引言
鈦合金因比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、熱強(qiáng)度高等一系列優(yōu)異的性能，在航空航天、國防工業(yè)等高端裝備制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 [1] 。銑削是鈦合金結(jié)構(gòu)件加工中最常用的方法之一。但是，由于鈦合金切削過程溫度高、切削力大、刀具易磨損等，鈦合金的加工表面質(zhì)量很難控制 [2] 。探明鈦合金銑削加工表面形貌特征及其對切削參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，對實(shí)現(xiàn)鈦合金加工表面質(zhì)量調(diào)控和提升鈦合金結(jié)構(gòu)件服役性能具有重要理論和實(shí)踐意義。
銑削加工表面形貌的創(chuàng)成取決于多種因素，如切削參數(shù)、刀具材料、刀具磨損程度等，其中切削工藝參數(shù)的優(yōu)選是最直接和有效的方法 [3] 。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對TC4鈦合金銑削加工表面形貌及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了一系列的研究。文獻(xiàn)[4]對TC4鈦合金進(jìn)行了銑削加工，發(fā)現(xiàn)每齒進(jìn)給量 f 對表面粗糙度 R a 的影響最 大 ，最 優(yōu) 的 銑 削 參 數(shù) 組 合 為 ：銑 削 速 度v c =100 m/min ，徑 向 切 深 a e =4.3 mm ，每 齒 進(jìn) 給 量f z =0.02 mm/齒 ，軸向切深 a p =0.05 mm ，可獲得的表面粗糙度 R a =0.17 μm 。文獻(xiàn)[5]通過開展側(cè)銑實(shí)驗(yàn)，研究了不同切削速度 v c (48~108 m/min) 以及進(jìn)給量f (0.04~0.06 mm/r) 下的TC4鈦合金的表面粗糙度 R a 。
結(jié)果表明，在較高的切削速度和較低的進(jìn)給量下，表面粗糙度降低了20%以上。文獻(xiàn)[6]對TC4鈦合金進(jìn)行了不同切削速度 v c （30 mm/min和60 mm/min）和每齒進(jìn)給量 f z （0.01 mm/齒和 0.05 mm/齒）的銑削實(shí)驗(yàn)，并分析了銑削表面粗糙度 S a 的變化規(guī)律。結(jié)果表明，f z 對 S a 的影響大于 v c ，較低的切削速度和進(jìn)給速度可以獲得較低的表面粗糙度，即較高的表面質(zhì)量。
在切削工藝參數(shù)的優(yōu)化方法研究方面，文獻(xiàn)[7]基于遺傳算法以磨損量、表面粗糙度和材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，對AISI 1040鋼切削參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了最優(yōu)切削參數(shù)組合，預(yù)測誤差在2%以下。文獻(xiàn)[8]以銑削力和材料去除率為評價(jià)指標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法對TC4鈦合金加工參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得 到 了 最 優(yōu) 參 數(shù) 組 合 ： v c =120 m/min ， a e =1 mm ，f z =0.04 mm/z ， a p =10 mm 。文獻(xiàn)[9]以TC4鈦合金銑削力和材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，基于遺傳算法得到了加工參數(shù)的最優(yōu)解集。文獻(xiàn)[10]以銑削力、粗糙度、材料去除率建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用遺傳算法求解獲得了最優(yōu)銑削參數(shù)解集，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。
為實(shí)現(xiàn)面向側(cè)銑加工表面形貌的切削工藝參數(shù)優(yōu)選，本文主要開展TC4鈦合金側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)研究。
從銑削加工表面微觀缺陷、表面粗糙度隨切削參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律和基于遺傳算法的工藝參數(shù)優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行研究，為TC4鈦合金側(cè)銑加工實(shí)踐提供依據(jù)。
1、 TC4鈦合金側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)
試 驗(yàn) 材 料 為 TC4 鈦 合 金 鍛 坯 ，規(guī) 格 尺 寸 為30 mm×30 mm×5 mm 。材料微觀組織結(jié)構(gòu)和 EDS能譜如圖1所示。
圖1 TC4鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和EDS能譜
Fig.1 Microstructure and EDS spectrum of TC4 titanium alloy
圖中可以看出，TC4 鈦合金是 α+β 型雙相鈦合金， α 相為基體相呈灰暗色， β 相為強(qiáng)化相附著在基體上，呈亮白色。TC4鈦合金主要物理力學(xué)性能如表1所列。
側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)在型號為GJ SEIKO LM-6050的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。加工刀具選用直徑為50 mm的直角六齒可轉(zhuǎn)位銑刀，刀片選用Kennametal公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金 AlTiN（PVD）涂層刀片（APPT1135PESR-FSKC522M），其有效切削長度為11 mm?？紤]到干切削方式可以避免切削液阻力引起的排屑不暢，保證加工精度的同時(shí)，可解決鈦合金加工液冷成本高、污染環(huán)境等方面的問題。因此，實(shí)驗(yàn)加工方式選擇干式銑削。側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。
圖2 銑削實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖
Fig.2 Field diagram of milling experiment
采用S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡和基恩士形狀測量激光顯微系統(tǒng) VK-X260K觀測銑削后的表面形貌，測量三維表面粗糙度 S a 以及沿進(jìn)給方向的二維表面粗糙度 R a 。
采用三因素四水平 L 16 （4 3 ）正交實(shí)驗(yàn)方法開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)考察因素分別為主軸轉(zhuǎn)速 n 、徑向切深 a e 和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 f 。具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所列。
2 、結(jié)果與分析
2.1 加工表面缺陷
不同銑削條件下獲得的加工表面形貌圖及其對應(yīng)的三維高度云圖如圖3所示。
a） 編號P2
a） No. P2
b） 編號P7
b） No. P7
圖3 不同銑削參數(shù)下的表面形貌
Fig.3 Surface topographies under different milling parameters
從圖3可以看出，加工表面呈現(xiàn)均勻分布的棱線，這是銑刀和工件之間相對運(yùn)動所產(chǎn)生的進(jìn)給痕跡，相鄰進(jìn)給痕跡之間的距離由進(jìn)給速率決定。由于銑刀后角的影響，在相鄰的進(jìn)給痕跡之間產(chǎn)生了沿進(jìn)給方向的劃痕。進(jìn)給刀痕和表面劃痕可歸結(jié)為側(cè)銑加工表面固有缺陷，此類缺陷分布規(guī)律是由刀具幾何特征和刀具-工件相對運(yùn)動形成的。
此外，加工表面還觀察到黏附顆粒、隨機(jī)劃痕和微小裂紋等缺陷。黏附顆?？赡苁俏⑿〉那行蓟蛘呤菑牡毒呱厦撀涞挠操|(zhì)點(diǎn)等 [11] 。對銑削表面的黏附顆粒進(jìn)行能譜檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。圖4 a）發(fā)現(xiàn)其成分與TC4鈦合金基體材料基本相同?？梢酝茢?，黏附顆粒主要是在側(cè)銑過程中高溫的微切屑黏附到表面而形成。表面上還存在一些隨機(jī)方向的劃痕，這是從銑刀上剝落的硬質(zhì)點(diǎn)、積屑瘤或者切屑在銑削表面滑擦產(chǎn)生 [12-13] 。圖4 b）中，劃痕的能譜分析結(jié)果與TC4鈦合金的基體材料基本相同?？梢酝茢?，隨機(jī)無定向劃痕是由積屑瘤或碎屑在刀具和工件之間的接觸面滑擦形成。此外，在干式銑削的條件下，由于加工區(qū)域中存在較高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，銑削表面便產(chǎn)生了微小裂紋 [14] 。
a） 黏附顆粒
a） adhesive particle
b） 劃痕
b） scratch
圖4 側(cè)銑表面缺陷的EDS能譜
Fig.4 EDS spectrum of surface defects in peripheral milling
2.2 銑削表面粗糙度
不同銑削工藝條件下，加工表面粗糙度 R a 和 S a 隨切削工藝參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律如圖5所示。
圖5 不同銑削參數(shù)對表面粗糙度 R a 和 S a 的影響
Fig.5 Effect of different milling parameters on surface roughness R a and S a
圖5 a）中，表面粗糙度 R a 的值隨著主軸轉(zhuǎn)速 n 從400 r/min 增加到 900 r/min 而減小，并在 n=900 r/min時(shí)達(dá)到最小值（ R a =0.944 μm ）。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過900 r/min 時(shí)，表面粗糙度呈上升趨勢。主軸速度的增加意味著材料變形率的增加，這將導(dǎo)致在銑削過程中產(chǎn)生更多的熱量。銑刀和工件接觸表面之間的熱量積累會軟化TC4鈦合金材料，材料的塑性流動使得銑削后的表面粗糙度有所降低 [15] 。但當(dāng)主軸速度繼續(xù)增加時(shí)，刀具與工件接觸表面上積聚的熱量將難以快速消散，導(dǎo)致切屑與銑刀、加工表面間的黏附力增加，從而增加了銑削力 [16] 。此外，在較高的主軸轉(zhuǎn)速下，應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化對銑削力的影響大于熱軟化，這也導(dǎo)致銑削力呈上升趨勢 [17] 。銑削力的增加會使刀具產(chǎn)生顫振現(xiàn)象 [18] ，影響了加工的精度，從而惡化了銑削表面質(zhì)量，導(dǎo)致表面粗糙度的增加。
圖6為主軸轉(zhuǎn)速 900 r/min 和 1 150 r/min 下觀測的加工表面形貌圖?？梢钥闯觯S著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑削表面質(zhì)量降低。在 n=1150 r/min 時(shí)獲得的表面高度波動遠(yuǎn)大于在 n=900 r/min 處獲得的表面高波動，并且表面上黏附顆粒數(shù)量大于在 n=900 r/min 下獲得的。
a） 編號P11
a） No. P11
b） 編號P16
b） No. P16
圖6 在不同主軸轉(zhuǎn)速下的銑削表面形貌
Fig.6 Milling surface topography at different spindle speeds
在圖 5 b）中，隨著徑向切深 a e 由 0.2 mm 增加到0.4 mm，表面粗糙度 R a 的值先是減小了 1.88%，然后顯著增加。一方面，工件在加工之前進(jìn)行了預(yù)加工以找平加工面。銑刀和工件表面之間的擠壓和摩擦?xí)?dǎo)致表面纖維化，從而硬化了待加工表面 [19-20] 。另一方面，TC4鈦合金的化學(xué)活性非常高，很容易與空氣中的元素反應(yīng)，產(chǎn)生表面硬化層，這也導(dǎo)致了表面硬度的增加 [21] 。因此，適當(dāng)增加徑向切削深度會使銑刀在一定程度上避免產(chǎn)生表面硬化層，從而更容易切削材料，使表面粗糙度值略微下降。但銑削過程中，材料剪切區(qū)的橫截面積會隨著徑向切深的增加而增加，并且單位時(shí)間材料去除率的增加將導(dǎo)致銑削力的增加，從而使表面粗糙度增加。圖7為徑向切深0.3 mm和0.4 mm下觀測的加工表面三維形貌圖，徑向切深的增加導(dǎo)致表面上黏附顆粒、劃痕的增加和表面質(zhì)量的惡化。當(dāng)徑向切深 a e 超過0.4 mm時(shí)，表面粗糙度呈下降趨勢。這可解釋為擠壓變形的進(jìn)一步增加使銑削溫度升高，表面熱軟化效應(yīng)變得顯著 [22] 。因此，表面材料更容易去除，并且表面質(zhì)量得到改善。
a） 編號P14
a） No. P14
b） 編號P15
b） No. P15
圖7 不同徑向切深下的銑削表面形貌
Fig.7 Milling surface topography at different radial depth of cut
在圖 5 c）中，隨著進(jìn)給量 f 從 0.06 mm/r 增加到0.14 mm/r，表面粗糙度 R a 的值增大了19.9%。這是由于銑刀在進(jìn)給方向上每單位切削面積的切削時(shí)間減少，加工表面上相鄰峰和谷之間的間距和形態(tài)差異增加。銑刀在加工表面上的殘余高度也有所增加，最終導(dǎo)致表面粗糙度增加。特別是在圖3中，進(jìn)給痕跡間的不均勻間距會惡化表面質(zhì)量，這可歸因于銑削力的增加使銑刀在加工過程中產(chǎn)生了振動 [23] 。當(dāng)進(jìn)給量 f超過 0.14 mm/r 時(shí)，表面粗糙度 R a 呈現(xiàn)減小的趨勢。這可歸因?yàn)殂娤鳒囟茸兏哕浕薚C4鈦合金材料 [24] ，從而使材料更容易去除，表面粗糙度降低。另一種可能是涂抹效應(yīng) [25] ，效應(yīng)降低了工件表面峰值的高度，從而使表面粗糙度 R a 降低。較高的機(jī)械載荷和熱載荷促使了這種現(xiàn)象的發(fā)生。圖8為進(jìn)給量0.14 mm/r和0.18 mm/r下觀測的加工表面三維形貌。隨著進(jìn)給量的增加，銑削表面上后刀面引起的劃痕變得更加清晰均勻，表明表面質(zhì)量有所改善。
a） 編號P3
a） No. P3
b） 編號P4
b） No. P4
圖8 不同進(jìn)給量下的銑削表面形貌
Fig.8 Milling surface topography at different feed rate
從圖5還可以看出，粗糙度 S a 的值都高于沿進(jìn)給方向的粗糙度 R a ， S a 與 R a 隨銑削參數(shù)有類似的變化趨勢，但并不完全相同。圖5 a）中，表面粗糙度 S a 隨主軸轉(zhuǎn)速具有先降低后增加的相同趨勢，并在 n=900 r/min時(shí)達(dá)到最小值（ S a =1.250 μm ）；圖5 b）中，隨著徑向切深 a e 由 0.2 mm 增加到 0.3 mm，粗糙度 S a 增大了0.75%，這與粗糙度 R a 的變化趨勢恰恰相反；圖 5 c）中，當(dāng)進(jìn)給量 f 超過0.14 mm/r時(shí)，粗糙度 S a 的值反而呈上升趨勢，這是因?yàn)門C4鈦合金側(cè)銑表面不僅包含沿著進(jìn)給方向的表面特征，還包括垂直于進(jìn)給方向的特征，如劃痕、隨機(jī)顆粒等。特別是銑刀后角引起的劃痕，其在垂直于進(jìn)給方向的高度波動導(dǎo)致表面粗糙度 S a 的增大。
3 、基于遺傳算法的側(cè)銑工藝參數(shù)優(yōu)化
遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是 1 種模擬達(dá)爾文進(jìn)化論中自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型。該算法將問題求解的過程轉(zhuǎn)換成生物體中染色體選擇、交叉和變異的過程，相對于一些常規(guī)優(yōu)化算法，其計(jì)算簡單高效。算法的基本流程如圖9所示。
圖9 遺傳算法基本流程圖
Fig.9 Basic flowchart of genetic algorithm
將主軸轉(zhuǎn)速 n 、徑向切深 a e 、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 f 作為優(yōu)化模型的變量，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果以及各銑削參數(shù)的取值范圍，可以得到優(yōu)化目標(biāo)的約束方程如下：
則優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可寫為：
借助MATLAB數(shù)學(xué)軟件平臺，采用Gamultiobj函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化問題的求解。在 Gamultiobj函數(shù)的參數(shù)中，交叉概率和變異概率的選擇對種群的更新影響最大。交叉的概率過低會大大降低種群的更新速度，交叉概率過高會破壞種群內(nèi)的最優(yōu)解；變異概率過低會使種群內(nèi)的有效基因缺失，變異概率過高雖使得種群多樣性增大，但會使現(xiàn)有種群規(guī)模遭到破壞。因此，需要根據(jù)實(shí)際求解問題，對參數(shù)進(jìn)行合理的處理，具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。
求解后，獲得了150組帕累托（Pareto）最優(yōu)解，對應(yīng)的粗糙度值如圖10所示，部分最優(yōu)解如表4所示。
圖10 Pareto前端解集
Fig.10 Pareto front set
采用隸屬度函數(shù)對Pareto解集中的最優(yōu)解進(jìn)行評價(jià)：
式（4）中： f i 表示第 i 個(gè)目標(biāo)函數(shù)， i=1,2 ；最優(yōu)結(jié)果選取P 值最大時(shí)對應(yīng)的Pareto解集中的銑削參數(shù)。
最終得到的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果為
x= ( ) 1 093.48,0.201,0.060
T ，根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)對結(jié)果進(jìn)行近似處理后得到的加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n=1093 r/min ，徑向切深 a e =0.2 mm ，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f=0.06 mm/r ，對應(yīng)的目標(biāo)粗糙度值為 R a =0.167 3 μm 和S a =0.604 3 μm 。
4、 結(jié)論
1） TC4鈦合金側(cè)銑加工表面微觀缺陷主要包括進(jìn)給刀痕、后刀面摩擦劃痕、黏附顆粒、微小裂紋和隨機(jī)劃痕等。進(jìn)給刀痕和后刀面摩擦劃痕可歸結(jié)為側(cè)銑加工表面固有缺陷，此類缺陷分布規(guī)律是由刀具幾何特征和刀具-工件相對運(yùn)動形成的；黏附顆粒、隨機(jī)劃痕和微小裂紋等隨機(jī)性缺陷，主要是微小切屑附著、積屑瘤摩擦以及在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的。
2） 銑削表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大；隨徑向切深的增大先增大后減??；隨進(jìn)給量先增大后減小。但 R a 和 S a 隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律并不完全，這是因?yàn)殂娤鞅砻娌粌H包含沿進(jìn)給方向的特征，還包括垂直于進(jìn)給方向的特征，特別是銑削后角引起的劃痕，其在垂直于進(jìn)給方向的高度波動使得 S a數(shù)值增大。
3） 基于遺傳算法以最小表面粗糙度值為優(yōu)化目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到的最優(yōu)側(cè)銑參數(shù)組合為：
主軸轉(zhuǎn)速 n=1 093 r/min ，徑向切深 a e =0.2 mm ，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 f=0.06 mm/r 。在該條件下，可獲得較小的表面粗糙度值，即 R a =0.167 3 μm 和 S a =0.604 3 μm 。
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