基于灰關(guān)聯(lián)度的TC17切削力和表面粗糙度工藝參數(shù)優(yōu)化

王 哲

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

鈦合金屬于典型的難加工材料，切削加工過程中存在切削力大、切削溫度高等特點(diǎn)，使表面質(zhì)量難以控制。工藝參數(shù)是實(shí)際生產(chǎn)中用來調(diào)控加工狀態(tài)的重要參數(shù)，包括切削速度、切削深度、切削寬度、進(jìn)給量。國內(nèi)外學(xué)者針對難加工材料的工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。Abbas使用粒子群算法(PSO)優(yōu)化TC4切削參數(shù)，得出切削速度為194 m/min，切削深度為0.1 mm，進(jìn)給量為0.15 mm/r，能獲得較好的材料去除率和表面粗糙度[1]。Behzad基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對鐵鎳基高溫合金車削的表面粗糙度、刀具磨損和去除的材料量進(jìn)行多目標(biāo)切削參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為切削速度為80 m/min，進(jìn)給速度為0.1 mm/r，切削深度為1.5 mm[2]。Liying通過TC21鈦合金車削正交實(shí)驗(yàn)，基于響應(yīng)曲面原理建立表面粗糙度預(yù)測模型，采用遺傳算法對不同表面粗糙度下的TC21鈦合金高速車削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[3]。程耀楠進(jìn)行鈦合金TC4銑削切削力試驗(yàn)研究，提出選擇較大的切削速度和較小的切削寬度可以降低切削力[4]。王哲采用田口法分析法得出切削力和切削溫度隨著工藝參數(shù)的變化規(guī)律，通過信噪比分析得到工藝參數(shù)對切削力和切削溫度的影響顯著度[5]。趙夫超分析了不銹鋼材料30CrMnSi切削過程中切削力的影響規(guī)律，得出當(dāng)前角為12°，后角為7°，切削速度為90 m/min時(shí)，切削力最小[6]。王永鑫采用遺傳優(yōu)化算法進(jìn)行了300M超高強(qiáng)度鋼車削工藝參數(shù)優(yōu)化，得到最佳工藝參數(shù)：糙主軸轉(zhuǎn)速為813.576 r/min，進(jìn)給量為0.128 mm/r，切削深度為0.1 mm[7]。張程焱進(jìn)行7075-T6鋁合金車削試驗(yàn)，建立試件表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型，以材料去除率、表面殘余應(yīng)力和表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo),基于遺傳優(yōu)化算法計(jì)算得到最優(yōu)工藝參數(shù)[8]。

根據(jù)上述分析，目前對鈦合金TC17銑削工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的研究相對較少。本研究以TC17高速銑削工藝為研究對象，采用田口分析法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析切削工藝參數(shù)各因素對切削力、表面粗糙度的影響規(guī)律；并采用灰關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行切削力和表面粗糙度多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果可以為實(shí)際切削加工中工藝參數(shù)的選擇以及加工結(jié)果的預(yù)測提供重要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)規(guī)劃

1.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)工件材料為TC17，試件大小尺寸為30 mm×20 mm×40 mm(見圖1),其材料力學(xué)性能如表1所示[9]。試驗(yàn)在XH7132A加工中心上進(jìn)行。選用直徑為6 mm的YG6X整體硬質(zhì)合金4刃立銑刀，刀具前角為8°，刀具后角為10°，采用順銑加工方式、乳化液冷卻。采用KISTLER-9119A動(dòng)態(tài)測力儀、Kisler5080電荷放大器進(jìn)行切削力數(shù)據(jù)的采集與處理，表面粗糙度輪廓儀對試件已加工表面進(jìn)行表面粗糙度的測量。銑削試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，X為進(jìn)給方向，Y為刀具徑向方向，Z為刀具軸向方向。采用表面粗糙度輪廓儀對試件已加工表面進(jìn)行表面粗糙度測量。

圖1 銑削試驗(yàn)系統(tǒng)圖

表1 TC17材料的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田口方法進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇銑削參數(shù)為切削速度v、切削深度ap、切削寬度ae和進(jìn)給量f，各銑削工藝參數(shù)及對應(yīng)水平如表2所示，不同試驗(yàn)方案及對應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 銑削工藝參數(shù)及水平

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 方差分析

為了獲得各銑削參數(shù)對切削力和表面粗糙的影響規(guī)律，采用極差分析方法計(jì)算出每個(gè)試驗(yàn)因素所對應(yīng)水平的表面粗糙度以及切削力的均值，結(jié)果如表4所示。分析可知：各因素對切削力和表面粗糙度的影響顯著性規(guī)律相同，最重要的影響因素是切削深度，其次是每齒進(jìn)給量，第三是切削寬度，最后是切削速度。

表4 各因素水平的切削力和表面粗糙度的極差

2.2 灰關(guān)聯(lián)度分析

為了對切削力和表面粗糙度同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，采用灰關(guān)聯(lián)度優(yōu)化方法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，再優(yōu)化求解[10]。其基本步驟為：對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無量綱處理；分析無量綱處理結(jié)果得出灰關(guān)聯(lián)系數(shù)；對灰關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值求解得到灰關(guān)聯(lián)度。

首先，采用式(1)進(jìn)行無量綱處理。

(1)

式中：xi(k)是第i組試驗(yàn)所得到的測試結(jié)果；i為試驗(yàn)組數(shù)，取1～9；k為每組試驗(yàn)所輸出的性能特征參數(shù)個(gè)數(shù)，取1～2，yi(k)無量綱處理結(jié)果。

第二，計(jì)算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算式(2)：

(2)

式中：ξi(k)為第i組試驗(yàn)所對應(yīng)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，ρ為分辨系數(shù)，其有助于提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，ρ∈(0,1)通常取0.5。

最后，根據(jù)式(3)，通過計(jì)算每一個(gè)性能特征參數(shù)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值得到灰關(guān)聯(lián)度，即

(3)

式中：γj為第i組試驗(yàn)所對應(yīng)的灰關(guān)聯(lián)度。

通過式(2)和式(3)分別計(jì)算出來的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)、灰關(guān)聯(lián)度如表5所示。通過對表5中各因素水平的灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表6所示。分析表6可知：對切削力和表面粗糙度多因素影響最顯著的因素是切削深度ap，其次是進(jìn)給量f，然后是切削寬度ae，影響最小的是切削速度v。通常，灰關(guān)聯(lián)度越高，多目標(biāo)加工輸出特征越好。因此，根據(jù)圖2各因素水平的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)變化圖可知，切切削速度v增大時(shí)，對優(yōu)化目標(biāo)先減小后增大；隨著切削深度ap、切削寬度ae、進(jìn)給量f的增大，優(yōu)化目標(biāo)呈下降趨勢。為了確保加工質(zhì)量特性最佳，選擇灰關(guān)聯(lián)度最大的因素為最優(yōu)參數(shù)。因此，獲得最小切削力和最好表面粗糙度多目標(biāo)優(yōu)化工藝參數(shù)組合應(yīng)選擇為A3B1C1D1,即v=140 m/min，ap=0.8 mm，ae=0.4 mm，f=0.04 mm/s。

表5 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰關(guān)聯(lián)度

表6 各因素水平灰關(guān)聯(lián)度分析

圖2 灰關(guān)聯(lián)度分析

3 結(jié) 論

根據(jù)田口分析方法設(shè)計(jì)四因素三水平正交TC17銑削試驗(yàn)，對每組試驗(yàn)的切削力和表面粗糙度進(jìn)行測試，借助于信噪比分析方法進(jìn)行工藝參數(shù)對切削力、表面粗糙度影響的顯著度，并采用灰關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)通過方差分析方法可知，工藝參數(shù)各因素對切削力和表面粗糙度的影響規(guī)律相同，影響最大的是切削深度，影響最小的是切削速度。

(2)灰關(guān)聯(lián)分析法將最小切削力和表面粗糙度多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為v=140 m·min-1，ap=0.8 mm，ae=0.4 mm，f=0.04 mm·s-1。