趙　威　王盛璋　何　寧　李　亮　楊吟飛

南京航空航天大學,南京,210016

航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能模糊綜合評判

趙威王盛璋何寧李亮楊吟飛

南京航空航天大學,南京,210016

目前國內(nèi)航空制造業(yè)對鈦合金銑削刀具的選擇仍缺少系統(tǒng)的評價方法，往往造成實際加工過程中刀具成本增加、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、加工效率低下等問題。為此，根據(jù)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的工藝特點，應用模糊數(shù)學理論構(gòu)建了面向航空鈦合金結(jié)構(gòu)件粗精加工的銑削刀具性能的模糊綜合評判模型；設計了考慮航空鈦合金結(jié)構(gòu)件典型難加工特征的基準件，制定相應的加工工藝并進行銑削加工試驗；最后應用所構(gòu)建的模糊綜合評判模型進行了刀具性能評判。結(jié)果表明，所構(gòu)建的模糊綜合評判模型可以快捷、有效地評判刀具性能，為航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具的合理選擇與刀具性能的綜合評判提供了一條新途徑。

鈦合金;銑削;刀具性能;模糊評判

0　引言

鈦合金憑借其優(yōu)越的性能被廣泛應用于航空結(jié)構(gòu)件中，但由于鈦合金材料及其結(jié)構(gòu)的難加工性,因而對銑削刀具提出了很高的要求。鈦合金加工是一種條件惡劣的強力切削，刀具對鈦合金加工的成功與否,起著不可替代的關鍵作用[1]?？焖俸侠淼剡x擇銑削刀具對實現(xiàn)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效率、高精度以及高可靠性加工至關重要。

為了快速合理地選擇銑削刀具，必須了解刀具的切削性能以適應不同的結(jié)構(gòu)特征。多年來,國內(nèi)外對鈦合金加工刀具進行了大量的研究，如研究刀具的幾何參數(shù)對切削力的影響[2-3],刀具材料與工件材料的匹配性[4]，刀具的磨損機理以及磨損對加工質(zhì)量的影響等[5]。這些研究對于鈦合金加工中刀具的選擇與研發(fā)具有重要的指導意義。然而，以往對鈦合金加工刀具的研究忽略了典型結(jié)構(gòu)特征對刀具性能的影響，同時缺乏有效的綜合評判方法對刀具進行性能評價。刀具切削性能受到多種復雜因素的影響，同一把刀具加工不同結(jié)構(gòu)特征往往表現(xiàn)出不同的加工效果，因而現(xiàn)有的試切法或單一經(jīng)驗公式模型很難綜合評判刀具的切削性能。模糊數(shù)學是運用數(shù)學方法研究和處理帶有模糊現(xiàn)象的一種數(shù)學理論和方法，能較好地解決模糊的、難以量化的以及各種非確定性的問題，具有重要的工程應用價值[6-9]。

本文以航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具性能為研究對象，基于模糊數(shù)學理論并結(jié)合鈦合金粗精加工的工藝特點分別構(gòu)建粗精加工銑削刀具性能的綜合評判模型,最后通過銑削試驗驗證了該評判模型的可行性。

1　模糊綜合評判模型

模糊綜合評判是對受多種因素影響的事物進行全面評價的一種十分有效的多因素決策方法,基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則,考慮與被評價事物相關的各個因素,對其進行合理的綜合評價[10]。對于航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削加工,影響刀具性能的因素較為復雜,而單因素評價刀具性能較片面。因此,本文針對航空鈦合金結(jié)構(gòu)件粗精加工中小型銑削刀具,分別構(gòu)建了刀具性能模糊綜合評判模型,以進行刀具性能綜合評判。

1.1粗加工刀具性能評判模型

在粗加工銑削中著重考慮加工效率和刀具磨損,故在模型的構(gòu)建中以金屬去除率和刀具后刀面磨損作為評價指標。

(1)因素集和評價集。設因素集U={u1,u2},u1表示刀具后刀面磨損;u2表示金屬去除率。這兩個因素的權(quán)重記為A=(α1，α2)。評價集V={v1,v2,v3,v4},v1表示刀具性能優(yōu)秀,v2表示刀具性能良好，v3表示刀具性能一般,v4表示刀具性能差。

(2)單因素評判。因素集與評價集之間的關系可通過建立隸屬函數(shù),用模糊關系矩陣R=[ri j]2×4表示。其中ri j表示評價指標ui對評價集中vj的隸屬度。因素集中評價指標對評價集的隸屬度通過隸屬函數(shù)來獲得,隸屬度設置主要由經(jīng)驗即參考現(xiàn)有航空制造企業(yè)對刀具磨損、金屬去除率等的評價標準來確定,評價指標隸屬函數(shù)如圖1所示。

(a)粗加工刀具磨損隸屬函數(shù)

(b)金屬去除率隸屬函數(shù)圖1　粗加工評價指標隸屬函數(shù)

(3)綜合評判。模糊綜合評價可表示為:B=A°R,模糊關系矩陣R通過相應的隸屬函數(shù)獲得?！啊恪贝砟：阕?在此為了兼顧各個評價指標,選擇加權(quán)平均算子,具體計算式為

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

(1)

1.2精加工刀具性能評判模型

在精加工銑削中著重考慮加工質(zhì)量并兼顧刀具磨損,故在模型中以表面粗糙度、尺寸精度和刀具后刀面磨損作為評價指標。用于評價精加工銑削刀具的指標較多且具有層次性，因而一級模糊評判模型并不能有效反映刀具性能的優(yōu)劣。為此，對于精加工的銑削刀具，采用二級模糊綜合評判模型。

(1)因素集和評價集。設因素集U={u1,u2,u3},u1表示表面粗糙度,u2表示尺寸精度;u3表示刀具后刀面磨損。將因素集分為兩組：U1={u1，u2};U2={u3}。評價集同粗加工評價集。

(2)單因素評判。表征因素集與評價集關系的隸屬函數(shù)亦用模糊關系矩陣表示,其中隸屬度設置亦由經(jīng)驗來確定,精加工各評價指標的隸屬函數(shù)如圖2所示。

(a)表面粗糙度隸屬函數(shù)

(b)尺寸精度隸屬函數(shù)

(c)刀具磨損隸屬函數(shù)圖2　精加工評價指標隸屬函數(shù)

(3)一級綜合評判。對U1作一級綜合評判，權(quán)重為A1=(α11,α21),兩個評價指標同等重要故均取0.5,則B1=A1°R1=(b11,b12,b13,b14)。對U2作一級綜合評判,由于只有一個評價指標,故權(quán)重為A2=(1),則B2=A2°R2=(b21,b22,b23,b24)。

(4)二級綜合評判。對第一級因素集U={U1，U2},設權(quán)重分配A=(α1,α2),根據(jù)評價指標的重要程度取α1=0.8,α2=0.2。則總單因素評價矩陣為

(2)

作二級綜合評判，得

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

(3)

根據(jù)最大隸屬度原則,bk=max(b1,b2,b3,b4),bk則為應用該模型對刀具性能進行的綜合評判。為了更好地評判刀具性能,或當最大隸屬度原則無法有效進行刀具性能的評判時,可利用下式進一步評判:

(4)

根據(jù)評價集中各評價的重要程度,在后面的驗證中,式(4)中影響系數(shù)依次取0.4、0.3、0.2和0.1,式(4)的結(jié)果記為C值。

2　基準件及其加工策略

為了驗證所構(gòu)建的模糊綜合評價模型的可行性,有必要在考慮鈦合金材料及其結(jié)構(gòu)的難加工性的基礎上設計典型基準件,并制定相應的加工策略[11]。

2.1基準件的設計

針對航空鈦合金槽腔結(jié)構(gòu),設計出包含開口槽、閉口槽、轉(zhuǎn)角與底角、腹板等典型特征的基準件,具體如圖3所示。圖3中基準件輪廓尺寸為150 mm×102 mm×32 mm,正面槽腔深度為18 mm,反面腔槽深度為12 mm,側(cè)壁厚度為2 mm,腹板厚度為2 mm,轉(zhuǎn)角圓弧半徑為6 mm,底角圓弧半徑為2 mm?；鶞始牧蠟橥嘶饝B(tài)TC4鈦合金,共兩件。

(a)正面

(b)反面圖3　典型特征基準件

2.2加工策略

粗加工加工策略為:采用大進給銑削方式，正反面封閉槽腔均采用型腔銑,螺旋下刀,下刀角度為0.6°,走刀方式為環(huán)切。開口槽采用沿零件內(nèi)側(cè)壁輪廓徑向分層切削，沿刀具進給方向直線進刀。銑削參數(shù)為:銑削速度v=60 m/min,每齒進給量fz=0.6 mm,徑向切深ae=12.5 mm,軸向切深ap=0.7 mm。

精加工加工策略為：加工刀具為普通螺旋立銑刀,腹板采用平面銑,下刀速度為加工進給速度的50%,轉(zhuǎn)角處減速,銑削參數(shù)為銑削速度v=80 m/min,每齒進給量fz=0.08 mm,軸向切深ap=1 mm。反面槽腔的側(cè)壁采用螺旋下刀,轉(zhuǎn)角處減速,銑削參數(shù)為:銑削速度v=80 m/min,每齒進給量fz=0.08 mm,徑向切深ae=2 mm,軸向切深ap=2 mm。閉口槽I側(cè)壁采用螺旋進刀方式,開口槽側(cè)壁采用直線進刀方式,軸向分三層,軸向切深ap=6 mm;徑向分兩層,徑向切深ae1=1.5 mm、ae2=0.5 mm,切削速度v=80 m/min,每齒進給量fz=0.08 mm。

3　試驗驗證與分析

3.1試驗條件及方案

數(shù)控機床采用瑞士Mikron UCP710五坐標高速加工中心。銑削刀具及其加工特征如下:粗加工采用機夾式大進給銑削刀具,刀片為WALTER WSM35、WSP45、WKP35S三角形硬質(zhì)合金刀片以及POKOLM M40方形硬質(zhì)合金刀片。應用WSM35和WSP45兩種刀片分別加工基準件的正面槽腔,用4種刀片分別加工基準件反面槽腔。精加工采用M.A.FORD整體硬質(zhì)合金立銑刀，精加工刀具的具體參數(shù)與加工特征見表1。測量儀器采用Kistler 9625B三向壓電式動態(tài)測力儀、工具顯微鏡、Mahr S3P測量儀。

3.2試驗結(jié)果與分析

表2為4種刀片加工不同特征時后刀面磨損的測量結(jié)果，后刀面磨損為該刀具加工完一個封閉槽腔后的后刀面磨損量。根據(jù)表2運用所構(gòu)建的粗加工模型進行模糊綜合評判，評判結(jié)果如表3所示。

表1　精加工刀具及其加工特征

表2　粗加工各刀片試驗結(jié)果

表3　粗加工各刀片性能模糊綜合評判結(jié)果

刀具性能的模糊綜合評判共分兩步:首先根據(jù)最大隸屬度來評判刀具性能,當最大隸屬度失效時根據(jù)C值進一步評判。由表3可知,同一種刀片加工不同特征時,如WSM35加工開口槽比加工閉口槽更具有優(yōu)越性,WSP45亦是如此。

對加工同一特征的不同刀片性能評判結(jié)果進行對比,WSM35和WSP45加工閉口槽Ⅰ時刀具性能均為一般，但是WSM35刀具對于刀具性能一般這一評價結(jié)果的隸屬度值比WSP45刀具更大,即WSM35刀具比WSP45刀具更適合加工閉口槽。WSM35和WSP45加工開口槽時,盡管WSP45在刀具性能一般這一評判結(jié)果上的隸屬度高于WSM35,但WSM35在刀具性能良好這一評判結(jié)果上的隸屬度遠遠高于WSP45,此時最大隸屬度原則失效。為此,采用式(4)進一步評判，評判結(jié)果分別為CWSM35=0.209,CWSP45=0.178,即WSM35比WSP45更適合進行開口槽的粗加工。加工閉口槽Ⅱ、Ⅲ時,WALTER三種刀片評判結(jié)果均為性能一般,M40刀片性能差,即WALTER三種刀片比POKOLM M40性能優(yōu)越,同時根據(jù)模糊綜合評判C值可知WALTER三種刀片性能優(yōu)劣依次為WKP35S、WSM35、WSP45，以上結(jié)論與文獻[11]的試驗研究結(jié)果一致。

表4為精加工各評價指標的測量結(jié)果，根據(jù)表4對4種刀具運用所構(gòu)建的精加工模型進行模糊綜合評判，評判結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5,根據(jù)最大隸屬度原則，應用1#和2#刀具在加工閉口槽I時均表現(xiàn)為良好的性能，但是1#刀具對于刀具性能良好這一評價結(jié)果的隸屬度值比2#刀具大,即1#刀具比2#刀具更適合精加工閉口槽。應用3#和4#刀具分別精加工開口槽時,刀具性能評價結(jié)果分別為刀具性能良好、刀具性能優(yōu)秀,即4#刀具比3#刀具更適合精加工開口槽，與文獻[11]的試驗研究結(jié)果一致。

表4　精加工各刀具試驗結(jié)果

表5　精加工各刀片性能模糊綜合評判結(jié)果

4　結(jié)論

(1)根據(jù)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的工藝特征，分別構(gòu)建了粗精加工銑削刀具性能模糊綜合評判模型，并通過設計基準件及銑削試驗，驗證了該模型的可行性，為航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具的優(yōu)化選擇提供了一定的參考依據(jù)。

(2)粗加工時,三角形刀片比方形刀片具有更好的切削性能。如粗加工閉口槽和開口槽時,在同等切削參數(shù)條件下,WSM35刀片均比WSP45刀片體現(xiàn)出更好的切削性能。加工反面閉口槽時,WALTER三種刀片切削性能均為一般,而M40的切削性能為差,刀片切削性能的優(yōu)劣依次為WKP35S、WSM35、WSP45、M40。

(3)精加工閉口槽和開口槽時，在同等切削參數(shù)條件下，加工閉口槽時1#刀具的綜合性能優(yōu)于2#刀具；而加工開口槽時4#角刀具的綜合性能明顯好于3#刀具。

[1]沈金福.鈦和鈦合金加工技術(shù)的發(fā)展近況[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,2011(4):80-82.

Shen Jinfu.The Trends of Titanium and Titanium Alloys Machining Technology[J].World Manufacturing Engineering & Market,2011(4):80-82.

[2]Wyen C F,Wegener K.Influence of Cutting Edge Radius on Cutting Forces in Machining Titanium[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2010,59(1):93-96.

[3]吳紅兵,劉剛,畢運波,等.刀具幾何參數(shù)對鈦合金Ti6Al4切削加工的影響[J].中國機械工程,2008,19(20):2419-2422.

Wu Hongbing,Liu Gang,Bi Yunbo,et al.Influence of Tool Geometrical Parameters on High Speed Cutting of Titanium Alloy Ti6Al4V[J].China Mechanical Engineering,2008,19(20):2419-2422.

[4]李有生.硬質(zhì)合金刀具與Ti-6Al-4V鈦合金的化學性能匹配研究[D].濟南:山東大學,2010.

[5]Ginting A,Nouari M.Experimental and Numerical Studies on the Performance of Alloyed Carbide Tool in Dry Milling of Aerospace Material[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2006,46:758-768.

[6]劉文婷,趙又群,阮米慶,等.汽車操縱穩(wěn)定性的模糊綜合評判與驗證[J].中國機械工程,2013,24(19):2681-2686．

Liu Wenting,Zhao Youqun,Ruan Miqing,et al.FuzzyComprehensive Evaluation and Verification for Handing Stability of Vehicle[J].China Mechanical Engineering,2013,24(19):2681-2686．

[7]Kim D,Jeon D.Fuzzy-logic Control of Cutting Forces in CNC Milling Processes Using Motor Currents as Indirect Force Sensors[J].Precision Engineering,2011,35:143-152.

[8]Chen Mou,Chen Wenhua,Wu Qinxian.Adaptive Fuzzy Tracking Control for a Class of Uncertain MIMO Nonlinear Systems Using Disturbance Observer[J].Science China Information Sciences,2014,57:1-13.[9]王正如,梁晉,王立忠,等.基于模糊綜合評價的車身曲面品質(zhì)分析[J].中國機械工程,2011,22(6):748-750.Wang Zhengru,Liang Jin,Wang Lizhong,et al.Study on Quality Evaluation of Automobile Surfaces Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation[J].China Mechanical Engineering,2011,22(6):748-750.

[10]謝季堅,劉承平.模糊數(shù)學方法及其應用[M].武漢:華中科技大學出版社,2000.

[11]魏修國.基于特征的鈦合金結(jié)構(gòu)件加工刀具性能評價技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學,2013.

(編輯袁興玲)

Comprehensive Fuzzy Evaluation of Cutting Tool Performance in Milling of Aviation Titanium Alloy Components

Zhao WeiWang ShengzhangHe NingLi LiangYang Yinfei

Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Nanjing,210016

There was a lack of systematic method to evaluate cutting tool performance in domestic aviation manufacturing industries till now,which resulted in a increasing of cutting tools cost,unstable machining quality and low machining efficiency etc.Considering the processing characteristics of aviation titanium alloy components,comprehensive fuzzy evaluation models of cutting tool performance for rough and finish milling were established based on fuzzy mathematical method. A testing benchmark with some typical difficult-to-machine features extracted from aviation complex integrated components was designed,and its processing route was developed.Finally,experiments of milling the benchmark were carried out,and then the comprehensive fuzzy evaluation models were used to evaluate the milling tools.The results show that the models are convenient and effective to evaluate milling tools performance,which provides a new method for the selection and evaluation of milling tools.

titanium alloy;milling;cutting tool performance;fuzzy evaluation

2014-04-04

國家科技重大專項(2012ZX04003021)；國家自然科學基金資助項目(51005118)

TG714DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.001

趙威，男，1977年生。南京航空航天大學機電學院副教授。主要研究方向為難加工材料與難加工結(jié)構(gòu)的高速、高性能加工技術(shù)。王盛璋，男，1991年生。南京航空航天大學機電學院碩士研究生。何寧，男，1959年生。南京航空航天大學機電學院教授。李亮,男,1973年生。南京航空航天大學機電學院教授。楊吟飛，男，1982年生。南京航空航天大學機電學院講師。