

3）通過無織構刀具與微織構刀具對比試驗研究，得出微織構的置入有減少磨損、減少切削力和改善工件表面質量的作用。

4）基于模糊數學理論對球頭銑刀的切削性能構建模糊綜合評價模型，得出了微織構球頭銑刀的切削性能的綜合評價值是0.578，無織構球頭銑刀為0.422.因此可作為置入微織構可以改善球頭刀切削性能的重要依據.為進一步研究微織構球頭刀的切削性能奠定了基礎，并對相關微織構的研究具有一定的參考價值。