面向钛合金结构件的铣削刀具性能评价*

赵威　王盛璋　李亮　杨吟飞

(南京航空航天大学 机电学院, 江苏 南京 210016)

面向钛合金结构件的铣削刀具性能评价*

赵威王盛璋李亮杨吟飞

(南京航空航天大学 机电学院, 江苏 南京 210016)

摘要：航空钛合金结构件具有材料和结构双重难加工特性,选择刀具时既要考虑刀具/工件在材料方面的匹配,又要关注刀具/工件在结构方面的匹配.针对目前国内航空制造业在钛合金结构件高性能加工方面对铣削刀具选择及评价的迫切需求,在已有研究的基础上设计了综合考虑航空钛合金结构件难加工特征的典型基准件模型,基于模糊数学理论分别构建了粗、精加工刀具性能模糊综合评价模型,并进行了基准件模型铣削试验,应用所构建的综合评价模型对铣削刀具性能进行综合评价与分析.研究结果表明,所构建的基准件模型和模糊综合评价模型可以准确、快捷地评价铣削刀具性能.

关键词：钛合金;航空结构件;铣削;切削性能评价

钛合金凭借其优越的综合性能在航空、航天等领域得到了高度的重视和广泛的应用.航空钛合金结构件材料和结构的双重难加工性对其切削加工技术提出了更高的要求,而刀具是影响钛合金切削加工的最直接因素,也是钛合金切削加工的根本保障和必备条件之一[1].因此,为保证航空钛合金结构件的加工效率和质量稳定性,选择刀具时既要考虑刀具/工件在材料方面的匹配,又要关注刀具/工件在结构方面的匹配.

钛合金是典型的难加工材料,为了提高其可加工性,国内外对钛合金加工刀具做了大量研究,如刀具材质的研究[2],刀具切削过程的有限元仿真[3- 4],刀具几何参数或刀具磨损对切削力、温度场、加工质量的影响等[5-7].但以往研究往往忽略了钛合金零件结构的难加工性,尚缺乏行之有效的钛合金结构件铣削刀具综合评价方法.

影响刀具切削性能的因素十分复杂,而且各因素之间往往交互作用,因而难以定量地去评价刀具的综合切削性能.模糊数学理论是运用数学方法研究、处理带有模糊现象的一种理论和方法,能较好地解决模糊的、难以量化的以及各种非确定性的问题,可以用来解决刀具性能的综合评价问题,已在刀具控制、评价等方面得到了一定的应用[8-13].文献[10]在考虑刀具寿命合理值模糊性的条件下,基于模糊概率理论提出了刀具寿命可靠性的计算公式,并结合实例进行了分析与验证;文献[11]确定了铣刀片温度场的评价指标,并引入模糊数学的方法构建其模糊综合评价模型,以此来判断温度场的优劣;文献[13]构建了航空钛合金结构件铣削刀具性能的模糊综合评价模型,并通过铣削试验验证了其可行性.

为此,文中在已有研究[13]的基础上,进一步提取航空钛合金典型的难加工特征,优化其基准件模型,基于模糊数学理论并结合钛合金粗、精加工的工艺特点分别构建粗、精加工铣削刀具性能的综合评价模型,并通过基准件模型的铣削试验进行分析和验证.

1基准件模型设计

尽管航空钛合金结构件的结构很复杂,但其结构特征可进一步细分为槽腔、加强筋和轮廓及其子特征等.由于典型难加工特征会影响其切削刀具的性能,因此很有必要针对航空结构件的典型特征设计典型基准件模型,并进行铣削试验综合评估刀具的性能[13-14].为此,文中在文献[13]基础上进一步优化设计了航空钛合金结构件铣削刀具性能评估的典型基准件模型,如图1所示.同文献[13]中的基准件模型相比,图1所示的基准件模型涵盖了更全面、更简洁的典型特征.

图1　典型基准件模型Fig.1　Typical benchmark model

基准件模型的轮廓尺寸为186 mm×104 mm×37 mm,两边沉孔用于装夹,由壁1-4构成的S形轮廓高度为20 mm,壁厚为2 mm;反面封闭槽腔尺寸为110 mm×60 mm×15 mm,腹板厚度为2 mm.其中壁1代表直壁,壁2代表圆弧壁,壁3代表开、闭角的圆弧壁,壁4代表开、闭角的直壁,它们共同构成了一段包含4种不同典型特征的S轮廓.

2铣削刀具性能模糊综合评价模型

航空钛合金结构件铣削刀具的性能受到多种因素的影响,各因素之间交互作用且难以量化,因而模糊综合评价非常适合解决此问题.在模糊综合评价中,权重的确定以及算子的选择至关重要[15].文献[13]中根据粗、精加工的特点确定了各因素权重,并采用了常用的加权平均模型.文中在此基础上进一步研究,采用层次分析法(AHP)确定各因素权重,并针对评价的非线性特点构建更具一般性的非线性算子.

2.1　确定各因素权重

层次分析法是一种定量分析和定性分析相结合的决策方法,能够有效地确定铣削刀具各评价指标的重要性及权重.在航空钛合金铣削过程中,粗加工时主要关注刀具寿命、加工效率,精加工时主要关注加工质量和刀具寿命.文中根据粗、精加工的不同特点,采用9标度法[16]确定各评价指标的权重，结果如表1所示.

表1　各评价指标的权重Table 1　Weights of evaluation indexes

2.2　确定模糊算子

目前常用的加权平均模型实质上是一种线性加权方法,为了更合理地评价刀具性能,文中采用一种可以反映某些指标突出影响的非线性模型[17].模糊综合评价模型为

(1)

式中:A为权重模糊向量;αi(i=1,2,…,n)为A中第i个指标的权重;R为模糊关系矩阵;rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)为第i个评价指标ui相对于第j个评价等级vj的隶属度;∘ 为模糊算子,具体可表示为

(2)

2.3　构建模糊综合评价模型

航空钛合金结构件的铣削过程中,粗、精加工的目的不一样,因此有必要分别针对粗、精加工刀具选取不同的评价指标并构建相应的评价模型.

2.3.1粗加工刀具性能评价模型

粗加工刀具性能的评价指标较少,一级模型就可以很好地反映刀具性能的优劣,建立粗加工刀具性能评模型的具体步骤如下:

(1)建立评价对象因素集U={u1,u2},其中u1为刀具后刀面平均磨损量VB,u2为金属去除率Q.

(2)将刀具性能分为4个等级,建立评价集V={v1,v2,v3,v4},其中v1、v2、v3、v4分别表示刀具性能为优秀、良好、一般、差.

(3)单因素评价,即在因素集和评价集之间构建一个模糊映射,从而得到粗加工刀具性能模糊关系矩阵R=(rij).隶属度通过相应的隶属函数来确定,粗加工刀具磨损的隶属函数见图2.

图2　粗加工评价指标隶属函数Fig.2　Membership functions of roughing tool evaluation indexes

(4)综合评价.(U,V,R)构成了一个模糊综合评价模型,模糊综合评价可表示为B=A°R,其中A为U中不同因素的权重模糊向量(见表1).由式(2)可知,模糊综合评价结果为

(3)

B=(b1,b2,b3,b4)=

(4)

根据最大隶属度原则,令b=max(b1,b2,b3,b4),b则为应用该模型对刀具性能进行综合评价的结果.此外,文中还规定隶属度值低于0.6时最大隶属度失效,故需用C值进一步评价.

(5)

2.3.2精加工刀具性能评价模型

精加工刀具性能的评价指标较多且具有层次性,故采用二级模型评价刀具性能的优劣,建立精加工刀具性能评价模型的具体步骤如下:

(1)建立评价对象因素集和评价集.因素集U={u1,u2,u3},其中u1为表面粗糙度Ra,u2为尺寸精度,u3为刀具后刀面平均磨损量.将因素集分为U1={u1,u2}和U2={u3},U1代表加工质量,U2代表刀具寿命.精加工刀具性能评价集同粗加工刀具性能评价集.

(2)单因素评价.表征因素集与评价集关系的隶属函数亦用模糊关系矩阵表示,精加工各评价指标的隶属函数如图3所示.

图3　精加工评价指标隶属函数Fig.3　Membership functions of finishing tool evaluation indexes

(3)对U1作一级综合评价,权重为A1=(α11,α12),由表1可知评价指标权重均为0.5,由隶属函数可得模糊关系矩阵R1=(r1ij).根据式(2)可知

B1′=A1∘R1=(b11′ ,b12′ ,b13′ ,b14′ )=

(6)

对式(6)进行归一化,得

(7)

U2中只有一个因素,则 B2=(b21,b22,b23,b24)=R2=(r2ij).

(4)对第一级因素集U={U1,U2}进行二级综合评价,由表1可知A=(α1,α2)=(0.83,0.17).那么,总单因素评价矩阵为

(8)

作二级综合评价,得

(9)

对式(9)进行归一化,并根据最大隶属度原则得到综合评价结果,当最大隶属度原则失效时,根据式(5)的C值进一步评价.

3刀具性能评价试验与分析

3.1　基准件铣削试验

铣削试验在MikronUCP710 五坐标高速加工中心上进行,应用工具显微镜测量刀具后刀面平均磨损量VB,通过MahrS3P测量仪和三坐标测量机分别测量精加工后的表面粗糙度Ra和尺寸精度.

粗加工刀具为WALTERP23696-1.0系列大进给刀片WSM35、WSP45、WSM35S、WSP45S,该系列刀具前角为16°、后角为14°;精加工刀具几何参数见表2,其中D为刀具直径，R为刀尖圆角半径，W、M分别代表WALTER、M.A.FORD刀具.

表2　精加工刀具几何参数　Table2　Geometricparametersoffinishingtools

粗加工采用大进给刀具,正反面均采用型腔铣,正面采用直线进刀,反面采用螺旋下刀,下刀角度为0.6°,走刀方式为环切,余量为2mm.WSM35S、WSP45S刀片铣削参数:切削速度80m/min,每齿进给量1mm,径向切深12.5mm,轴向切深0.6mm.WSM35、WSP45刀片铣削参数:切削速度60m/min,每齿进给量0.8mm,径向切深12.5mm,轴向切深0.6mm.

精加工时,先加工底面腹板然后加工侧壁.腹板采用平面铣,下刀速度为加工进给速度的50%,转角处减速,径向切深为刀具直径的50%,切削速度110m/min,每齿进给量0.12mm,轴向切深1.5、0.5mm.S形侧壁采用外形轮廓铣、直线进刀方式,轴向分3层,轴向切深6~8mm;径向分两层,径向切深1.5、0.5mm,切削速度60m/min,每齿进给量0.08mm.反面封闭槽腔的侧壁采用螺旋下刀,转角处减速,轴向分两层,轴向切深7、8mm,其余切削参数同正面S形侧壁.

3.2　试验结果与分析

根据所制定的加工策略对基准件模型进行铣削试验.表3为4种刀片加工不同特征时后刀面平均磨损量的测量结果及金属去除率.根据表3并运用粗加工模型进行模糊综合评价,结果如表4所示.

表3　粗加工刀具试验结果Table3　Experimentalresultsofroughingtools

对不同刀具进行综合性能评价时,首先依据最大隶属度值进行评价,当最大隶属度原则失效时采用C值进一步评价.由表4可知,粗加工开口槽1和2(均为S形开口槽)的4种刀具的切削性能均为良好.值得注意的是,WSM35刀片对于良好的隶属度值低于0.6,且对于优秀也有一定的隶属度值,此时最大隶属度原则失效,需采用C值进一步评价.此外,WSP45S和WSP45的切削性能相差不大.综上所述,粗加工开口槽的4种刀片性能从高到低的顺序依次为WSM35S、WSM35、WSP45S、WSP45.粗加工反面闭口槽时,WSM35S和WSM35的切削性能均为优秀且最大隶属度原则有效,但WSM35S对于优秀的隶属度值高于WSM35,故加工封闭槽腔时WSM35S的切削性能优于WSM35,该结论与文献[13-14]一致.由表4还可以知道,同一刀片加工不同特征时会表现出不同的切削性能.如WSM35S刀片粗加工闭口槽时切削性能优秀,但加工S形区域时的切削性能为良好,这进一步说明了典型结构特征会影响刀具的切削性能.

表4　粗加工刀具模糊综合评价结果Table4　Fuzzycomprehensiveevaluationresultsofroughingtools

表5为精加工各评价指标的测量结果,根据表5并运用文中所构建的精加工模型进行模糊综合评价,结果如表6所示.

表5　精加工刀具试验结果Table5　Experimentalresultsoffinishingtools

由文献[13-14]可知,精加工闭口槽时4齿尖角刀具的综合性能优于4齿R角刀具,精加工开口槽时R角刀具的综合性能优于尖角刀具,故文中在此基础上分别选取了两种不同厂家的铣削刀具.由表6可知,精加工S形轮廓时,W-T3和M-T4的切削性能均为良好,但最大隶属度原则失效,故由C值进一步评价可知,W-T3的切削性能更为优越.精加工闭口槽时,W-T1和M-T2的切削性能均为一般,由C值进一步评价可知,M-T2的切削性能更为优越.

表6　精加工刀具模糊综合评价结果Table6　Fuzzycomprehensiveevaluationresultsoffinishingtools

4结论

(1)基于航空钛合金结构件的典型特征及其工艺特点设计了通用的基准件模型,分别构建了粗、精加工刀具性能综合评价模型,并通过基准件模型的铣削试验验证了该模型的可行性,为航空钛合金结构件铣削刀具的优化选择提供了一定的参考依据.

(2)粗加工含S形结构的开口槽时,4种刀片的切削性能均为良好,但最大隶属度和C值不一样,其性能从高到低的顺序依次为WSM35S、WSM35、WSP45S、WSP45.粗加工闭口槽时,WSM35S和WSM35的切削性能均为优秀,但WSM35S的切削性能优于WSM35.由相同刀片加工不同特征所体现出的不同切削性能进一步验证了结构特征对刀具切削性能的影响.

(3)精加工时,选取了不同厂家的相同几何参数的铣削刀具加工相同的典型特征,结果表明:精加工含有4种不同典型特征的S形区域时,WALTER4齿R角刀具的切削性能优于M.A.FORD4齿R角刀具;精加工闭口槽时,M.A.FORD4齿尖角刀具的综合性能优于WALTER4齿尖角刀具.

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Evaluation of Cutting Tool Performance of End Mills for Titanium Alloy Components

ZhaoWeiWangSheng-zhangLiLiangYangYin-fei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China)

Abstract:The machining of the titanium aircraft component is difficult to conduct in terms of material and structure, so both the structural and material matches between cutting tools and work-pieces need to be considered. At present, a systematic method to evaluate and select cutting tools used in the high-performance machining of domestic aviation manufacturing industry is highly demanded. Aiming at this issue, a testing benchmark model is constructed on the basis of existing researches in this paper, which takes into account the typical difficult-to-cut features of titanium aircraft components, and proposes two fuzzy comprehensive evaluation models of cutting tool performance of rough and finish milling on the basis of fuzzy mathematics theory. Then, by the milling experiments of the benchmark model, the proposed fuzzy comprehensive evaluation models are used to evaluate the cutting tool performance of end mills. The results show that the constructed benchmark model and the proposed fuzzy comprehensive evaluation models can be used to assess the cutting tool performance of end mills for titanium aircraft components accurately and rapidly.

Key words:titanium alloys; aircraft component; milling; cutting performance evaluation

中图分类号：TG714

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.09.019

作者简介：赵威(1977-),男,博士,副教授,主要从事难加工材料与难加工结构的高速、高性能加工技术研究.E-mail: nuaazw@nuaa.edu.cn

*基金项目：国家科技重大专项(2012ZX04003- 021)

收稿日期：2015-01-19

文章编号：1000-565X(2015)09-0121-07

Foundation item： Supported by the National Science and Technology Major Project of China(2012ZX04003- 021)