硬质合金刀具加工参数模型优化方法研究

邓　莹，邓　玲，张艳华

(1.重庆文理学院新材料技术研究院， 重庆　永川　402160； 2.成都成量集团硬质合金工具厂， 四川　成都　610031)



硬质合金刀具加工参数模型优化方法研究

邓莹1，邓玲2，张艳华1

(1.重庆文理学院新材料技术研究院， 重庆永川402160； 2.成都成量集团硬质合金工具厂， 四川成都610031)

[摘要]针对硬质合金刀具开发过程中的切削性能评价，通过理论与实验分析，以硬质合金刀具对铸铁车削加工为例，进行切削性能分析和工艺试验，采用均匀试验设计方法、多元回归法建立数学模型，通过对切削力、振动、表面质量的分析，优化刀具的切削参数，并对回归方程进行显著性检验.研究结果可以为刀片切削参数选择提供依据，为合理评价刀具使用性能提供有效方法.

[关键词]硬质合金刀具；切削参数；多元回归法； 性能评价

随着粉末冶金及刀具技术的飞速发展，新型材料和结构的刀具研发日新月异.对这些新型刀具，选择合理的切削参数进行有效切削性能评价，可以正确评估刀具的使用性能，是刀具研发必不可少的环节.切削过程是一个高温、大应变、大应变率、高频振动、高速摩擦的材料失效过程,从机床特性、加工方式,到工件材料性质、刀具材料和几何角度等，影响因素众多[1].

1实验

1.1仪器与设备

试验切削加工系统：铣削加工中心(德国MAHO MH600C).该加工中心最高转速为6 000 rpm，四轴联动，各轴行程：X-600 mm,Y-450 mm,Z-450 mm.

检测系统：显微镜显微摄像(使用自行开发的软件和该显微镜配套进行刀具后刀面磨损测量以及切屑厚度测量).四向压电式测力仪、电荷放大器和数据采集与处理系统测量切削力. JB-3C 表面粗糙度仪测振动系统.刀面磨损、加工表面微观结构通过扫描电镜观测.

1.2材料

工件材料：球墨铸铁QT500 .

刀具：硬质合金刀具(CG10牌号，成硬).其结构参数如图1所示.

图1　硬质合金刀具参数(CG10)

1.3试验内容

本实验选取成量集团硬质合金工具厂CG10牌号合金刀具，根据加工手册和刀具样本所提供的物理性能数据及刀具槽型特点，确定切削试验参数范围如表1所示.

表1　切削试验参数范围

铸铁由于良好的减摩性和切削加工性，广泛应用于机械制造中.从切削加工角度来看，铸铁是一种脆性材料，在加工过程中存在较大的振动和冲击，而且加工表面也存在着一定的缺陷，影响加工表面质量[2].本实验以提高加工表面质量为出发点，选取针对硬质合金刀具铸铁平面铣削加工，进行加工性能分析和工艺试验.通过研究刀具在不同加工参数下的切削力、切削振动以及加工表面质量，获得刀片在球墨铸铁QT500 加工中的加工参数，而后选取不同批次的3片CG10刀片在优化切削参数条件下进行对比性能试验， 评估加工性能.

在设计试验方案时，采用均匀试验设计方法，取切削速度vc、每转进给量f和轴向切深ap3个因素进行考察.其中：vc和f在参数范围内均划分为10 个水平，ap在参数范围内均划分为5 个水平，均匀设计U10(10×52)的因素水平和试验参数设计表分别如表2和表3所示.

表2　均匀设计U10(10×52)的因素水平

通过在线及离线检测(切削力、切削振动和断屑性能、刀具磨损、加工表面质量)，对切削进行对比研究，评估切削加工中的切削性能.试验过程中， 每走一刀变化一次切削参数，测量每组参数下的切削力(Kistel 测力仪)工件和主轴的振动(Bruel & Kjaer加速度传感器)，收集切屑.试验完毕收集刀具和试件，试验结果见表4.此处切削振动试验的测量结果来自于主切削方向(Y向)，因为它对刀具的影响最显著.

表3　试验参数设计

2拟合模型

根据金属切削原理，切削力与切削参数之间存在复杂的指数关系[3].应用多元回归的方法来建立切削力与切削参数之间关系的常用形式如(1)式所示.Fx、Fy、Fz为广义切削力，Ax、Ay、Az取决于被加工金属和切削条件系数.

(1)

(xFx、yFx、nFx)、(xFy、yFy、nFy)、(xFz、yFz、nzx)分别为3个分力公式中切削深度ap(mm)、进给量fz(mm)和切削速度νc(mm/min)指数.由于切削力的公式是指数，首先要尽可能化简为线性模型.采用多元线性回归分析的方法，根据公式(1)的特点，假设X1=lg(Vc)、X2=lg(Fz)、X3=lg(ap)、yi=lg(Fi)，公式(1)转化为:

Yi=bi0+bi1x1+bi2x2+bi3x3

(2)

用矢量分析作为求解参数bij的工具，建立多元线性回归方程:

(3)

其中，εi为随机误差，bi为参数βi的最小二乘数，(3)式用矩阵形式表示为：

Y=βx+ε

(4)

b=(xx)-1xy.

(5)

用MATLAB作为求解软件，将试验参数和试验结果组成矩阵形式，并取对数，由矢量分析求得参数bij.

3试验结果及分析

将表3的试验参数和表4试验结果组成矩阵形式并取对数，代入公式(3)~(5)由矢量分析求得参数bij及优化公式：

(6)

由于切削力指数公式只是一种假设，因此要判断公式拟合程度的好坏，必须进行显著性检验以验证以上模型及用多元线性模型模拟刀具切削力公式的可行性[4].假设：

H0：b1=b2=…=bm=0

(7)

为建立对H0进行检验的统计量，将总偏差进行平方和Lyy分解.

(8)

(9)

导入数据，通过MATLAB编程计算得出F值[5].表5为Fx模型方差分析表，采用相同计算方法可得Fy、FH.从结果可以看出，F远远大于临界值，表明(6)式回归十分显著.

表4　试验数据采集结果

图2为模型与试验结果的拟合曲线，与实际结果可以很好地拟合，可以用以预测铣削力.轴向力Fz的数学模型无法回归得出.这主要是由于刀盘的制造误差、刀柄刚度不足等因素所引起轴向偏移、跳动和振动，造成轴向力Fz的无规律变化.

切削振动A与表面粗糙度Ra可以采用相同的方法获得模型.结果如下：

4参数优化分析

4.1多目标模型的建立

我们已经拟合得到切削力、切削振动、粗糙度的数学模型.为了使刀具处于最佳工作状态，达到最佳的加工效果，还必须根据模型对加工参数进行优化[6].首先，为了达到加工效果，我们应尽可能使加工表面的粗糙度小，并且切削力(因为切削分力的趋势基本上与切削合力的趋势相同，此处仅使用合力)和切削振动也应尽可能小.可以建立多目标规划模型如(10)式所示：

(10)

图2　模型与试验结果的拟合曲线

这是一个非线性模型，可以对其进行线性化处理.观察模型特点可以发现，通过对模型取对数，可达到线性化的效果.原变量与新变量的关系为：

4.2试验结果模型的分层求解法

分层评价法的特点是：每一优先层的目标函数的求解不再是求解一个数值极小化问题，而是需要求解一个多目标极小化问题.我们应该先在可行域X上对第一层的向量目标F1(X)进行多目标极小化，设得到有效解集E1(F1,X)，再对第二层的目标函数F2(X)进行求解.最后，在L-1 优先层的有效解集EL-1(FL-1,X)上对第L优先层的目标函数FL(X)进行多目标极小化，所得的解为模型的解[7].根据多目标规划分层求解法，采用MATLAB软件进行分层优化对其求解[8]，以加工表面质量为首位，加工效率次之，最后考虑力和振动.采用目标规划和分层规划相结合的办法，得到优化结果模型.

多目标规划模型只是对实际参数选择提供指导性建议，实际参数的选择必须通过切削试验验证.根据对前面试验结果的分析，第9组参数为最佳方案，它与优化结果极为接近.因此，该优化方法是有效、可行的.

通过试验结果与模拟结果的对比可以发现，振动加速度和表面粗糙度误差较大，切削力基本控制在10﹪以内.这主要是由于振动误差是多方面综合作用的结果，较难控制， 而表面粗糙度和振动加速度正是切削振动的外在表现.

5切削性能对比

为验证模型的有效性，我们利用优化参数(切削速度Vc=130m/min，每转进给量f=0.12mm/r，切削深度ap=1mm)进行切削对比试验.选取3个不同批次的CG10刀片进行切削对比实验，根据评判指标对刀片进行质量判定.3种刀片切削力、切削振动、断屑性能、加工表面质量的情况基本相同.图3为刀具磨损情况对比曲线，图4为刀具磨损的SEM图片.

从磨损曲线中可以看出，3种刀片在刀具磨钝标准为VB=0.1mm的条件下，表现相差不大，1批次要稍好于其他两者.但从刀具磨损曲线的总体走势来看，1的表现明显较好.这说明1批次刀片的生产工艺参数要优于2、3批次.因此可以从2、3批次的工艺参数中摸索差异，改进工艺.

图3　刀具磨损情况对比曲线

图4　刀具磨损SEM图片

6结论

本实验采用均匀试验设计方法，通过对切削力、振动、表面质量的分析，用多元回归法建立数学模型，并对回归方程进行显著性检验，给出硬质合金刀具切削加工的优化参数. 基于实验和分析可以得出以下结论:

1)利用多元回归法建立加工参数的预测模型，通过显著性检验且与加工试验结果拟合良好.这种实验模型可以在硬质合金刀具的加工性能实验中推广，并为硬质合金刀具生产、研发提供参考.

2)采用目标规划和分层规划相结合，对多个加工参数进行优化，可以获得优化合理的加工参数数据，减少试验次数，增大试验点的信息量，为刀具加工性能评价提供有效的手段.

[参考文献]

[1]尚广庆,孙春华.高速加工时各切削参数对切削力的影响的模拟研究[J].工具技术，2008，42(6):32-34.

[2]吴江妙,杨志强.碳化钨刀具对Inconel718合金的高速切削实验研究[J].机械制造,2010,48(5): 31-33.

[3]衰哲俊.金属切削实验技术[M].北京:机械工业出版社,1988：197-218.

[4]郭秀云,梁建明,王占英,等.精磨硬质合金数控刀片切削与磨损性能的实验研究[J].河北建筑工程学院学报,2009(12):76-79.

[5]YANGFZ,MENGGY,ZHAOJ,etal.FabricationofWCMatrixcompositetoolmaterialanditscuttingperformanceinmachiningtitaniumalloys[J].TsinghuaScience&Technology,2009,14(2)：75-78.

[6]薛锴. 涂层刀具切削性能评价及其实验研究[D]. 上海:上海交通大学, 2008：28-39.

[7]刘刚. 金属切削过程优化中多约束描述与应用[D]. 上海:上海交通大学, 2007：24-55.

[8]MASATOO,AKIRAH,RYUTAROT,etal.CuttingperformanceofPVD-coatedcarbideandCBNtoolsinhardmilling[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2011, 51(2):127-132.

[9]KAIE,SHIGEYUKIH.Fabricationandcuttingperformanceofcementedtungstencarbidemicro-cuttingtools[J].PrecisionEngineering,2011,35(4):547-553.

(责任编辑穆刚)

Research on the test methods for cutting performance of cemented carbide tool

DENG Ying1, DENG Ling2, ZHANG Yanhua1

(1.Research Institute for New Materials Technology, Chongqing University of Arts and Science, Yongchuan Chongqing 402160, China;2.Chengdu Chengliang Tool Group Co., Ltd., Chengdu Sichuan 610056, China)

Abstract：In view of the evaluation of cutting performance in the process of developing cemented carbide tool, through the analysis and study of theory and experiment, taking the cemented carbide tool for the cast iron turning machine as the example, the cutting efficiency analysis and process experiment was carried out. Average experiment design method and multiple regression method was used to construct the mathematical model. Through the analysis of the cutting force, vibration and surface quality, the cutting parameter was optimized, and the regression equation was testified, which providing reliable evidence to choose the cutting parameter, and effective method to assess the tool’s cutting performance.

Key words：cemented carbide tool; cutting parameter; multiple regression; test performance

[中图分类号]O651

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0001-05

[作者简介]邓莹(1971—)，女，湖南邵阳人，博士，高级工程师，主要从事高性能硬质合金材料、微纳米金属粉末方面的研究.

[基金项目]重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ121217，KJ121203).

[收稿日期]2015-06-09