基于雙刀車削工藝的加工參數多目標優化

孫捷夫 ，牟建偉 ，楊巍,唐臣升,劉本剛

(1.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧沈陽 110000；2.哈爾濱工程大學智能科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150000)

0 前言

LF2鋁合金屬于Al-Mg系防銹鋁合金，具有密度小、耐腐蝕、抗疲勞等優良性能，在航空制造領域中被廣泛用于制造擋片類零件，起到重要的介質密封和性能調整作用。擋片類零件形狀為中間有孔的圓環形薄片，主要特點是厚度薄，典型LF2鋁合金擋片厚度為0.2 mm，且對擋片兩端面的最大距離和表面粗糙度均有較高要求。LF2鋁合金擋片的加工一直是航空制造領域的難點，從結構角度，由于厚度薄、剛性差，導致加工過程中變形嚴重；從材料角度，由于塑性大、熱穩定性差，導致表面質量難以控制；從工藝角度，由于LF2鋁合金屬于有色金屬，加工工藝受限，采用磨削類加工方法會堵塞砂輪，在數控車床上車削加工是最優選擇。

在實際工程應用中，LF2鋁合金擋片傳統加工方法為在數控車床上“直接切”，即用切斷刀將擋片按最終厚度尺寸從毛坯上切下，這種方法產生的零件變形量大、表面質量差，無法滿足使用需求。部分工人采用“掉頭車”，在毛坯裝夾后，用切斷刀切斷零件并在軸線方向上留一定加工余量完成粗加工，再將粗加工后的擋片掉頭裝夾在自制夾具中，用外圓車刀車端面至最終尺寸。這種方法雖然相比“直接切”在表面質量上有一定改善，但兩端面的最大距離仍超過公差要求，且加工效率低。

目前，尚未查到國內外關于LF2鋁合金擋片零件車削加工的研究報道，擋片零件加工問題本質上屬于低剛度類零件加工領域問題，行業內學者對低剛度類零件加工方法取得了一定成果。

蒲耀洲、馮鵬升、張珂等人通過設計專用夾具提高低剛度零件加工穩定性，進而降低加工變形量。侯亞娟、蘇曉、凌平等人通過設計專用刀具提升低剛度零件表面質量，但專用夾具和專用刀具均有成本高、通用性差等問題。李忠群、王運、付鈺、馬堯等人通過仿真或試驗得出加工參數是影響加工質量的關鍵因素，并通過優化算法探索最優加工參數，但具有加工目標單一的問題。近幾年，使用需求逐漸呈現多元化，多目標優化一直是行業內研究熱點。張程焱、李崇洋、QIN、KUMAR、李聰波等針對不同的加工需求，采用博弈或優化思想實現加工參數的多目標優化，均取得良好效果。

基于對現有研究成果的分析，設計專用工裝、研制專用刀具、優選加工參數是解決低剛度零件加工變形和表面質量問題的有效手段，多目標優化具有良好的工程應用價值。但目前研究成果均有特定的適用對象，無法準確指導LF2鋁合金擋片零件車削加工的實際工程應用。本文作者以LF2鋁合金擋片零件為研究對象，提出雙刀車削工藝及加工參數多目標優化方法，控制加工變形量和表面粗糙度，并給出具體實施步驟。

1 雙刀車削加工模型及影響因素分析

1.1 雙刀車削加工模型

傳統加工工藝難以實現LF2鋁合金擋片零件的優質高效加工，其根本原因是隨切削過程的進行，工藝系統剛性呈非線性急劇降低，以軸向切削力為主的外部因素打破零件內部平衡，并造成明顯變形或振動，無法滿足質量要求。

雙刀車削工藝利用兩把相同的專用槽刀在LF2鋁合金擋片零件兩端面同時進行徑向切削，基于力學平衡思想降低外部因素影響，提高工藝系統的剛性，進而提高加工質量。雙刀車削加工如圖1所示。

圖1 雙刀車削工藝的工程實現

雙刀車削工藝主要實施步驟如下：

步驟1,安裝刀具。在車削加工前，在兩把槽刀之間裝夾若干墊片，調整墊片厚度直至兩槽刀刀尖間距為擋片零件厚度的基本尺寸，再將調整好的兩把槽刀和墊片一同裝夾在機床刀塔內；

步驟2，對刀調整。通過對刀試切，調整兩把槽刀的安裝位置，保證兩把槽刀切削刃平齊且垂直于零件軸線方向；

步驟3，車削加工。向零件切削部位噴射切削液，同時按預設程序作徑向進給運動，完成雙刀車削加工；

步驟4，退刀拆卸。機床刀塔帶動兩把槽刀先沿機床軸正方向水平移動至安全位置，完成全部擋片零件加工后拆卸刀具。

1.2 雙刀車削工藝主要影響因素分析

在加工變形方面：傳統加工工藝在加工過程中主要由于刀具在切削過程中產生單向軸向切削力使LF2鋁合金擋片彎曲變形，而雙刀車削工藝兩把相同槽刀對稱安裝、同向同速進給，理論情況下，兩把槽刀在零件兩端面產生大小相等、方向相反的軸向力，在數值上相互抵消，同時可互相作為輔助支撐增強零件的剛性，減小切削過程中其他因素產生的加工變形。但在實際應用中，由于安裝誤差、刀具磨損、余量不均等原因，雙刀車削工藝條件下兩把槽刀產生的軸向切削力之間會產生一定微小差值，而在零件材料、刀具參數、加工環境既定的情況下，軸向切削力差值的大小主要取決于加工參數。

在表面粗糙度方面：擋片零件表面粗糙度的形成機制可歸結為三方面：(1)刀具切削刃與零件相對運動所形成的幾何不平度；(2)切削力作用下產生的塑性變形或其他物理因素所附加的表面微觀不平度；(3)工藝系統振動所產生的表面振紋。由雙刀車削工藝的加工原理可知，兩把槽刀產生的軸向力相互抵消，并互相作為輔助支撐可有效提高工藝系統的剛性，有效避免由振動導致表面粗糙度的形成，而幾何不平度和塑性變形是車削加工中無法避免的，僅能通過合理方法使之減小。根據文獻[18]可知，通過優化加工參數、刀具選擇、加工環境等因素,在不同程度上可控制零件表面粗糙度，其中加工參數的選擇對表面粗糙度的影響最大，也是可控性最好的因素。

基于對LF2鋁合金擋片零件加工變形和表面粗糙度形成機制的分析可知，加工參數的選擇對上述兩項評價指標均有決定性影響。為同時滿足加工變形和表面粗糙度要求，基于實際切削試驗探究雙刀車削工藝最優加工參數。

2 試驗設計及結果分析

2.1 試驗條件

試料信息：試料材料牌號LF2，材料狀態M狀態，加工前試料直徑6 mm，已鉆中心通孔直徑2 mm；

設備信息：機床選用哈挺GS200型號數控車床，裝夾方式為三爪卡盤，冷卻方式為乳化液冷卻；

刀具信息：刀具類型為槽刀、材料為高速鋼，兩把槽刀的前角25°、后角18°、副偏角8°、刃傾角0°、刀尖圓弧半徑0.2 mm；

加工要求：加工后擋片兩端面最大距離不大于0.3 mm，表面粗糙度不大于0.8 μm；

測量方法：采用分度值為0.02 mm的游標卡尺測量，表面粗糙度采用蘇州天薩RUGOSURF90G便攜式粗糙度測量儀測量。

2.2 試驗設計及試驗結果

雙刀車削加工試驗設計方案采用拉丁超立方體試驗設計法，相對于正交試驗法、中心復合試驗法等傳統試驗設計方法，拉丁超立方體試驗設計采用空間填充思想，具有更好的均布性和非線性，可用較少的試驗次數得到更全面的試驗結果。綜合考慮刀具性能和機床參數，初步限定切削速度為20～60 m/min、進給量為0.02～0.1 mm/r，由于雙刀車削工藝采用無余量切削，背吃刀量不作為加工變量。試驗設計矩陣及試驗結果如表1所示。

表1 試驗設計矩陣及試驗結果

2.3 試驗結果分析

基于表1的試驗結果，繪制平滑處理后各加工參數不同水平下的兩端面最大距離和表面粗糙度趨勢圖，如圖2所示。

由圖2可知，兩端面最大距離受切削速度影響較大，呈正相關；受進給量影響較小，總體呈負相關;表面粗糙度受進給量影響較大，呈正相關；受切削速度影響較小，呈負相關，隨切削速度進一步增大，存在由負相關逐漸變為正相關的趨勢。

圖2 不同水平下最大彎曲變形量趨勢

出現上述現象的主要原因是由于擋片零件剛性差，隨切削速度增大，零件受離心力和切削力復合作用增強，直接加劇零件變形，而切削速度的提高可有效避免刀具表面積屑瘤等現象，有利于表面粗糙度的減小，但切削速度超過某一臨界值，與進給量產生交互作用時，會急劇產生明顯振動和大量切削熱，增大表面粗糙度。根據切削原理可知，進給量增大使切削厚度相應增大，切屑變形系數減小，整體切削力降低，有利于抑制加工變形，但增大進給量使刀具與零件之間切削運動軌跡發生變化，尤其針對低剛度零件徑向切削加工，會伴隨明顯的振動現象，急劇增大切削幾何不平度，進而增大表面粗糙度。

3 基于響應面法的加工參數多目標優化

3.1 單目標預測模型擬合

為實現雙刀車削工藝下的加工參數多目標優化，分別建立基于加工參數的兩端面最大距離和表面粗糙度的預測模型。傳統車削建模一般采用指數型經驗公式，但實踐表明指數型經驗公式模型難以準確反映變量與加工目標之間的映射關系。響應面法采用多元二次回歸方程擬合因素和響應值之間的函數關系，同時考慮因素之間的耦合影響，具有良好的實際工程應用背景。

采用響應面法建立的預測模型為

(1)

其中：為加工結果，代表兩端面最大距離或表面粗糙度；、、為系數；、為自變量；、為常數項。

利用JMP軟件基于響應面法擬合兩端面最大距離和表面粗糙度的預測值-實際值模型圖，分別如圖3和圖4所示。兩圖中數據點均緊密分布于對角線附近。經過計算，兩端面最大距離模型為0.98，調整為0.954,均方根誤差為0.018 9；表面粗糙度模型為0.99，調整為0.958,均方根誤差為0.032 8，兩組模型擬合精度均滿足實際工程需要，均具有顯著的統計學意義。

圖3 兩端面最大距離L擬合模型“預測值-實際值”圖

圖4 表面粗糙度Ra擬合模型“預測值-實際值”圖

基于上述分析，切削速度和進給量的單因子作用和交互作用對加工結果均有顯著影響。因此，可將表1中的試驗結果按式(1)進行響應面擬合，得出兩端面最大距離和表面粗糙度的模型表達式，分別如式(2)和式(3)：

=-0000 4-103-0012+3095-0325-8476

(2)

=0.000 3+14794-028-0008+203+17059

(3)

3.2 多目標參數優化

考慮加工經濟性原則，在滿足使用需求條件下，設置加工目標下限，將兩端面最大距離下限設為0.2 mm，表面粗糙度下限設為0.7 μm。基于式(2)和式(3)的單目標預測模型，在JMP軟件中利用等高線刻畫器模塊對切削速度和進給量進行多目標優化,如圖5所示。

圖5中紅色虛線是兩端面最大距離為0.3 mm的等高線，紅色區域為兩端面最大距離大于0.3 mm或小于0.2 mm的變量取值區域；藍色虛線是表面粗糙度等于0.8 μm的等高線，藍色區域是表面粗糙度大于0.8 μm或小于0.7 μm的變量取值區域；白色部分為同時滿足兩端面最大距離和表面粗糙度要求的變量取值區域。考慮實際加工穩定性和加工效率，在白色區域中心靠右上方處取值，如圖5中十字線交匯處，得出最優加工參數為=30 m/min、=0.048 mm/r，此時預測兩端面最大距離為0.28 mm，表面粗糙度為0.75 μm。

圖5 切削速度和進給量的等高線刻畫器

3.3 實際加工對比驗證

為驗證基于雙刀車削工藝的最優加工參數的準確性，對LF2鋁合金擋片零件進行實際切削加工驗證，并與選用經驗參數的傳統工藝方法加工結果進行對比，結果如表2所示。

表2 最優加工參數實際驗證結果

經過實際加工驗證結果可知，基于選用最優加工參數的雙刀車削實際加工結果與預測值非常相近，且能同時滿足兩個目標加工需求，與傳統加工方法相比，其加工時間也顯著縮短。

4 結論

(1)提出了雙刀車削加工工藝，并完成實際工程實現，基于加工目標形成機制進行分析，得出提高LF2鋁合金擋片零件加工質量的關鍵是優化雙刀車削加工參數；

(2)為優化雙刀車削加工參數，基于拉丁超立方體試驗設計法建立切削試驗矩陣，結果表明：兩端面最大距離受切削速度影響較大，呈正相關；受進給量影響較小，總體趨勢由負相關逐漸變為正相關；表面粗糙度受進給量影響較大，呈正相關；受切削速度影響較小，呈負相關；

(3)基于響應面法分別對兩端面最大距離和表面粗糙度建立預測模型，并在JMP軟件中利用等高線刻畫器模塊對切削速度和進給量進行多目標優化，得出最優加工參數：=30 m/min、=0.048 mm/r。通過實際加工驗證，測得兩端面最大距離為0.26 mm、表面粗糙度為0.78 μm，滿足加工目標要求，同時明顯縮短了加工時間。本文作者提出的雙刀車削工藝有助于實際工程應用。