（机械制造及其自动化专业论文）基于bpga的钢轨整形切削用量优化应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 铁路用钢轨材料通常为u 7 1 m n 高锰钢，硬度高，切削困难。因长期反复轮轨碾 压，产生了波磨、轨面剥离、擦伤、飞边等钢轨伤损类型，这些伤损在钢轨修复成型 中由于冷作硬化的缘故，钢轨切削更加困难。旧钢轨属于典型的难加工材料。 目前，高锰钢钢轨再修复成型中切削用量的选择往往依靠经验进行。依靠经验法 选择的切削用量数值往往不合理，是造成刀具磨损加剧，切削效率低下的重要原因。 论文在对高锰钢材料特性分析研究的基础上，首先对影响切削的刀具材料、刀具 几何角度作了论述说明，其次对高锰钢切削时的切削力和切削温度进行了分析和总结， 目的是为后面章节高锰钢铣削用量优化作理论基础。最后结合正交试验原理，采用多 因素正交回归试验法，依据硬质合金刀具铣削高锰钢的的试验数据建立了刀具寿命公 式，并把此公式作为b p g a 优化模型中的约束条件之一。 建立了高锰钢铣削加工中切削用量优化的数学模型，通过对切削过程中影响切削 结果的各个因素分析，确定目标函数和约束条件。结合神经网络和遗传算法( b p g a ) 来实现对目标问题的优化，最终对优化结果进行了实验研究和验证，表明建立的优化 数学模型和采用的遗传算法具有生产实用性，为高锰钢的铣削用量优化提供了应用指 导。 关键词：高锰钢：b p 神经网络；遗传算法：切削用量优化；刀具寿命；钢轨整形 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t mm a t e r i a lo fr a i l r o a dr a i l i st h eu 7 l m nh i 曲m a n g a n e s es t e e l ( h m s ) 晰t l lh i 9 1 l l l a r dh a r d n e s s 锄dc 删血gd i 伍c u l 够d u et 0l o n gt e 眦w h e e l - m i lr e l a t i o n s h j p ，t l 舱r a i l r o a d m i le i n e 礓e sv 撕0 1 l sd a m a g e ni sv e d rd i 伍c u l tt 0c u t 也eu s e dm i l 诵m 鼬h a r d e l l i n g ， m eu s e dr a j li sa 帅i c a dd i 伍c u l tm a c l l i l l i n gm a t e r i 甜s a tp r e s e m ，m es e l e c t i o no fm eh m sc 讹i n gp 啪e t e r su s m l l yd 印e n d so ne x p 嘶e n c e i td o e sn o tm a k es e n s e 吐】mm es e l e c t i o no fc 讹gp 猢e t e r si sb ye x p e r i e n c e a l s 0 i ti st 1 1 e m 咖c 到【s et l l a tl e a d st 0w e a ra n dd a m a g eo f m et o o la i l dl o we 伍c i e n c y b a s e do n 也e 黝l l 沔c a jr e s e a r c ho fm l i sc h a r a c t e r i s t i c s ，f i r s t l y ，w ed i s c u s st h a tt o o l m a t e r i a l 锄dc 慨g e o m e t r i c a la n 9 1 e se 任l e c to nm ec u t t i n g s e c o n d l y ，w ea 1 1 a l y z ca i l d s 咖池也ec u n i l 培f 0 嗽姐dc u ：t t i l 唱t e m p e r 抵i nt 1 1 em a c k n j n gp r o c e s s l a s t l y ，w e g e tm e 加ll i f ee m 嘶c 甜f o n n u l ao f m em i l l 啦h m sb ym 黜so fm u l t i f a c t o r so n l l o g o n a l e x p e r i m e n td e s i 印，t h ef o 蛐u l ai s 嬲ac o n s n 面n tc o n d i t i o ni nt l 圮b p g ao p t i m i z a t i o n m o d e l w ee s t a b l i s ht 1 1 em a m e m a l i c mm o d e lo fo p 瞳i i i l i 2 a t i o np 踟e t e r ，t 1 1 r o u 曲a n a j y z i n gt h e e a c h r 、_ i l i c ha 舒e c _ t s 妣c u t 痂唱r e s u l t si n 协ep r o c e s s ，i th 勰o b t a i n e dt h a t 恤c o m 灯a i n t c o n d i t i o n sa n do p t i m i z a t i o n 劬c t i o n u l t i m a t e l y ，w bw o r ko u tt 1 1 ep r a c t i c a lp r o b l e mb y m e a i l so fb pn e u r a ln 娟0 r k 柚dg e n e t i c 触g o r i t l l m s ( b p g a ) t l l em a n l e m a t i c a lm o d e l o f m a c l l i i l i n gm eh i 曲m a i l ：g a n e s es t e e l 锄dm eg e n e t i ca 1 9 0 甜皿i l lt h j sp 印e r i su s e 舢t 0 p r 0 ( h l c t i o n ，w m c hm a k em et l l e 0 硎c a lb a s i sa n da p p l i c a t i o ng u i d a i l c e 蛋叫m a c 蛐1 i i l gh i 曲 m 锄g 觚e s es t e e l k e yw o r d s ：h i g hm a n g a n e s es t e e l ；b pn e u r a ln e 锕o r k ：g e n e t ia l g o r i t h m s ；c u t t i n g p a r a m e t e i - so p t i o n s ；7 i o o ll i f b ；r a i lr e s h a p i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章：绪论 铁路运输较之航海、航空和汽车公路运输相比，有着高速度、安全性和大容量无 法比拟的优势，铁路运输的高速和重载仍然是我国2 1 世纪交通发展战略规划的重点之 一。就现在情况来看，一方面我国现有铁路里程数不足，另一方面客观上又需要铁路 运量的不断增加，这对矛盾使得现在我国铁路线路出现了客、货混跑线路模式和线路 超负荷运行的情况，长时间反复的轮轨滚动接触使得钢轨的破坏越来越严重，不可避 免的出现各种各样的伤损【1 1 。这些伤损一则增加了铁路运营成本，更重要的是危害着 铁路运行安全。据统计我国每年因更换和维修伤损轮轨的经费达8 0 多亿人民币【2 j 。 目前我国正线铁路一般使用6 0 k g 标准轨，经过长时间的使用后钢轨出现了不同程 度的波磨、拐角斜裂、压溃、飞边、剥离等伤损类型1 3 1 ，如下图卜l 所示，特别是在 曲线弯道处，出现的频率更高，有些缺陷会在高速行车下快速扩展甚至使钢轨突然断 裂，造成机车车辆脱轨甚至倾覆，极大危害行车安全。据统计，这些伤损钢轨目前在 我们国家每年以2 0 的速度增加i 舢，在这种情况下，钢轨的维修和养护就显得愈来愈 重要。对钢轨进行维修和养护一般有两种方式：第一是换轨后在工厂内维修，如成都 铁路局钢轨修复厂，二是对钢轨进行现场打磨。由于换轨或厂内维修的费用高昂，且 运营期太长，比起现场的钢轨整形技术( 钢轨打磨和钢轨铣磨) 来说，既有损铁路运 输部门的利益，又操作不便，需要投入更大的人力和物力。所以，现场钢轨整形( 钢 轨打磨和铣磨) 就成了最为经济有效的钢轨维护和保养措施。如现在在沈阳铁路局使 用的p g m - 4 8 钢轨打磨车，北京铁路局使用的u 0 4 8 4c p i 承型打磨车，以及在2 0 0 9 年京沪线南京站从l i n s i n g e r 公司引进的s f 0 3 f f s 钢轨铣磨车等1 4 。】。 目前，不论是钢轨打磨还是钢轨铣磨，钢轨整形技术在国内的研究仍处于开始阶 段，现在国内使用的钢轨整形设备( 打磨车和铣磨车) 虽然对钢轨伤损的修复起到了 极大的作用，但是这些设备对钢轨飞边这一病害基本都不处理，针对钢轨飞边，我国 科研人员出研发了一些小型设备，但由于作业效果不理想，没有普及开来。本论文希 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 望借助整形设备这一平台，结合整形过程中切削参数的选择，一次性解决钢轨各种伤 损病害( 包括飞边) 。为我国将来实现自己国产化的整形设备作一铺垫。 a ) 波浪形磨损 c ) 轨头压溃 b ) 拐角斜裂纹 d ) 钢轨飞边 e ) 轨面剥离f ) 轨面擦伤 图1 1 多种钢轨伤损形式 漕一 4 鬻 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 目前，国内外对钢轨整形技术( 主要指钢轨打磨和铣磨) 都进行了大量的研究， 从早期的钢轨修复打磨( 也称矫正性打磨) 到目前的预防性打磨策略，从早期的打磨 技术到现在的铣磨技术，钢轨整形技术的研究和应用都上了一个新的台阶。 1 2 1 国外现状 一 7 国外的钢轨整形技术( 这个时期主要是打磨技术) 始于上世纪5 0 年代旧。这个时 期具有代表性的是瑞士的s p e n oi n t e m a t i o r 瑚公司，s p e n o 打磨公司除了设计生产钢 轨打磨器具外，同时也根据客户现场钢轨伤损类型制定相应的打磨策略( 预防性打磨、 周期性打磨、修复性打磨川) ，从而决定用何种打磨方式对线路进行维护。 p g m 一4 8 钢轨打磨列车的生产商是h a r s c ot r a c kt e c h n o l o g i e s( h t t ) 公司，此 打磨车有4 8 头和9 6 头两种忉。砂轮打磨是目前应用最多的打磨方式，磨削量较大， 能够打磨深度0 2 m m ，平均打磨深度为o 0 5 0 1 衄，一次可打磨长度大约为4 6 k m 。 不足之处是其打磨速度慢，打磨列车须在钢轨上来回行走多次才能把轨头断面修复到 规定要求，另外这种打磨设备打磨钢轨时喷出的火星增加了引发火灾的可能性，如果 高速旋转的砂轮破裂，还可能伤及作业人员或损坏设备。 1 9 7 0 年澳大利亚西部铁路打磨公司为了降低轮轨侧磨采用了预防性打磨策吲8 1 。 线路新轨安装后上下股滚动圆半径r 1 、r 2 相差不多，在小半径曲线上，导向性不足， 为了使钢轨在曲线段具有良好的导向作用，采用非对称轨头打磨方式增大外轨滚动圆 半径r 2 ，减小内轨滚动圆半径r 1 ( 图卜2 ) 。通过加大滚动圆半径差，增强了车辆通 过小半径曲线时的自导向能力，减轻了轮缘与钢轨侧面的摩擦冲击，最终实现了控制 侧磨的目的。通过对钢轨打磨前后测量结果发现，在半径1 2 2 0 m 、半径9 1 5 m 和半径 7 6 4 m 的曲线上，轮缘力分别减少了8 7 、8 9 和5 1 【8 】。 加拿大国家研究委员会( n r c ) 于1 9 9 1 年提出了8 个钢轨打磨的模板，应用在 华盛顿重载铁路中较高磨损和塑性流动的钢轨上【9 ，1 q ( 图卜3 ) ，平均每个模板的间步 差 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 a ) 打磨前b ) 打磨后 图1 2 增大滚动圆半径差的轨头非对称打 大约为0 5 m m 。其中t t 形面是直线钢轨打磨的模板，h 卜h 4 是曲线上股钢轨打磨模 板，l 1 一l 3 是曲线下股钢轨打磨模板。这些模板使得打磨后的钢轨曲线具有较好的列 车通过性能，较小的金属打磨量，同时增加了钢轨的打磨效率和钢轨的使用寿命。 在欧洲，各大铁路公司从1 9 9 5 年开始采用l i l l s i n g e r 铣削工艺用以去除钢轨表面 缺陷【1 1 】。2 0 0 0 年以后，固定式l i n s i n g e r 铣削工艺也取得了较大成功，这种复杂工艺 可铣削包括、轨头裂纹、轨头破碎、焊缝、轮子滑伤痕迹( 重载行驶时产生的磨损) 、 凹陷、剥层以及新轨道轧制氧化皮等各种轨道表面缺陷。整形后的轨道表面具有较高 的轮廓精度和表面粗糙度，目前这种铣削工艺正在被越来越多的铁路公司采用。 1 9 9 9 年，加拿大太平洋西北铁路( p n w ) 针对自己线路上的病害，开始实施一种 称之为预防性的渐进打磨策略方案地1 ( 图卜4 ) 。此方案在执行中通过三个阶段来完成， 在第一阶段中，实施卜3 次的打磨得到目标钢轨轮廓。第二阶段中再进行3 次打磨， 目的是逐渐阻止裂纹的扩展。在最后再通过3 次打磨，去掉不活跃的裂纹，从而得到 干净的表面。在直线和大半径曲线上，整个过程需要进行3 次循环，而在小半径曲线 上则需要进行9 次打磨。 焉：= 弋、 强印譬瀚h 蝴 、 妊蜘辩 嬲；严鐾_ 誉笋逮氯 ；2 嚣“o 茹_ 。“。- ：二盆乏：笔誊觏 -事轴麓、譬。 鼬嘲嘲翻懒翻赫虹、 图卜3p n w 提出的8 个钢轨打磨图卜4 预防渐进性打磨策略模板 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 2 国内现状 国内对钢轨整形技术的研究虽然起步较晚，整形技术也仅限于理论阶段，但是很 多专家、学者和一些铁路公司也做了很多的探讨，开展了一些大胆的尝试工作。 龚积球，谭立成，俞铁峰对轮轨的磨损形成机理作了详细分析，书中对钢轨病害 如剥离、波磨、压溃等伤损作了详细的介绍，第一次把国外钢轨打磨策略方法介绍到 了国内，并结合国内某些线路客货混跑的特征，提出了安定实验法来判断钢轨磨损的 指导原则，对我国研究钢轨伤损具有里程碑的指导意义【1 3 1 。 西南交通大学摩擦学研究所刘启跃、张波、周仲荣等研究小组对国内多条线路钢 轨伤损从摩擦学机理角度给予了理论指导意见，并对现场钢轨伤损病害实际问题修复 方法提出了改进措施【1 4 1 。 1 9 8 4 年4 月上海铁路局对由铁鞋和车轮摩擦挤压而产生的钢轨飞边病害成功研制 了n b 1 型钢轨刨边机，并1 2 月通过了南京分局的技术鉴定【1 5 1 。 刘启跃对重载线路( 石太线、丰沙线) 曲线段因轨侧侧磨而导致钢轨损坏报废更 换的问题发表了减缓曲线钢轨侧磨方法探讨【l6 】，对钢轨侧磨成因、钢轨侧磨预防、 钢轨侧磨处理提出了采用非对称轨头形面预防性打磨方法。 华东交通大学雷晓燕【1 刁对国外广泛采用的两类钢轨打磨方法( 表面打磨和外形打 磨) 作了介绍，对两种钢轨打磨方法的原理和适用场合作了详细的归纳总结，指出表 面打磨方法是钢轨表面形成缺陷( 波磨、轨头塌陷、剥离) 后清除钢轨表面己有缺陷 的一种常用修复性方法；外形打磨则是在钢轨形成缺陷前根据轮轨受力关系提前将轨 头打磨成目标形状来达到控制钢轨伤损的形成和发展为目的的一种打磨方法。 南宁铁路局于2 0 0 9 年研制了g f q 1 0 0 等离子钢轨飞边自动切割机，并经南宁铁 路局科学技术委员会鉴定通过。经铁路局管内使用，具有切割效率高、质量好的特点。 西南交通大学杜海若、杨坤怡教授对目前铁路钢轨存在的飞边病害提出了采用电 熔爆技术来处理这一研究工作进行了探讨【1 8 l 。 金学松，杜星等对国外钢轨整形成本的数学经济性模型的不足，提出了加入打磨 设备折1 日费用的综合经济学数学模型1 1 9 1 ，对我国钢轨预防性打磨的成本预测起到了很 好的指导作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 本论文研究工作 我国既有铁路线路在长时间的轮轨关系作用下，产生了诸多伤损病害现象，如前 面1 1 和1 2 节中提到的波磨、压溃、侧磨、飞边等。这些病害对铁路行车安全造成了 极大影响，时刻威胁着列车安全运行。特别是这些病害出现在高速铁路时，安全隐患 更大。国内目前对钢轨整形的研究大多停留在理论阶段，线路上运营的整形设备几乎 都是进口设备，本论文从整形设备对钢轨铣磨时铣磨参数的选择角度入手，采用 b p g a 相结合的优化方法，对国内未来研发自主知识产权的整形设备提供一手基础数 据。论文主要做的工作如下： ( 1 ) 第二章详细阐述高锰钢的切削加工特性，对我国铁路线路上广泛使用的高锰钢 u 7 1 从物理和化学性质为出发角度，讨论了切削高锰钢时应选择的刀具材料、刀具 几何角度，对影响切削的三要素( 切削速度、吃刀量和进给量) 做了分析研究，为第 三章刀具寿命实验作基础。 ( 2 ) 第三章对高锰钢铣削刀具寿命作试验，结合正交实验方法对数据进行回归分 析，得出了高锰钢铣削时的刀具寿命公式，此刀具寿命公式为后续章节优化切削用量 时的约束条件提供了重要的指导方程。 ( 3 ) 第四章介绍了高锰钢铣削用量优化的数学模型，确定了最大生产率的优化目 标函数，考虑到现场钢轨整形设备的特殊性( 动力装置、刀具等) 建立了约束条件， 明确了优化量、优化目标和约束条件。 ( 4 ) 第五章对第四章建立的优化模型应用b p 神经网络和遗传算法对过程进行优 化，确立了输入层、隐层、输出层的1 1 e t 模型，对隐层传递函数采用了s 型传递函数， 通过切削参数样本训练神经网络模型，对训练好的模型采用了二次样本检验，表明建 立的模型符合实际优化模型，最后对遗传算法得出的优化量在b p 神经网络中检验后发 现，二者优化结果差别仅为o 7 7 3 ，说明建立的优化模型和优化算法对切削效率的 提高有很大的实际指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章高锰钢切削加工性研究 高锰钢( u 7 1 m n ) 属于十分典型的难加工材料，其切削加工性很差，相对切削加 工性墨约为o 2 o 4 【2 0 l 。切削时塑形变形大，加工硬化十分严重。单位切削力增大， 从而使单位切削功率增大。这意味着单位时间内产生的热量增多，高锰钢本身导热性 能差，致使切削区温度高达1 0 0 0 以上，刀具磨损严重，刀具寿命降低，是切削性能 极差的金属材料之一 2 1 高锰钢材料特性 2 1 1 高锰钢的物理化学性质 高锰钢就是锰的质量分数为1 1 1 4 的合金钢，主要分为高碳高锰耐磨钢和中碳 高锰无磁钢两大类。高锰钢的原始硬度和屈服强度不高，但其抗拉强度较高，塑形很 大，韧性也较高。在经受塑性变形后，其奥氏体组织容易转变为细晶粒的马氏体组织， 致使加工硬化特别严重。高锰钢的化学和物理性能如下【2 1 1 。 表2 1 高锰钢的化学成分 2 1 2 高锰钢的切削加工特点 材料的切削加工性是指材料被加工成合格零件的难易程度。一种材料的加工难易 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 程度，还要视具体的加工要求和切削条件而定。是刀具与工件材料搭配在一起的金属 切削性，而不仅仅指的是材料本身的性能。影响切削加工性的首要因素是工件材料的 硬度，其次是金相组织，再次是工件材料的热导率、韧性和塑性，他们一起可作为综 合评定材料切削性能的指标。 材料的切削性能通常用相对加工性厨分级法进行评定，即以4 5 钢的6 0 m 证寿命 的切削速度d 作为基准，把其它材料的1 ，砷与之相比，这个墨值称为相对加工性2 。 高锰钢的相对切削加工性墨约为o 2 0 4 ，高锰钢的切削加工性还会受到加工方式、 零件尺寸大小、加工设备、切削用量、热处理状态等的影响。 从表2 1 ，表2 2 的化学性能和力学物理性能可以看出，高锰钢是一种很难切削 的材料，切削性能很差，具体表现有以下几个方面： ( 1 ) 加工硬化：加工硬化是高锰钢的重要特征。高锰钢的原始硬度并不是很高，仅 为1 7 0 一2 2 0 h b ，切削过程中，单相奥氏体组织转变为马氏体组织，在形变层内表现出 强烈的冷作硬化现象，变形层的硬度可达5 0 0 一5 0 0 h b ，硬化层深度达1 0 2 0 皿【2 2 1 。 加工硬化使高锰钢表面具有很强的耐磨性，致使切削功率增大，切削温度升高，刀具 磨损加快。 ( 2 ) 应力集中：根据大连交通大学高锰钢辙叉研究小组实验得知：在低速范围内， 涂层硬质合金刀具切削高锰钢时，切削为特别大。刀具前刀面的平均应力= 1 1 0 0 m p a ， 大约是切削普通4 5 钢的3 5 倍t 2 3 】。刀尖附近极小区域内形成的应力集中，使刀具切削 条件恶化，刀具磨损严重，刀具寿命降低。 ( 3 ) 切削温度高：切削高锰钢时加工硬化现象严重，致使切削时的切削功率很大， 切削时产生的的热量多，而高锰钢导热性能比碳钢、不锈钢等都低很多，仅是碳钢的 1 4 左右，这就造成切削区温度很高，。刀具磨损严重，刀具耐用度大大降低，所允许 的切削速度不高。 ( 4 ) 融熔粘着或高压粘着：高锰钢切削加工中，由于高温高压的作用，在刀具和切 屑之间很容易产生融熔粘着或高压粘着，形成积屑瘤和磷刺，对已加工表面的质量不 宜保证。 较之特种加工方法( 加热、振动、电化学、激光、电容爆) ，虽然常规切削工艺加 工高锰钢比较困难，但是成本低廉。鉴于这些情况，本论文尽可能通过改善切削条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 优化切削参数) ，采用传统切削方式来实现高锰钢快速高效的切削目的。 2 2 高锰钢切削刀具材料和刀具几何角度 2 2 1 高锰钢切削的刀具材料 金属切削加工中，刀具材料切削性能的好坏直接影响着生产效率、工件表面加工 精度和粗糙度，刀具材料选择的正确与否很大程度上决定了刀具耐用度寿命。刀具材 料的合理选择是设计刀具的第一步骤，刀具材料的发展在一定程度上推动着金属切削 加工的进步，同时也是切削加工重要的风向标。对于如高锰钢此类的难加工材料的切 削，刀具材料选择的正确与否显得更加重要。 刀具材料的选择有一定的原则可以参考( 图2 1 ) 【2 4 】。不同工况，不同条件下刀 具材料的选择还要具体情况具体考虑，另外刀具材料的经济性也是一个重要的考虑因 素。 图2 1 刀具特性和刀具切削性能关系 随着难加工材料的发展和刀具技术的进步，国内外出现了新型陶瓷( s i 3 n 4 ，s i c ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 立方氮化硼( c m d 等新的刀具材料，与传统刀具材料相比，新刀具材料较传统刀具切 削效率有很大的提高，但价格昂贵，在我国应用还不是很广泛。因此，本论文中针对 高锰钢的切削实验中刀具材料的选择仍然选择涂层硬质合金刀具。 根据2 1 节所述高锰钢材料切削加工特性，选择涂层硬质合金刀具时，需考虑如 下问题； ( 1 ) 切削加工u 7 l 高锰钢的刀片材料须具有足够的的强度和韧性、耐磨性、导 热性。另外经济性也是评价刀具材料的重要指标之一，刀具成本是影响产品成本的主 要因素之一。 ( 2 ) 传统的切削加工工艺( 车削、铣削) 中，铣削加工特点和车削加工特点不同， 铣削加工的特征嘲是每一个刀齿的断续切削( 车削是连续切削) ，刀齿切入工件的瞬 间承受极大的冲击载荷，切出时载荷瞬间消失，单位时间内多次交变重复使刀具刀片 产生重复交变的热膨胀应力，容易使刀具产生热疲劳和机械疲劳，所以在选择硬质涂 层合金刀具材料时，刀具的抗疲劳强度6 1 是本论文选择刀具材料的重要考虑因素之 一 2 2 2 高锰钢切削的刀具几何角度 从高锰钢材料特性和切削加工性可知，如何克服高锰钢加工硬化现象和解决导热 性差的问题时高锰钢切削实验中的难点和关键点所在，2 2 1 节对切削高锰钢的刀具材 料作了探讨，本节从刀具的几何角度出发考虑一些刀具设计时需要留意的要点【2 6 】。 ( 1 ) 前角：针对高锰钢材料的特性，应选用较小的切削前角，以增强切削刃强度和 散热体积。但因u 7 1 m n 高锰钢韧性好、切削塑性变形大，加工硬化严重，为降低塑 性变形、切削力和切削温度，刀具前角不宜选得过小，一般硬质合金刀具取 y o = 一5 0 一8 0 。 ( 2 ) 后角：为了减小后面的摩擦与磨损，减轻已加工表面的加工硬化，刀具的后角 宜选用较大值，但也不能太大，以免消弱切削刃强度，引起崩刃，一般可取口0 = 6 0 一1 3 0 。 ( 3 ) 主偏角和副偏角：为了改善散热条件和增加刀刃强度，主偏角和副偏角均应选 用较小值，一般取七，= 4 5 0 ，七，= 1 0 0 一2 0 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 ( 4 ) 刃倾角：切削高锰钢时，对刀尖强度要求较高，为了使刀片切削轻快，保持切 入工件的锐利性，一般取允。= 0 0 一一1 5 0 。 本论文针对钢轨用高锰钢切削加工的特殊性，采用干切削( 不加切削液) 的铣削 加工方式。在铣削加工形式中，逆铣因切削开始时刀刃不能马上切入金属而产生滑擦、 挤压现象，这一现象使加工硬化更加突出，并且伴随着周期性振动，影响刀具寿命和 表面粗糙度。相反顺铣方式，可以减轻加工硬化现象，改善工件表面质量，并能提高 铣刀寿命。 。 2 3 高锰钢切削切削力和切削温度 2 3 1 高锰钢切削的切削力 在切削过程中，切削力直接影响着切削热的产生，并进一步影响着刀具磨损、耐 用度、加工精度和加工表面质量。切削力也是表示材料切削加工性的重要指标。在生 产中，切削力又是计算切肖i j 功率，设计和使用机床、刀具、夹具和工艺系统不可缺少 的依据。因此，研究切削力的规律和影响切削力的因素，通过实验建立切削力的经验 公式，将有助于分析切削工程出现的一些现象，对生产实际有着重要的指导意义。 高锰钢铣削时铣削力主要来自之两个方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层 金属的的弹性变形和塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面件的摩擦力。 现在计算铣削力的方法普遍采用威林曼恩( w e i l e i 姗锄) 所提供的方法，好处是端铣、 周铣公式致，数据精确。不论是端铣还是周铣，作用在铣刀上的力可归纳为切向力 只，径向力r ，和轴向力岛，空间力系组成的合力尺又可根据功能分解为走刀抗力 尼，垂直铣削力r ，以及轴向力而，其计算公式如下【2 7 】： 吒= 丘s i n a + e c o s 9 ( 2 一1 ) e = e c o s 8 一c s i n p ( 2 2 ) 其中e 是切入角。 由于影响铣削力的因素很多，关系十分复杂，过去已有的切削力计算公式，大部 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 分是按“单因素孤立变化”的方法确定的，未反映出各元素之间的相互影响。影响铣 削力的主要因素是铣削深度、进给量和铣削速度。利用多元正交回归法和最小二乘法 原理得出的铣削力的经验公式【2 8 】： e = 3 9 3 17 2 7 口口o 。9 3 9 0 厂0 4 8 2 7 v _ o 1 2 3 9 ( 2 3 ) 其中口。是端铣时的吃刀量，周铣是相当于侧吃刀量嘭。由此经验公式计算出的值与 实测值误差平均值小于2 8 5 ，计算结果和实测值比较相符，铣削力与进给量口。、进 给速度 铣削速度v 的关系如图2 2 2 3 ，2 4 所示。 切削速度与主切削力关系曲线图 、 ；! ； ；、 一 。f ! 图2 2 切削速度对主切削力的影响( 劬= 2 n u n ；户0 4 1 1 1 l 刚r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 4 3 。0 z k 和 泣 蚕 2 1 5 0 进给量与主切削力关系越线图 _ 。7 。 。 乒 1d 1 50 20 2 50 30 3 50 40 4 50 50 5 50 6 进给量f ( m m ，0 图2 3 进给量对主切削力的影响( = 2 m m ；萨4 0 州m i n ) 4 5 0 4 0 0 3 卯 3 0 0 z r2 5 0 采 望2 0 0 器 1 5 0 1 0 0 5 d o 切削深度与主切削力关系曲线图 - 么 7 j j ， 0 511 522 53 切削深度a p ( m m ) 图2 4 切削深度对主切削力的影响( 户0 4 咖州r ；v ：4 0 州m i n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 高锰钢切削的切削温度 金属切削过程中，能量主要消耗在切削层变为切屑所需的剪切上和刀具与切屑、 工件加工表面的摩擦上，所消耗的能量大部分转换成热能，这将引起切屑、刀具和工 件温度的升高。通常所说的切削温度，是指刀具前面与切屑接触区的平均温度，由于 切削温度影响刀具的磨损和寿命，切削温度的变化影响了前刀面上的摩擦系数和变形 系数，甚至影响材料的切削性能，工件的加工精度和表面质量，因此了解切削温度的 变化规律对切削刀具的寿命有很大的意义。 利用最小二乘法对曲线回归，得出切削高锰钢切削温度日经验公式陋j ： 日：2 7 5 4 8 4 7 口。o 0 3 7 6 厂0 。0 1 0 9 7 v 0 2 姗 ( 2 4 ) ， 。 由此经验公式计算出的值与实测值误差平均度小于o 6 3 ，结果表明计算结果和 实测值比较相符。 在切削高锰钢时，切削速度对切削温度有非常显著的影响，在其余参数不变的情 况下，由公式( 2 - 4 ) 可得出切削速度对切削温度的关系曲线图( 图2 5 ) ，实验证明： 随着切削速度的升高，切削温度明显上升，从图2 5 可以看出这一过程是一个非 线性过程，当切削速度处于低速范围内时，切削温度随切削速度的升高爬升非常快， 此时克服工件剪切变形而消耗的变形能大部分迅速转化为热能，并通过切屑、工件和 刀具向外传播，由于高锰钢切削采用干切削的切削方式，依靠介质( 空气、切削液) 传播的热量不足2 ，大部分热量无法通过介质向外传播出去，从而积聚在刀具前刀 面上，切削温度上升迅速。随着切削速度的继续上升，切削温度上升变缓，热量开始 向切屑内部传递，随着切屑的掉落，切削热也跟着传递出去，从而切削温度上升有所 减缓。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 p 趔 赠 啦 器 切削速度与切削温度关系曲线图 二i ：妻簿_ ： - 一一_ 一一j - ，一一一- 一一一j 一 彤l 。一。一r 。、+ 一一 二羞二墨二量i i 。一一一+ 。r 一一一一。、一一一 一一一+ 一。r 一一。一。一一。1 一一 i ； 一一- 。- 一一- 一_ _ 一 图2 5 切削速度对切削温度的影响( = 2 m m ；户o 4 m 州r ) 进给量的增加一方面增大了切削功率，使切削热增多，切削温度升高，另一方面 刀具与工件的接触面积增大，切屑和刀具带走的热量也增多。综合作用的效果使得切 削温度的上升并不是特别显著，相比切削速度对切削温度的影响小的多。这也可以从 图2 6 看出，一般情况下，当切削速度提高1 倍左右时，切削温度约增加2 0 左右， 而当进给量增大1 倍时，切削温度仅约升高8 左右。 p 高 醚 赠 襄 墨 进给量与切削温度的关系 ， 一r ，j ， 。7 一 进给量f ( m m ，f ) 图2 6 进给量对切削温度的影响( 哆广2 m m ：v - 4 0 删，m i n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 与切削速度和迸给量相比较，切削深度对切削温度的影响最小，随着切削深度的 增大，切削热增多，刀具和工件接触面积也相应增大、切削热的生成不足以抵消切削 热的散发，从图2 7 中可以看出他们的关系曲线非常平缓，近似于一条小斜率直线。 咖 7 5 0 7 0 0 6 5 0 p 簧6 0 0 口旺 器5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 切削深度与切削温度关系曲线圉 ，? 11 522 53 切削深度a p ( m m ) 图2 7 切削深度对切削温度的影响( 户0 4 m m r ；v = 4 0 m ，m i n ) 另外，工件材料和刀具几何参数对切削温度也有不同程度的影响。工件材料强度 和硬度愈高，切削力愈大，产生的热量多，切削温度自然也高；一般刀具较大的前角、 较大的后角和较大的主偏角有利于切削温度降低，但是高锰钢的切削性能决定了前角、 后角、主偏角又不能太小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章：高锰钢铣削刀具寿命试验 英国人r o b e r t h a d f i e l d 于1 8 8 2 年在实验室发明了高锰钢【3 0 1 ，以前认为高锰钢是 不可加工材料，一般只用于铸件。随着社会的发展，某些机械( 矿山机械、工程机械 等) 的某些部件需要承受反复的冲击载荷，高锰钢的加工硬化特性符合了这样的要求， 国内外学者开始致力于这方面的研究，寻找高效率的加工方法。一种从传统普通切削 方面入手优化加工参数，另一种从特殊加工方面考虑。基于实验条件的限制和特殊加 工方法的成本，本试验是建立在传统切削加工基础上的刀具寿命实验，试验中的对高 锰钢材料进行试验，结合正交实验原理并对实验数据作回归分析，从而推导出刀具寿 命的数学经验方程。 3 1 正交实验的特点 正交实验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，最先由日本质量管理专家田 口玄一提出，后经各国工程师和科学家使用，逐渐成为国际标准型正交实验方法，在 化工、农业、电子、机械等行业得到了广泛的应用。正交实验是从全面实验中挑选出 具有代表性的点进行实验，这些点虽然对全部实验只是一部分，但是对于任何因素都 具备了“均匀分散，齐整可比 的特点，能够全面地反映出选取内的基本情况，是一 种高效、快速、经济的实验方法。 正交实验方法的基本步骤如下【3 1 】： ( 1 ) 确定实验目的和评价指标 ( 2 ) 确定实验因素和水平数 ( 3 ) 选用合适的正交表，并对表头部分进行设计 ( 4 ) 进行实验，组织方案实施，褥到结果 ( 5 ) 对实验结果进行统计分析 选用正交实验因素时，对试验结果可能有较大影响的因素尽量不要漏掉。一般来 说，由于实验因素水平序偶的正交性和均匀性，多数情况下适当的增加1 、2 个因素并 不会增加实验次数。除了事先能确定作用很小的因素不安排正交外，一般倾向于多考 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 察一些因素，尽量使它们各因素之间的搭配全部出现，这种均衡搭配可以提高试验精 度。 设计正交表时要考虑到正交表的总自由度大于等于全部因素和他们相互交互的自 由度之和，必须考虑不应使主效应与不可忽略的交互作用混杂，把多因素问题转化为 单因素问题进行处理，这是正交设计的关键所在。 利用正交实验正交性这一特点，运用数理统计中回归分析中最小二乘法原理，对 实验数据进行回归推导，得出经验公式。 3 2 高锰钢铣削刀具寿命试验设计 3 2 1 泰勒公式 刀具寿命是指新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间，刀具寿 命是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要 的一个综合性指标。 美国工程师泰勒花了2 6 年时间，在切削了万吨钢铁后，对不同工况下切削用量进 行了大量的研究，最后得出了泰勒经验公式( 3 1 ) 【3 2 】。此公式虽用碳素工具钢刀具 实验求得，但经后来无数科研工作人员的实验证明，它同样适合硬质合金刀具、陶瓷 和其他系列的新型刀具。对于不同的刀具材料，切削时都存在一个最佳切削速度范围， 当然，还与切削用量和切削时间有关，生产实践中，选用切削速度时还要根据具体情 况决定。这也是本论文安排刀具切削高锰钢实验的意义之一。 ，1 丁= t * ( 3 1 ) v 肘厂”口p p 公式中m 、n 、p 是刀具系数，不同的刀具材料切削不同的工件时，所取数值都不 一样，具体可由相关工具书查得。 由泰勒公式得知：刀具寿命与切削速度、进给量、吃刀量有关。其中切削速度对 刀具寿命影响最大，然后是进给量，吃刀量影响最小，这与它们对切削温度的影响是 一致的。通过确定系数c 而最终确定出刀具寿命和切削用量之间的数量关系是本试验 的目的所在。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 2 2 寿命试验条件 试验在6 1 3 2 a 铣床上进行，铣床最大切削速度见表3 一l ，刀具参数见表3 2 。 表3 1 铣床参数和铣削方式 表3 - 2 刀具参数 3 2 3 刀具寿命经验公式 式3 一l 刀具寿命的泰勒公式是实验公式，在实验速度范围内使用时正确的，超出 实验范围使用时表现出一定的局限性。实际上影响刀具寿命最大的切削速度1 ，对刀具 寿命t 的影响是比较复杂的。在较高的切削速度和较低的切削速度时l v 二者的关系 曲线变化很大，表现出了很强的驼峰性。 由于泰勒公式的局限性，推导出符合实际生产的硬质刀具切削高锰钢时的刀具寿 命公式具有了很大意义。我们利用3 1 节中正交实验的方法，以切削深度唧、进给量 切削速度v 、切削时间r 为可控因素，各取三个水平，因此选用l 9 ( 3 4 ) 正交表，结合 最小二乘法原理，由实验数据，推导出刀具寿命经验公式。各试验因素取值见表3 3 ， 正交实验结果见表3 _ 4 。 表3 3 实验因素取值表 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表3 4 正交实验结果 根据金属切削原理【3 3 1 ，刀具寿命t 与切削用量呈指数关系，可以近似用下面公式 表示： r = 锄6 1 2 口p 6 3 ( 3 2 ) 其中c ，6 j ，6 2 ，6 3 ，w 分别为常数系数( 与刀具，工件材料有关系) ，具体是： 6 卜主轴转速对刀具寿命的影响指数； 卯一进给速度对刀具寿命的影响指数； 一切削深度对刀具寿命的影响指数； w 一切削宽度对刀具寿命的影响指数： 公式两边取对数，得出下列线性方程： l nr = l i lc + 6 ll i l 咒+ 6 2h l v ，+ 6 3h l 口，+ 6 4l n 巳 ( 3 3 ) 设乃= 1 1 1 丁，五= 1 n 刀，而= 1 1 1 吁，而= l i l 吼，毛= l n q ，6 0 = 1 1 1 c 带入变换后得到回归方程的通用形式： y = 6 0 + 6lx l + 6 2 x 2 十6 3 x 3 + 6 4 x 4 ( 3 4 ) 建立寿命的多元回归方程组： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 舅= 风+ 屈西l + 展五2 + 尾而3 + 风墨4 + g l 儿= 风+ 屈屯l + 皮嘞+ 风而3 + 成h + 2 乃= 风+ 屈而l + 展嘞+ 岛而3 + 风嘞+ 岛 ( 3 5 ) 其中毛为试验随机变量误差，方程组用矩阵表示为： y = x p + y = 乃 耽 弘 ：x = 1 五l玉2五3 而4 1 屯l 砀砀砀 1 而l 嘞嘞嘞 卢= 侈。 展 卢。 g l 2 岛 采用最小二乘法，设，6 l ，如，玩分别为参数尾，岛，仍，岛，见的最小二 乘估计，则回归方程为： 夕= 6 0 + 6 l 而+ 6 2 砭+ 6 屯+ 么 ( 3 6 ) 其中夕为统计量，6 0 ，6 l ，6 2 ，6 3 ，6 4 为回归系数，则 6 = ( 舰) 以z y ( 3 7 ) 根据表3 4 的试验数据，用分析软件m a t l a b 对试验结果进行多元线性回归分 析，通过最小二乘法原理对参数6 0 ，6 l ，6 2 ，6 3 ，钆进行估计，得到高锰钢铣削刀具 寿命丁和主轴转速刀，进给速度0 ，切削深度绵，切削宽度q 之间的回归模型方程。 卜蔫簪 8 ， 一开 一酬 3 2 4 铣削用量对刀具寿命的影响程度 为了更直观的表示出刀具寿命丁和切削用量的数量关系，我们从公式( 3 8 ) 在 m a t l a b 中用p 1 0 t 函数绘出寿命t 和其中某一个参数的关系曲线图。如下图3 4 ，3 5 ， 3 6 ，3 7 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 刀具寿命与转速关系图 图3 4 刀具寿命与主轴转速关系曲线( v = 1 0 0 ，吻2 3 ，口e 2 5 ) 一 刀具寿命与进给速度关系由线图 进给速度饥m m ，m i n ) 图3 5 刀具寿命与进给速度关系曲线( 胛= 2 0 0 ，唧2 3 ，砚2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 刀具寿命与切削深度关系曲线图 切削深度a p ( m m ) 图3 6 刀具寿命与切削深度关系曲线( 刀= 2 0 0 ，v = 1 0 0 ，口。= 5 ) 刀具寿命与切削宽度关系曲线图 切削深度a e ( m m ) 图3 7 刀具寿命与切削宽度关系曲线( = 2 0 0 ，v 2 1 0 0 ，旷3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第4 章：高锰钢铣削用量优化模型的研究 优化设计理论和方法在6 0 年代后期开始应用于工程设计，7 0 年代中期我国科学 家开始对优化理论进行系统的研究。经过3 0 多年研究和实践，使工程设计方法发生了 根本性质的改变，借助于有限元和计算机辅助系统c a d ，使优化理论的发展前景大大 得到了增强。 4 1 优化设计理论概述 优化设计理论以数学规划为理论基础，以当代电子计算机为工具手段，在满足设 计约束的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计。优化设计方法的中心思想是针对不 同的实际问题设计构造不同的数学模型，用数学