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鈦合金插銑過程刀具切削性能
閱讀：430 發布時間：2013-4-16鈦合金由于具有比強度高、熱強性好、耐腐蝕、資源豐富等一系列優點，在航空、航天、航海以及其他工業部門中得到了越來越廣泛的使用。但是由于其導熱系數小、化學活性大、切削變形系數小等原因，鈦合金成為一種難加工材料。插銑法又稱Z軸銑削法，切削效率比一般銑削高4～5倍，尤其在難切削材料的大去除率方面有優勢，是實現高切除率金屬切削zui有效的加工方法之一。插銑實物如圖1所示。
天津大學對鋁合金、鈦合金插銑過程的切削力進行了測量與分析，應用回歸法建立了3個方向切削力的指數經驗公式，并對鈦合金插銑過程切削力的數學建模進行了研究，發現單齒和多齒仿真結果與試驗結果比較吻合。Jeong Hoon Ko等分析了插銑加工過程的動態特性與穩定性，建立了一個基于刀具快速運動的切削力模型，該仿真模型可以根據刀具的切削誤差和時間變量參數對切削力、扭矩、振動進行預測。
Shunsuke Wakaoka等對鈦合金插銑過程中的加工精度、熱硬性及加工效率方面進行了研究。這為深入研究鈦合金插銑的特點提供了重要參考。本課題以插銑鈦合金（Ti-6Al-4V）時使用的數控銑刀為研究對象，以模糊綜合評價理論為基礎，通過試驗對刀具性能進行評價。
評價對象性能指標
綜合評價也稱多目標決策，指對受多種因素影響的事物或現象進行總的評價。若這種評價過程涉及模糊因素，則稱為模糊綜合評價。模糊綜合評價應用模糊數學方法，對受多種因素影響的對象和事物進行總的評價，從而達到對模糊概念的多方案和在多種評價標準下的優化目的。影響刀具優劣的因素很復雜，各因素之間相互影響，很難用某個因素單獨評價刀具的好壞，因此這個問題適合應用模糊綜合評價。
1 評價對象
在切削力、切削熱、磨損和振動的試驗數據中選取具有代表性的試驗數據作為插銑刀切削加工性能評價的性能指標。本課題對4種不同生產廠商提供的某型號可轉位硬質合金刀片的切削性能進行對比研究。刀具幾何參數如表1所示。
2 切削力
切削力的大小決定了切削加工過程中的功率和加工工藝系統變形的大小，并直接影響切削熱的產生，使刀具變鈍而失去切削能力。因此，切削力的大小可以作為衡量刀具切削性能的標志之一。從4種刀片的試驗數據中選取的切削參數包括：切削速度vc為 35m/min、 45m/min、55m/min，每齒進給fz為0.04mm，切削寬度ae為8mm，切削深度ap為10mm，分析主方向的切削力即Z向力，如表2所示。
3 切削熱
切削熱是金屬切削過程中重要的物理現象之一。大量的切削熱使得切削區溫度升高，直接影響刀具的磨損，因此切削熱也是評價刀具優劣的重要因素。通過切削熱試驗，對4組刀片在不同條件下進行切削試驗，對比其產生的切削溫度，如表3所示。
4 振動
金屬切削過程中的振動常常會引起已加工表面粗糙度增加、零件精度降低、刀具磨損加劇、機床的極限加工能力受到限制以及工作環境受到噪音污染等問題。此外，振動也是實現加工過程自動化的一個嚴重障礙。因此，切削過程中刀具的振動大小是評價刀具切削性能的一個重要指標。通過切削試驗，對4種刀片的振動情況進行對比，結果如表4所示。從圖2振動主方向的幅值上可以得出，穩定性從好到差的順序為：刀片1、刀片2、刀片3、刀片4。
5 刀具磨損
刀具切削部分在切削過程中承受著很大的切削力和很高的切削溫度，同時還與切屑及加工表面產生強烈摩擦，這使刀具逐漸磨鈍失效。磨損可用來衡量刀具的切削加工性能，且是重要的因素之一。對4組刀具的切削試驗表明，刀具的主要磨損形式為粘結磨損和機械磨損，其中粘結磨損比較嚴重。
從圖3中可以看出，主切削刃靠近刀尖的前刀面部分積屑瘤很明顯；刀尖部分粘結比較嚴重；副切削刃靠近刀尖部分粘結磨損不嚴重；主切削刃后刀面有輕微粘結磨損。刀具磨損集中在主切削刃的前刀面和主切削刃與副切削刃的刀尖部分。通過掃描電鏡對4組刀片的磨損情況進行比較，其中刀片3的磨損zui少，刀片2的磨損zui嚴重，而刀片4和刀片1的磨損狀況相近。
刀具性能模糊綜合評價模型
模糊綜合評價從主要步驟上來講可分為兩大步：一是按單因素單獨評價，即一級模糊綜合評價；二是按所有因素綜合評價，即二級模糊綜合評價。通過一級模糊綜合評價得到切削力、切削熱、振動、磨損的單因素評價矩陣，歸一化處理后如下。
切削力：B1={0.341， 0.189， 0.102，0.368}；
切削熱：B2={0.418， 0.385， 0.180，0.017}；
振動：B3={0.458， 0.364， 0.178， 0}；
磨損：B4={0.238， 0.143， 0.381， 0.238}。
根據生產實際中刀具選擇情況的調查和統計作出判斷。刀具抗磨損性能的高低直接表現為刀具的耐用度，對刀具性能的影響zui大，切削熱、振動、切削力對刀具切削性能的影響程度依次遞減。各因素的權重分別為：切削力為0.1，切削熱為0.3，振動為0.2，磨損為0.4，即權重矩陣：
A= {0.1，0.3，0.2，0.4}。
二級綜合評價的評價矩陣為：
二級綜合評價的結果為：
二級綜合評價的結果表明，刀片 1的切削性能，刀片2和刀片3次之，刀片4較差。生產現場的使用證明上述評價是正確的，這與銑削試驗研究的模糊綜合評價結論一致。
結束語
本課題將切削力、切削熱、磨損和振動作為評價因素，對4組插銑銑刀的切削性能進行了模糊綜合評價。結果表明，具有刀片1幾何形狀和結構的刀片在鈦合金插銑過程中具有很好的切削性能。研究結果對生產實際中刀具性能的測定及刀具選擇具有一定的參考價值。