（机械制造及其自动化专业论文）高速铣削工艺参数优化的试验研究.pdf

颁士论文 高速铣削r 艺参数优化的试验研究 yb 巧0 一u 2 9 摘要 铝合金的高速铣削是高速切削技术的重要应用领域之一，切削参数的优化是 关系到加工效率和加工经济性的重要研究方向，也是研究高速切削机理和工艺的 目标之。本文通过试验优化法对两种铝合金材料和两种复合材料的高速铣削参 数进行了优化；首先采用多因素的正交试验分析了各因素对高速铣削过程中三个 目标值的影响；然后通过多步骤的单因素试验探讨了通过调整刀具长度以便利用 切削过程的波瓣图的稳定性效应，发现增加刀具长度可以提高金属去除率；进而 结合生产常用刀具画出了三种材料切削过程的稳定性波瓣图；分析了切削过程的 三种状态下切屑形状的变化机理。对影响刀具磨损和切削温度的主要因素也进行 了单因素的试验，验证了切削温度守恒定律。最后通过高速切削过程中残余应力 的变化比较了优化区间内的残余应力。 关键词：高速切削铝合金复合材料铣削力铣削温度表面粗糙度残余 应力 硕士论义 高速铣削工艺参数优化的试验研究 a b s t r a c t t h eh i g h - s p e e dm i l l i n g ( h s m ) o fa l u m i n i u ma l l o y si so n eo ft h ei m p o r t a n ta p p l i e d f i e l d so fa p p l i c a t i o no fh i 【g h s p e e dm i l l i n gt e c h n o l o g yt h eo p t i m i z a t i o no fc u t t i n g p a r a m e t e r sw h i c h i sr e l a t i o nt om a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n ge c o n o m i z a t i o ni s a r ls i g n i f i c a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n ，a n di so n eo ft h eo b j e c to f s t u d y i n gm e c h a n i s ma n d t e c h n i c so nh i g h - s p e e dm a c h i n i n g t h i sp a p e r o p t i m i z e dt h eh i g h - s p e e dm i l l i n g p a r a m e t e r s f o rt w ok i n d so fa l u m i n i u ma l l o y sa n dt w ok i n d so fc o m p o s i t e sb y a p p l y i n gt h em e t h o do fe x p e r i m e n t a lo p t i m i z a t i o n f i r s tu s i n go r t h o g o n a la r r a yf o r m u l t i f a c t o ra n a l y s e st h ee f f e c to fe a c hf a c t o ri nh i g h s p e e dm i l l i n g ，t h e na d o p t i n ga s e r i e so f s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t st op r o p o s eb ya d j u s t i n gt h et o o ll e n g t hs oa st ot a k e a d v a n t a g eo fs t a b i l i t yl o b ee f f e c t s a n dl e n g t h e n i n gt h et o o li m p r o v e st h em e t a l r e m o v a lr a t e f o l l o w i n g ，o b t a i n i n gt h es t a b i l i t yl o b ed i a g r a m so ft h r e em a t e r i a l sa n d d i s c u s s i n gt h ec h a n g em e c h a n i s mo fc h i pm o r p h o l o g yd u r i n gt h r e em a c h i n i n gs t a t e s t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et o o lw e a ra n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ei sa l s ot e s t e da n d t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ec o n v e r s a t i o nl a wi sv a l i d a t e d a tl a s t ，t h er e s i d u a ls t r e s so f t h e o p t i m i z e da r e a si sc o n t r a s t e d 幻o t h e ra r e a s k e yw o r d ：h i g hs p e e dm i l l i n g ，a l u m i n i u ma l l o y , c o m p o s i t e s ，c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n g t e m p e r a t u r e ，s u r f a c er o u g h n e s s ，r e s i d u a ls t r e s s 竺圭笙奎立兰竺型三苎兰塾竺些望兰兰! 茎 1 绪论 1 1 高速切削技术的发展现状及其机理研究 在人类社会迈入2 1 世纪的时候，从世界范围看，我们正处于制造技术快速 发展的时期。在以高科技产业为主要支柱、以智力资源为主要依托的知识经济条 件下，制造业正在发生革命性的变化，制造技术正在发生质的飞跃。 在机械制造业中，用提高加工速度的方法来提高生产率是人们一直向往的目 标。这是因为在提高切削速度这个问题上，长期以来遇到的理论和技术障碍是： 随着切削速度的提高，切削热增加，刀具磨损加剧。因此，切削刀具的承受能力， 使切削速度的提高受到限制。另一方面，随着切削速度的提高，机床的发热、振 动以及动平衡等问题都是要研究解决的技术难题。解决高速切削面临的问题，关 键要依靠高速切削机理研究的突破。也即：首先要从切削机理上解决高速切削成 为现实的可能性的问题，然后要确定不同材料高速切削的速度范围。随着上述理 论问题和应用问题的突破，高速切削已经从希望逐渐变成现实。高速切削技术己 成为当今先进制造技术的一个重要发展方向j 。 1 1 1 高速切削技术的兴起与国外的发展 高速切削( h s m ：h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) 的起源可追溯到2 0 世纪2 0 年代末期。德国的切削物理学家c a r ls a l o m o n 博士1 9 3 1 年4 月发表了高速切削 理论，提出了高速切削假设：在高速区，当切削速度超过切削温度最高的区域， 继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，单位切削力也随之降低 1 4 1 5 1 。按照 他的假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比 较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切 削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。 在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的工作。 1 9 7 7 年在一台带有高频电主轴的加工中心上进行高速切削试验。其主轴转速可 在1 8 0 0 1 8 0 0 0 r r a i n 范围内无级变速，工作台的最大迸给速度为7 6 m m i n 。试 验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增加了2 3 倍，主切削力减小了 7 0 ，而加工的表面质量明显提高【l “。 美国空军和l o c k h e e d 飞机公司首先研究了用于轻合金材料的高速铣削。 1 9 7 9 年美国防卫高技术研究总署( d a r p a ) 发起了项“先进加工研究计划” ( a d v a n c e dm a c h i n i n gr e s e a r c hp r o g r a m ) ，研究切削速度比塑性波还要快的高速 切削，为快速切除金属材料提供科学依据。经过4 年的努力，获得了丰硕的成果。 研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高。刀具磨损主 要取决于刀具材料的导热性，并确定铝合金的最佳切削速度范围是1 5 0 0 4 5 0 0 m m i n 。 在德国，高速切削得到了国家研究技术部的支持。1 9 8 4 年浚部拨款1 1 6 0 万 马克，组织了以d a r m s t a d t 工业大学的生产工程与机床研究所( p t w ) 为首的、 有4 l 家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了高速切削机床、刀 具、控制系统等相关的工艺技术，分别对各种工件材料( 钢、铸铁、特殊合金、 铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等) 的高速切削性能进行了深入 的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获 得了良好的经济效益。 日本于6 0 年代就着手进行高速切削机理的研究。日本学者发现，在高速切 削时，切削热的绝大部分被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，其切屑要比常规 切屑热得多【1 7 1 。日本工业界善于吸收各国的研究成果并及时应用到新产品开发 中去，尤其在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。 经过长期的研究和开发，特别是随着近十几年在刀具和机床设备等关键技术 领域的突破性进展，高速切削技术日渐成熟，正逐步走向工业实用化【1 。随着 科技的发展，产品的多样化、小批量使切削加工大量增加，保证高效率切削加工 的同时达到高精度成为高速加工的发展倾向。世界各大机床制造国，如美国、德 国、日本等对此进行了大量研究，并不断地推出高技术的高速高精度加工机床。 现代机床已经具备了下面的条件l i “，也只有具备这些条件，才会使得高速切削 成为可能。 1 机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地 结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主 轴在高温下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得 主轴可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带 轮、齿轮箱等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到o 4 2 0 0 0 r m i n ，甚至 更高。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提高，甚至机床成本 也下降了。噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。先进的矢量式闭环控 制，即借助数，模转换，将交流异步电动机的电量值变换为直流电模型，这样， 既可实现用无电刷的交流电机来实现直流电机的优点，即在低速时，保持全额扭 矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和制动。 2 机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替滑动导轨，其移动速度、摩擦阻 力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。其特有的双v 型结构，大大 提高了机床的抗扭能力；同时，由于磨损近乎为零，导轨的精度寿命较之过去提 高几倍。又因为配合使用了数字伺服驱动电机，其进给和快速移动速度已经从过 去最高的6 m m i n ，提高到了现在的2 0 6 0 m m i n 。 3 目前最先进的数控系统已经可以同时控制8 根以上的轴，实现五轴五联 动，甚至六轴五联动，多个c p u ，数据块的处理时间不超过o 4 m s ；同时，均配 置功能强大的后处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行中的“前视” 功能，随时干预，随时修改。外接插1 3 ，数据传输速度快；加上全闭环的测量系 统，配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现1 2 9 的加速和减速 运动。 4 机床床身结构迸一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构， 龙门式框架的主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动，考 虑到刀具重量的变化极小，这样，在工件乃至工作台不进行快速线性移动的情况 下，机床快速线性移动的部件的重量近乎常量，因此，更容易实现快速加速和减 速情况下的运动惯量及实现动态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定，从而 保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。 5 刀具的材料和技术的发展也是高速切削得以实现的一个重要因素。由于 在高速切削时，切削力已经不是重要因素，不需要大的切削扭矩，因此刀柄就不 再是传统的锥柄，而是短圆柄，即h s k 型柄，不需拉钉，主轴锁紧装置充分考 虑离心力的影响。重要的是需要动平衡，即需加上动平衡环，在装好刀具后，由 动平衡仪进行平衡。刀具本身采用通体硬质合金刀，或在硬质合金上涂c b n 、 t i c 等，使刀具可以承受高达3 0 0 5 0 0 m m i n 的切削速度。 6 切削时采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。 1 1 2 国内研究现状 我国在研究和开发高速切削技术上总的来说起步较晚，在切削机理方面，清 华方大高技术陶瓷有限公司开发的氮化硅基陶瓷刀具以1 0 2 0 r r d m i n 的速度高速 铣削灰铸铁，可获得4 6 5 2 m i n 的刀具耐用度。北京理工大学较为系统地研究了 软钢、灰铸铁、高强度装甲钢的高速铣削和淬硬钢、钨合金和硅铁的高速车削机 理( 刀具磨破损及刀具可靠性、切削力和表面粗糙度) 及刀具的安全结构问题f 1 6 1 。 上海交通大学研究高速铣削硬铝( l y l 2 ) 时切削力和切削温度的动态规律，表 明只有超过某一临界温度( 7 0 6 m m i n ) ，铣削力和铣削温度才开始明显下降。西 北工业大学研究高速铣削钛合金时的刀具适配和参数优化问题。在高速机床方 面，沈阳工学院研制超高速车铣床，已取得阶段性成果。北京机床研究所生产出 主轴转速达8 0 0 0 r r a i n 、功率达7 , 5 k w 的立式加工中心。东北大学研究了热压氮 化硅陶瓷球轴承，建立了超高速磨削实验台，能进行2 0 0 m s 的磨削加工试验。 同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动态特性和直线电机的应用技术进行了 系统的研究【l 9 ”j 。 航天、航空、汽轮机、摸具等机械制造行业都程度不同地开始推广应用高速 加工技术。这些行业中的大多数企业在生产管理局域网、网络经营管理决策系统、 生产技术工艺数据库等先进技术的应用方面尚处于初级阶段，基本上未建立外联 生产经营通讯网络，数控设备利用率仅为2 5 左右。随着我国加入w t o ，在经 济全球化浪潮的冲击和推动下，预计在“十一五”期间上述行业将在高速加工技 术的开发和应用方面实现跳跃式发展。 1 。1 3 高速切削机理的研究 高速切削是制造技术中引人注目的一项新技术，其应用面广，对制造业的影 响大。高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多 项技术综合应用发展的结果。德国d a r m s t a d t 工业大学生产工程和机床研究所的 舒尔兹教授( h s c h u l z ) 对高速切削技术进行了多年的深入研究，他对高速切削 所包含的技术提出了下面的框图( 见图1 1 1 ) 。 高速切削机理的研究作为高速切削技术的理论基础，是高速切削技术应用和 发展的基石。通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表 面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。试想， 如果没有萨洛蒙高速切削假设，没有德国、美国和日本等国的科学家、工程师不 断的研究，去证实萨洛蒙的理论，去完善和修改高速切削理论，也不会有今天高 速切削的快速发展和广泛应用。因此，在高速切削技术的发展中，高速切削机理 的研究仍然占有重要的地位，而且高速切削机理和相关理论至今还远远没有完 善，高速切削数据库尚未真正建立起来。 我国高速切削机理研究工作，和美国、德国、日本等先进工业国家比还有相 当大的差距。基础理论的落后也极大地制约了高速切削技术在我国的发展和应 用。 高速切削机理的研究主要有以下几个方面： 夺高速切削过程和切屑形成机理的研究 对高速切削加工中切屑形成机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反 映切削过程原理的研究，采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。 4 图1 1 1 高速切自技术结构框图 冷高速加工基本规律的研究 对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量 等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行研究，提出反映其内在联系的数学 模型。实验方案设计和试验数据处理也是研究工作中需要解决的问题。工艺参数 应基于建立的数学模型及多目标优化的结果。 夺各种材料的高速切削祝理研究 由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性，所以，要研究各种工程材料 在高速切削下的切削机理，包括轻金属、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。 通过系统的实验研究和分析，建立高速切削数据库，以便指导生产。 审高速切削虚拟技术研究 在试验研究豹基础上，利用虚拟现实和仿真技术，虚拟高速加工过程中刀具 和工件相对运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真，显示加工过程中的 热流、相变、温度及应力分布等，预测被加工工件的加工质量，研究切削速度、 进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响等。 1 2 高速切削的特点 由于切削速度的大幅度提高，最明显的效益是提高了切削加工的生产率。同 时由于切削条件的改变，和常规切削比，高速切削具有下列优点【7 1 ： 1 ) 随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5 l o 倍。这样，单位时 间内的材料去除率可大大提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从 而极大地提高了机床的生产率。 2 1 在切削速度达到一定值后，切削力可降低3 0 以上，尤其是径向切削力 的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加 工。 3 ) 在高速切削时，9 5 9 8 以上的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带 走，工件可基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件。 4 1 高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床刀具一工 件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小，因而能加工出非常精 密、非常光洁的零件，零件经高速车、铣加工的表面质量常可达到磨削 的水平，残留在工件表面上的应力也很小，故常可省去铣削后的精加工 工序。 5 1 高速切削可以加工各种难加工材料。例如，航空和动力部门大量采用的 镍基合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬 化，切肖温度高，刀具磨损严重。在普通加工中一般采用很低的切肖速 度。如采用高速切削则其切削速度可提高到1 0 0 1 0 0 0 m m i n ，为常规切 速的l o 倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损， 提高零件加工的表面质量。 6 ) 降低加工成本。高速切削可使零件的单件加工时间缩短，可以在同一台 机床上，在一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和精加工，此 即高速加工用于模具制造的“一次过”技术。 当然，高速切削加工也有其自身的局限性。例如，切削加工大部分铝合金时， 切削速度的提高不受刀具耐用度的限制；但是在切削加工些难加工材料时( 如 耐热不锈钢、钛合金、高强韧高硬度合金钢等) ，切削速度的提高仍会受到刀具 急剧磨损的限制。 1 3 高速切削的应用 1 3 1 高速加工的主要应用领域 域 高速加工的广阔应用前景主要集中在汽车生产、飞机和宇航以及模具生产领 1 ) 以高速加工为基础的敏捷柔性汽车生产线 2 0 世纪9 0 年代，高转速( 主轴转速1 0 0 0 0 r m i n 以上) ，快进给速度( 进给 速度在5 0 6 0 r e m i n 以上) 以及快速换刀技术在汽车制造业的应用，出现了高速、 高效的多坐标生产型加工中心，配合各种新型刀具、刀具材料的发展应用，出现 了以高速加工中心为主组成的新型柔性自动线高速柔性生产线。为了更好地 发挥高速柔性生产线的作用，进一步提高生产率，更好地适应市场的需求，贯彻 敏捷制造思想的高速柔性生产线，又产生了新一代的敏捷柔性汽车生产线。 2 1 高速切削产生的热量少，切削力小，零件变形小，特别适合以轻金属为 主的飞机制造。飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。其主要优点有：( a ) 提 高切削效率；( b ) 整体高速加工代替组件：( c ) 难加工材料的高速切削。 3 ) 采用高速加工模具主要有两方面的优势： 高速切削大大提高加工效率，不仅机床转速高、进给快，而且粗、 精加工可一次完成，极大地提高了模具生产率。结合c a d c a m 技 术，模具的制造周期可缩短约4 0 。 采用高速切削可加工淬硬钢，硬度可达6 0 h r c 左右，可得到很高的 表面质量，表面粗糙度低于r 。0 6 9 m ，取得以铣代磨的加工效果， 不仅节省了大量的修光时间，还提高了加工的表面质量 1 3 2 我国高速切削应用实践中急待解决的若千问题 高速切削技术的闯世，加快了汽车、模具、航空、光学、精密机械等产品的 更新换代速度，引起了这些部门制造技术及装备的提升，从而加快了社会进步。 因而，h s c ( h s m ) 与n c 被称为2 0 世纪制造技术的两次革命。从2 0 世纪9 0 年 代开始，高速加工在国内外掀起了应用的热潮。 至2 0 世纪末，我国已进口了上千台高速机床，目前，严峻的形势是理论大 大落后于市场实际。当前，我国企业在实际应用中还有很多问题急待解决： 1 ) 已经进口的高速机床相当一部分不能充分发挥作用。高速机床低速使 用，一方面造成功率浪费( 大马拉小车) ，另一方面使高速主轴因长期 承受载荷而降低寿命，如不及时解决，有可能使重金购买的高速机床， 尚未及发挥高速功能就提前报废。 2 ) 企业急需开发高速切削数据库及相应的高速加工软件包。目前，我国用 户主要依靠国外供应商提供的高速切削数据库及相应的高速加工软件 包。首先，必须结合国情、厂情消化吸收；还要开发与其适应的上道工 序( 粗、半精加工) 加工软件。国际上一些发达国家仍在投入很大的人 力物力进行研究开发一些大公司还建有高速切削实验室，我国仅广东 工业大学建有高速加工实验室。我们呼吁，一方面企业要主动走产学研 合作之路：另一方面要建立国家高速切削实验室，提供指导性高速切削 数据库及相应的高速加工软件包。 3 ) 在应用中，要根据实际情况选择最有利的高速机床和加工工艺。在不同 的生产领域，对高速机床的性能指标要求和使用的工艺方法是有区别 的。在条件许可情况下，应把粗、精加工分开，只做精加工的高速机床， 不苛求其低速性能。这一方面降低了对高速主轴的要求，另一方面又使 高速主轴性能得到充分发挥。 1 4 本课题研究工作 本课题源于“十五”国防预研项目，与信息产业部南京第十四研究所合作研 究。高速切削技术属先进制造技术中的机械制造及自动化研究领域， 凭借信息产业部南京第十四研究所“九五”末从国外引进的m i k r o nh s m 7 0 0 高速铣削设备的有利条件，本课题前期己对高速铣削机理进行了一些有益的探索 性的试验研究，为本论文的研究提供了可供借鉴的经验。 1 4 1 研究内容 本课题主要通过试验方法对两种铝合金材料和两种微波复合材料的高速铣 削过程加工参数进行优化，具体工作如下： 删微二 r t 5 、6 0 1 6 0 篡r t 5 8 8 0 )铝衬微波印制板 、j 塑堡竺壅- 铣削参数优化 铣削力 铣削温度 表面粗糙度 切屑形成 残余应力 首先从多因素正交试验入手，探寻多因素中各因素对目标特性值铣削 力、铣削温度和表面粗糙度的影响程度，同时用理论对试验现象进行分析研 究总结规律： 根据多因素试验中的结论，固定非主要因素的优选水平，通过单因素试验， 分析两主要因素对铣削力和表面粗糙度的影响变化规律； 固定非主要因素的优选水平，采用单因素试验，分析两主要因素对铣削温度 的影响变化规律，研究切削机理集中在切屑成形理论、金属断裂、突变滑移 硕十论文高速铣削工艺参数优化的试验研究 ( c a t a s t r o p h i cs l i p ) 、绝热剪t ：) j ( a d i a b a t i cs h e o r ) 以n ：材料的切屑成形等方面，从 而探寻高速铣削与普通铣削的优势； 通过对试验中试件残余应力的测试，研究高速铣削中对材料加工表面残余应 力的影响； 1 4 2 研究方法 采用试验优化技术与传统的参数优化方法中使用的数学模型相比，试验优化 技术的特点如下图所示： 优化模型 r a i n j ，( x ) s t g ( x ) 0 圈1 5 1 研究方法简图 研究对象具有明确的 目标函数形式 迭代算法信息量大， 对应的试验数据多 研究对象不需要具有 明确的目标函数形式 正交试验方法最大限 度地减少试验次数 9 硕卜论文 高速铣削工艺参数优化的试验研究 2 高速铣削影响因素的试验研究 2 1 试验目的 在高速铣削中，机床加工参数和刀具参数的优化关系到产品质量、加工效率 和加工经济性，多年来一直是高速切削研究的重点。目前的高速切削生产中普遍 存在的问题是缺乏优化的高速切削工艺参数，实际生产中主轴转速偏低，切削用 量及刀具选择欠优化，造成实际生产中加工成本的增加和加工效率的降低，使高 速切削的应有的高效率、高加工精度、低成本的优势没有得到完全的发挥，限制 了高速切削技术在生产中的进步推广使用。加工工艺的优化来源于对高速切削 过程的深入、系统的研究。从辨证唯物论的观点和切削加工的研究发展来看，切 削加工各要素之间存在着必然的联系，它们之间相互作用，相互影响，要深刻理 解掌握这些联系，需要进行大量艰苦研究和试验，前面的可行性试验中己对高速 铣削的机理进行初步的研究。但高速铣削过程是一个涉及到刀具、机床等多方面 因素的复杂加工过程，需要综合考虑，因此，可行性试验只是有益的尝试，为后 续的多因素试验做了铺垫。 多因素正交试验是探索铣削加工过程各因素间关系的有效途径，也是试验优 化设计的重要方法。高速切削参数优化的多因素试验，需要综合考虑机床和刀具 参数，并尽可能地扩大优化空间的可行域，所以选取的切削加工工艺参数除覆盖 日常加工生产实际外，还应可能达到机床运转的极限。 2 2 试验优化技术 2 2 1 优化技术 在科学研究、工程设计、生产管理以及其它方面的实际应用中，实现过程和 目标的最优化是一项重要的原则。所谓最优化，简单地说，就是高效率的找出问 题在一定条件下的最优解。传统的优化方法大体分为两类： i 直接计算目标函数值、比较目标函数值，并以之作为迭代、收敛根据的 方法： i i 以多变量函数极值理论为基础、利用目标函数的性态，并以之作为寻优、 迭代、收敛根据的方法。 前者泛称为直接法，后者泛称为求导法。从上所述，一个优化问题必须要由 一个数学模型加以描述，这种描述必须能够把该问题的基本目标及其所受的各种 限制和约束列举清楚，表示明确，在各种设计变量和各种参数之间必须保持应有 的、严格的逻辑结构和协调关系，否则是无法通过计算，特别是微机的运算而得 出正确的结果的。数学模型又是从工程实际问题中提炼出来的，把实际的工程问 题加以科学的概括，推敲和分析，提炼出那些能表达问题本质和根本关系的参数 及其各种关系和条件，没有理论上和实践上的深刻探讨是绝对不可能的。还有的 就是模型建立起了，必须找到适合的算法求解优化模型。因此，模型优化法是以 理论模型和算法为基础，它需要采集大量的试验数据，每一个试验数据对应可行 域解空间内的一个点，而且迭代过程中的信息量较大，容易收敛于局部最优解。 2 2 2 试验优化技术及常用方法 试验优化就是最优化思想指导下，通过广义试验( 包括实物实验与非实物实 验) 进行最优设计的一种优化方法。它从不同的优良性出发，合理设计试验方案， 科学处理试验数据，全面进行优化分析，直接实现优化目标，是现代优化技术的 一个重要方面。 现代优化技术主要分为三个方面：优化控制、优化设计与优化试验【lj 。目前， 常用的优化技术有直觉优化、进化优化、试验优化、价值分析优化和数值计算优 化。但实际上，这些优化方法不是属于直接优化，就是属于间接优化。试验优化 是一种直接优化法。具体地说，设计试验方案时，不仅使方案具有一定的优良性， 也使试验点大大减小，但少量实施的试验点却能获取丰富的试验信息，得出全面 的结论：实施试验方案时，有效控制试验干扰，提高试验精度：处理试验结果时， 通过简便的计算及分析，可以直接获得较多的优化成果。显然，试验优化既是全 过程的优化，又是多目标的优化。 长期以来在试验领域中，特别是对于多因素试验，传统的试验方法往往只能 被动地处理试验数据，而对试验方案及试验过程的优化，常常显得无能为力。这 不仅造成盲目地增加试验次数，而且往往不能提供充分可靠的信息，以致达不到 预期的目的，造成人力、物力和时间的大量浪费。近代创立和发展起来的试验优 化法，将优化思想和要求贯穿于试验的全过程，从此试验才真正走上科学的轨道， 使试验领域发生了深刻的变化，也有力地促进了现代优化技术的发展。 目前，在科研与生产的实际应用中，试验优化主要是进行离散优化，有时也 进行序贯优化，有时则必须综合应用离散优化和序贯优化。 所谓离散优化，就是在试验区域内，有目的有规律的散布一定量的试验点， 多方向同时寻找优化目标。如果优化目标是最优点，则离散优化只是一种试验点 优选法，优选过程不是遵循一定的寻优路径，而只是对给定条件下切可能的试 硕士论文 高速铣削1 艺参数优化的试验研究 验点进行选优。这种离散优化法有正交设计、s n 比设计，均匀设计等。 在实现优化目标的整个过程中，所谓序贯优化是遵循一定优化路径逐渐寻找 最优点的方法，它是单向寻优，后一阶段优化是在前一阶段优化的基础上进行的。 通常情况下，序贯优化可以进行全域精确寻优。常用的序贯优化法有0 6 1 8 法、 f i b o n a c c i 法、单纯形法、梯度法、渐近分式法、连贯设计法等n 2 2 3 试验优化技术在高速切削中的应用 试验优化技术由于具有设计灵活、计算简便、试验次数少、优化成果多、可 靠性高、适应面广等特点，因而发展迅速，应用广泛，已成为现代设计方法中一 个先进的设计方法，成为多快好省地获取试验信息的现代通用技术。试验优化技 术的推广应用，是一项在经济效益上十分领先的工作。日本是应用试验设计创造 利润和提高生产率最多的国家。特别是在机械制造中应用试验优化技术，可以显 著提高经济效益，节约各种资源。 高速切削技术是先进制造技术的最重要的共性基础技术。它的研究开发与推 广应用将会带来巨大经济效益，高速切削技术是改变制造业面貌，促进制造业进 步所迫切需要。从实际情况看，大多数高速切削数控机床和加工中心目前并没有 充分发挥出其应有的潜力，主要原因就是没有对高速切削技术的基础理论进行系 统研究，因而难于制定合理的高速切削工艺规范，从而在精度、生产效率、表面 质量、生产成本等方面获得最佳加工效果。而试验优化技术在高速切削参数优化 研究中的应用目前还非常少，应该说如果两项先进技术能有效的结合，能够成倍 的提高企业的经济利润和经济效益。 2 3 试验设计 2 3 1 目标特性值铣削力、铣削温度和表面粗糙度 金属切削特别是高速铣削过程中，由于材料的塑性变形，会出现各种物理现 象，如切屑变形、切削力、切削热与温度、刀具磨损与破损以及加工表面完整性 等。切屑变形的过程也就是切削力产生的过程，同时切削力又直接影响切削热的 产生，并进一步影响刀具的磨损、刀具耐用度、卷屑与断屑以及加工表面质量。 切削热是切削过程的主要物理现象之一，切削时所消耗的能量大部分都转化 为热能，只有极少数能量用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成的潜能，因此 可以近似认为切削所消耗的能量全部转化为热能。大量的切削热使得切削温度升 预卜论文 高速铣削工艺参数优化的试验研究 高，这将直接影响刀具前刀面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消失、刀具磨损以 及工件加工精度和加工表面完整性，所以对切削热和切削温度的研究有着重要的 意义。一般来说，所谓切削温度是指温度达到稳定状态时的前刀面与切屑的接触 面上的平均温度，因为它与切削机理及加工质量高低有着密切的关系。 对于高速加工中的切削力和切削温度的变化特点，前面提到的德国 c a r l j s a l o m o n 博士的高速切削对切削温度影响的设想。即在高速区，当切削速 度超过切削温度最高的区域，继续提高切削速度将会使切削温度明显下降，单位 切削力也随之降低”。 s a l o m o n 博士预想的高速切削中，当切削速度超过切削过程的某一临界点时， 切削速度的增加将导致温度的下降，如图2 3 1 ( a ) 所示。基于这一设想，大量 的研究和结果表明，在高速区切削温度并没有下降的趋势，这其中m c g e e e 4 6 的 研究认为温度将随着切削速度的增加而上升直到最大值，此点接近工件材料的熔 点，见图2 _ 3 1 ( b ) 所示。并没有发生高速区切削温度下降的现象，这一现象解 释了为什么在切削铝合金时没有对切削速度有固定的限制。铝合金的熔点6 6 0 远低于超硬陶瓷刀具失去强度磨损加剧的温度。相反，t r e n t 28 】却认为在切削铸 铁、钢等其它高熔点的金属及合金时这种切削过程产生的热可以成为一个可控制 的因素，这里刀具使用可以通过对切削速度进行限制。 经过切削的加工表面都具有一定的粗糙度，这是因为工件表面经受了超过材 料本身硬度值的高压强的挤压应力，又由后刀面磨损带施加很大的摩擦力，使之 经受强烈的摩擦，从而受到剪切和拉伸应力。另外，在切削表面形成过程中，表 面材料还要经受加热和冷却，又由于加热和冷却的时间极短，升温和降温速度极 高，从而使材料受到额外的温度应力。此外，还有切削运动可切削抗力的不均匀 性和不稳定性，切削过程中工艺系统的弹性变形及其变化和波动，以及工具与工 件表面间摩擦力的波动性等因素，都成为切削过程中产生振动的根源。这些都是 产生加工表面粗糙度的根本原因。高速铣削不同于普通铣削的优势之处在于：当 主轴高速运转时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床一刀具一工件” 工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小，因而能加工出非常精密、非常光洁 的零件，零件经高速铣削的表面质量常可达到磨削的水平，残留在工件表面上的 应力也很小，故常可省去铣削后的精加工工序。 坝士论文高速铣削工艺参数优化的试验研究 e u t t i n gs p e e d r e f r a i nmf e e b m m 矿 圈2 3 1 切削速度与温度关系曲线( a ) s a l o m o n 曲线( b ) m c g e e 曲线 2 3 2 测试方法 铣削力 试验中铣削力的测量采用k i s t l e r 9 2 5 5 b 压电晶体测力仪，同时测量x 、y 、 z 轴三个方向的铣削力，具有较高的响应频率和测量精度。测力仪的基本参数 量程：f x ，f y 2 0 k n f ：一1 0 4 0 k n 灵敏度：f x ，f y- 8 p c nf ： 一3 7 p c n 刚度：c ，c y 2 k n a n c ： 3 k n b o n 测力系统的坐标系定义：刀齿切入方向为x 轴，进给方向为y 轴，刀具轴 向为z 轴的负方向。 铣削温度 切削温度的测量分为切削区域平均温度的测定和切屑、刀具和工件中的某一 点温度的测量。常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、 金相结构法等。热电偶法是当两种不同材质组成的材料副( 如切削加工中的刀具 - - r e c ) 接近并受热时，会因表层电子溢出而产生溢出电动势，并在材料副的接 1 4 霉鲁1j芒罢毪暮芒 伽 ，茎耋鐾蔓 高速铣创工艺参数优化的试验研究 触界面问形成电位差( 即热电势) 。由于特定材料副在一定温升条件下形成的热 电势足一定的，因此可根据热电势的大小来测定材料副( 即热电偶) 的受热状态 及温度变化情况。采用热电偶法的测温装置结构简单，测量方便，是目前较为成 熟也比较常用的切削温度测量方法。根据不同的测量原理和用途，热电偶又可细 分为：自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶和等效热电偶法。在铣削加 工中，测量铣削温度的方法有直接法和间接法两种。目前，比较成熟的直接测量 铣削温度的方法有自然热电偶法和人工热电偶法，而间接测量铣削温度的主要是 红外辐射测温法。 自然热电偶法无法建立温度场，只能测量切削区的平均温度，热电偶的两极 分别是刀具和工件，这种方法在现代高速铣削加工中心上较难实现。红外辐射测 温法是非接触式测量，它测量工件表面的温度，是一种问接的测温方法而且其测 量精度比较低，无法准确测量出切削区的温度，这种测量方法适合定性的研究切 削温度。 将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。半人工 热电偶是将一根标准的热电偶丝( 如康铜) 焊在待测温点上作为一极、以工件材 料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理 与自然热电偶法和人工热电偶法相同。由于半人工热电偶法测温时采用单根导线 连接，除端点外，其余部分必须与工件或刀具绝缘，该方法应用较广泛。自制的 厚度约为0 0 5 r a m 的热电偶康铜箔片夹在两工件间，试件结构如图2 3 2 所示。 由不同材料的热电效应会在回路中产生热电势，为保证康铜丝与工件间构成半人 工热电偶回路，必须使康铜箔片与工件间绝缘、工件与夹具间绝缘以及两工件间 图2 3 2 试件结构图 的夹持可靠，康铜箔片的引出线接温度信号放大器的一级，工件材料远离加工区 的一端接放大器的另一级，同时也作为热电偶的冷端。当热电偶丝被切断时，热 电偶丝和工件这两极搭接上，温度升高后，冷端有温度差从产生出热电势加工过 程中刀具与工件及热电偶间瞬时接触造成的温升，使回路中产生热电效应。预埋 热电偶丝的加工过程示意图如2 3 3 所示。电荷放大器将放大的电荷输入微机， 图田 颂士论文 高速铣削工艺参数优化的试验研究 经数字信号处理将电模拟信号转变为便于分析的数字信号。 热电儡照 图2 3 3 预埋热电偶丝加工过程示意图 表面粗糙度： 表面粗糙度的测量：表面质量的测量采用h o m m e lt e s t e rt 5 0 0 表面轮廓 仪，测定表面轮廓的算术平均偏差r 。，表面微观不平度的信息以电模拟量 ( 电压) 形式输出，通过采样和模一数转换得到一组离散型表面不平度数据。 2 3 3 试验方案 试验在m i k r o n 的h s m 7 0 0 ( 如图2 3 4 ) 上进行，机床的外形和技术规格分 别如下表所示： 表2 3 1 h s m 7 0 0 主要技术规格 撞向y 舌i 忑 圭塾量盔塑堑坚e d f l o o e d )65nm(6nm) 圭垫筮堡范围1 0 0 - 4 2 0 0 0 r m i n 硕士论文高速铣削工艺参数优化的试验研究 圈2 3 4h s m 7 0 0 高速铣削加工中心 图2 3 5h s m t 0 0 的喷雾冷却 试验仪器及测试系统如下示意图所示 图2 3 6 试验测试系统示意图 测试系统的采样频率为5 0 0 0 h z ，采样时间为5 s 。铣刀顺次按照加工参数铣 削平面，铣削方式为顺铣，每铣一个平面为一个采样时间。 如( 图2 3 7 ) 所示为铣削加工示意图及试验加工试件的尺寸，端铣刀在预 先加工好的工件上铣削平面，两固定好的工件间是夹丝热电偶康铜箔片，铣刀沿 直线方向每铣一刀，就使康铜丝与工件组成的回路中产生热电效应。热电偶的热 端输出接一自制的电荷放大电路，输出端接入测力系统的电荷放大器输出端，一 同接在微机的数据采集卡匕。 颇士论文 高速铣削工艺参数优化的试验研究 戮堑黼 图2 3 7 试验方案示意图 试验材料：铝合金牌号l f 5 、6 0 6 3 t 6 ，铝衬微波印制板r t 5 8 8 0 、r t 6 0 1 0 试验参数的选取；通过深入生产实际，试验选用瑞士产f r a i s a 1 65 2 7 7 硬质合 金直角端铣刀一把，螺旋角a = 3 0 。、前角y = 1 5 0 、齿数z = 2 ，悬臂长f - 6 6 r a m ， 自行磨制两把前角分别为y = 5 0 和2 5 。的其它几何参数与f r a i s a 5 2 7 7 完全相同的 西1 6 刀具，此直径为实际生产中的最大值，试验中选取的最低转速为1 2 0 0 0 r m i n ， 最高转速为4 2 0 0 0 r m i n ( h s m 7 0 0 的最高转速为4 2 0 0 0 r m i n ) ，其线速度从 6 0 2 8 8 m m i n 至2 1 1 0 0 8 m m i n ，进给速度从1 2 0 0 m m m i n 至2 9 4 0 0 m m a n m ，轴向 切深从o 5 m m 到2 5 r a m ，径向切深从2 m m 至6 m m ，所达到的切削参数的覆盖 面足以反映高速铣削的一般规律，低速状态下的铣削情况将在后续的试验中进 行。铣削过程中，采用的端面铣刀，铣刀顺次按照试验参数不同排列的试验序数 依次铣削平面，保证铣削过程中的切削方向不变，每铣完一组参数，记录最大切 削合力，同时在工件表面作下标记，便于以后测定表面残余应力和粗糙度。 针对每种材料各作一组多因素正交试验。本正交试验为6 35 六因素正交试 验，为使试验参数的选取能够真实反映实际生产，通过深入调查生产实际，选取 的切削参数及刀具参数如下表所示： 表2 3 2 试验因素及水平 因素 水平 冷却方式：在高速加工中，冷却润滑介质是至关重要的。在金属加工