【正文】 進(jìn)給量，軸切深和徑向切深，本論文中選擇以上切削參數(shù)為控制因子。本文在高速切削實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對 XW42 冷做鋼的側(cè)銑加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路 針對特定的刀具 — 材料組合，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行高速切削試驗(yàn)并測量材料的去除體積和刀具的后刀面的磨損值。而實(shí)際生產(chǎn)中往往缺乏的正是經(jīng)過優(yōu)化的高速加工工藝參數(shù)，致使高速主軸長期以來低速運(yùn)行，發(fā)揮不出其高速切削的 性能，既造成加工成本增加、加工效率低下，又限制了高速切削加工技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。例如，各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度、各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響趨勢等。（ 2）通過對這些少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以推出較優(yōu)的方案，而且所得到的較優(yōu)方案往往不包含在這些少數(shù)試驗(yàn)方案中。 這兩個性質(zhì)稱為為“正交性”，這使試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)排列整齊、有規(guī)律，也使試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)散布均勻，即“整齊可比、均衡分散”。 正交表有兩個重要的性質(zhì)： （ 1）表中任一列，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相同。 第 13 頁 共 31 頁 13 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（ orthogonal design）簡稱正交設(shè)計(jì)（ orthoplan），它是利用正交表（ orthogonal table）科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的一種方法，同時也是最常用的一種試驗(yàn)方法。本課題的研究路線就是，針對不同的切 削參數(shù)組合進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)，測量刀具后刀面的磨損值和材料的去除質(zhì)量，在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析和模糊控制的基礎(chǔ)上，探求切削用量與刀具壽命和加工效率之間的影響關(guān)系。工程技術(shù)中所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，是有計(jì)劃的試驗(yàn)，只有對試驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，才能以比較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，在比較短的時間內(nèi)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。因此，本文主要通過實(shí)驗(yàn)的方法來研究切削參數(shù)對材料去除率的影響。 材料的去除率 材料去除是指材料通過刀具的切削脫離工件本體。因此在刀具管理和金屬切削的科學(xué)研究中都測量后刀面磨損量。因此，刀具在進(jìn)入劇烈磨損階段前必須 換刀或重新刃磨。這一階段磨損強(qiáng)度很大。 劇烈磨損階段 在相對很短的時間內(nèi)， VB猛增，刀具因而完全失效。磨損強(qiáng)度是衡量刀具切削性能的重要指標(biāo)之一。這就是正常磨損階段，也是刀具工件的有效階段。 正常磨損階段 刀具在較長的時間內(nèi)緩慢地磨損，且 VBt呈線性關(guān)系。所以，初期磨損量的大小與刀具刃磨質(zhì)量有很大的關(guān)系，通常 VB=～ 。 初期磨損階段 第 12 頁 共 31 頁 12 初期磨損階段的特點(diǎn)是：在極短的時間內(nèi)， VB 上升很快。 刀具的磨損過程 用切削時間 t 和后刀面磨損量 VB 兩個參數(shù)為坐標(biāo)，則 磨損過程可以用圖 21所示的一條磨損曲線來表示。 切削液 在普通切削過程中，合理的使用切削液可以改善切屑、工件與刀具之間的摩擦狀況，降低切削力和切削溫度，處長刀具使用壽命。 刀具材料的減摩性越好，則刀面上的摩擦系數(shù)就越小，既可以減小切削力和切削溫度，同時還可以抑制刀 — 屑界面處的冷焊的形成。 由于刀具在切削的過程中要承受切削力、沖擊和振動，刀具材料必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性。同時耐磨性還與基體的硬質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量、分布的均勻程度以及化學(xué)的穩(wěn)定性有關(guān)。 刀具材料的耐磨性表示刀具抵抗磨損的能力。因此，刀具材料對刀具壽命的影響，主要取決于刀具材料的硬度、耐磨性、耐熱性、強(qiáng)度和韌 性、減摩性、導(dǎo)熱性。但過分加大過渡刃分增大切削力，并很容易引起振動，反而縮短刀具使用壽命。所以，刀具的使用壽命很大程度上取決于刀尖處的磨損情況。 刀尖幾何參數(shù) 刀尖是刀具上切削條件最惡劣的部分 。主、副偏角同時都對刀具的刀尖強(qiáng)度、導(dǎo)熱面積和容熱體積有影響。在切削深度和進(jìn)給量一定的情況下，增大主偏角，切削寬度減小，切削厚度增大，切削刃單位長度上的負(fù)荷隨之增大。工件材料不同，刀具的合理后角也不同。因此，后角太大、太 小都會使刀具壽命顯著降低。同改變前角一樣，增大或減小后角，各有其有利和不利兩方面的影響。 后角 后角的主要功用是減小后刀面和加工表面之間的摩擦。對于不同的刀具材料，各有其對應(yīng)刀具使用壽命的最大的前角，稱為合理前角。增大前角可以減小切削變形和切削力，減小切削熱 的產(chǎn)生，降低切削溫度，但同時刀頭導(dǎo)熱面積和容熱體積減小，切削溫度反而升高。 刀具幾何參數(shù)的影響 前角 前角影響切削變形、切削力、切削溫度和切削功率，也影響刀頭強(qiáng)度、容熱體積和導(dǎo)熱面積，從而影響刀具使用壽命和切削效率。 影響刀具磨損的因素 刀具的磨損受切削用量、刀具幾何參數(shù)及材料、加工方式和切削液的使用等諸多因素的影響。這是一種化學(xué)反應(yīng)過程。多次反復(fù)后，刀齒表面層將出現(xiàn)裂紋以至崩碎。當(dāng)硬度降低時，各種磨損便更容易發(fā)生。 切削熱 各種鋼材都有一定 的相變溫度。一般情況下，破裂面發(fā)生在較軟的工件（切屑）體內(nèi)。尤其在切削硬質(zhì)點(diǎn)較多和劃傷作用較大的工件材料時，更容易發(fā)生磨粒磨損。這是一種機(jī)械擦傷造成的磨損。 刀具磨損的形成機(jī)理 刀具磨損的形成是切削加工過程中物理因素和化學(xué)因素作用的結(jié)果，物理因素主要是磨粒、分子之間的粘接力、切削熱，化學(xué)因素主要是空氣中的氧與刀具材料的氧化作用。 前刀面和后刀面同時磨損 這是一種兼有上述兩 種情況的磨損形式。 后刀面磨損 由于加工表面和后刀面間存在著強(qiáng)烈的摩擦，在后刀面上毗鄰切削刃的地方很快就磨出一個后角為零的小棱面，這種磨損形式叫做后刀面磨損。在磨損過程中，月牙洼寬度逐漸擴(kuò)展。在產(chǎn)生月牙洼的地方切削溫度最高，因此磨損也最大，從而形成一個凹窩。刀具的磨損形式有三種，分別是：前刀面磨損、后刀面磨損和前刀面后刀面同時磨損。本文主要對材料去除率和刀具壽命進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)研究，探求切削參數(shù)對材料去除率和刀具壽命的影響。同時，材料的去除率和刀具壽命都受加工過程中切削參數(shù)的影響。 第一章 緒論 第二章 高速加工試驗(yàn)設(shè)計(jì) 第三章 灰色系統(tǒng)和模糊控制理論 第四章 切削參數(shù)的優(yōu)化 第五章 結(jié)論與未來展望 第 9 頁 共 31 頁 9 第二章 高速加工試驗(yàn)設(shè)計(jì) 機(jī)械加工過程中材料去除率和刀具壽命對于加工效率和加工成本有很大的影響，因此對加工過程中的材料去除率和刀具壽命提出了一定的要求。本課題的主要研究內(nèi)容是對高速側(cè)銑加工的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用正交切削試驗(yàn)測定幾組切削參數(shù)條件下材料的去除率和刀具磨損，然后通過灰色關(guān)聯(lián)度分析與模糊邏輯進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)的切削參數(shù)以及各切削參數(shù)對材料去除率和刀具磨損的影響程度。但是，通過以上途徑獲得的加工參數(shù)無法保證在特定機(jī)床和加工環(huán)境下得到最佳的加工性能。延邊大學(xué)的廉哲滿應(yīng)用“田口法”對車削加工中的切削加工中的參數(shù)優(yōu)化 進(jìn)行了分析 [22]。分析結(jié)果顯示：獲得小的切削力和好的加工表面質(zhì)量的條件是高的主軸轉(zhuǎn)速，小的進(jìn)給量和小的切削深度 [10]； Alauddin 第 8 頁 共 31 頁 8 et 測側(cè)銑精加工 Inconel 718 時的表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型 [11]；斯洛文尼亞生產(chǎn)工程學(xué)院、機(jī)械工程學(xué)院的 Uros Zuprel, Franc Cus 運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對銑削加工的切削參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行了研究，并建立了以生產(chǎn)率、加工成本、表面質(zhì)量為約束條件的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 [12]； Reddy et [13]； Bidhendi et 產(chǎn)成本，最少的加工時間，以及最大的率作為目標(biāo)函數(shù)來尋找最佳的加工參數(shù)來提高加工效率 [14]。 Tsao 以“后刀面磨損量”為性能指標(biāo)，應(yīng)用“田口法”優(yōu)化設(shè)計(jì)了銑削 6061 鋁合金時的切削參數(shù) [9]。Juan et ，目的是得到最小的生產(chǎn)成本 [5]。 Tsai et ，目的是選擇最佳的切削參數(shù)以獲得最大的材料去除率 [3]。隨著高速加工 這一先進(jìn)制造技術(shù)的推廣和普及，對高速加工切削參數(shù)優(yōu)化的理論和方法的研究就顯現(xiàn)出更加重要的實(shí)際應(yīng)用價值。 銑削過程中的材料去除率和刀具磨損壽命都與切削速度、進(jìn)給速度、軸向切深、徑向切深（切寬）等切削參數(shù)有直接關(guān)系，因此，必須通過對材料去除率和刀具磨損率這兩個指標(biāo)進(jìn)行某種方式的綜合，來對銑削過程中的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。而刀具磨損壽命的縮短，增加了生產(chǎn)成本。因此，高速切削加工是一項(xiàng)既能提高加工精度，又能提高加工效率的先進(jìn)金屬切削加工技術(shù)。隨著高速切削機(jī)床、高速切削刀具等關(guān)鍵技術(shù)的的進(jìn)步，高速切削加工已廣泛應(yīng)用于航空、航天、模具、汽車、儀表等行業(yè)。因此，在“國家‘十五’重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)預(yù)測研究”和“先進(jìn)制造領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的分析論證”中，高速切削技術(shù)仍被列為重大綜合型項(xiàng)目和經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展急需高技術(shù)項(xiàng)目中的重要內(nèi)容。但是，由于受各方面因素的影響，高速切削加工工藝的研究還比較薄弱。 然而，我國切削技術(shù)與國外工業(yè)發(fā)達(dá) 國家相比，仍存在較大的差距。東北大學(xué)研究了熱壓氮化硅陶瓷球軸承，建立了高速磨削實(shí)驗(yàn)臺，能進(jìn)行 200m/s 的磨削加工試驗(yàn)。 在高速機(jī)床方面，沈陽工學(xué)院研制超高速車銑床，已取得階段性成果。南京航空航天大學(xué)一直致力于難加工材料的切削研究， 尤其是在切削加工鈦合金領(lǐng)域已取得很多階段性成果。清華方大高技術(shù)陶瓷有限公司開發(fā)的氮化硅基陶瓷刀具以 1020m/min 的速度銑削灰鑄鐵，可獲得 46~52min 的刀具耐用度。 我國的有關(guān)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在研究和開發(fā)高速切削技術(shù)方面亦有不小 的進(jìn)步。 如今，美、德、日、法、意生產(chǎn)的不同規(guī)格的各種商業(yè)化超高速機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入市場，應(yīng)用于飛機(jī)、汽車及模具制造。日本尖端技術(shù)研究會已把高速切削列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。 高速切削得到了德國國家研究技術(shù)部的高度重視，以 Darmstadt 工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所為首的 40 多家單位進(jìn)行了聯(lián)合研究，全面系統(tǒng)的研究了高速切削機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)等相關(guān)的高速加工技術(shù)，并分別對各種工件材料的高速切削性能進(jìn)行了深入的研究和試驗(yàn)。 1976 年，美國研制出了最高轉(zhuǎn)速達(dá) 20210r/min 的高速銑床， 1979 年，美國國防高科技技術(shù)研究總署規(guī)劃了超高速切削基礎(chǔ)技術(shù)研究。 ［ 1］ 第 6 頁 共 31 頁 6 事實(shí)上，由于高速切削所具有的在生產(chǎn)效益方面的巨大潛能，高速切削早已成為美、日、德等先進(jìn)發(fā)達(dá)國家競相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域。 4. 高速切削工藝技術(shù)：切削方法和切削參數(shù)的選擇與優(yōu)化、對各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具幾何角度的選擇等。 2. 高速切削刀具技術(shù)：刀具材料、刀具幾何角度的選擇、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 圖 12 高速切削加工技術(shù)的研究體系 高速加工是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能 CNC系統(tǒng)、機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料和刀具設(shè)計(jì)技術(shù)、高效高精度測試技術(shù)、高速切削加工理論、高速切削加工工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分民展的基礎(chǔ)上綜合而成的。如航空和動力部門大量采用的鎳基合金和鈦合金。 4. 高速切削時，機(jī)床的激振頻率特別高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開了“機(jī)床－刀具－工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，工件平穩(wěn)振動小，因此能加工出非常精密、非常光潔的零件。 2. 在高速切削加工范 圍內(nèi)，隨切削速度提高，切削力隨之減少，有利于對剛性較差和薄壁零件的切削加工。這使得加工成本也因此相應(yīng)降低，由此可大幅度提升制造企業(yè)的生產(chǎn)效率。切削進(jìn)給速度已高達(dá) 20m/min~40m/min。對大多數(shù)工件材料而言，高速切削是指高于常規(guī)切削速度五倍乃至幾十倍條件下所進(jìn)行的切削。 圖 11 切削速度對切削速度的影響 1978 年 McGee 以鋁合金作為被加工材料對切削速度和切削溫度的關(guān)系作了研究，證實(shí)了切削速度進(jìn)一步提高之后，切削溫度確實(shí)能穩(wěn)定 的保持在某一值； 1996 年 也采用射擊的方法完成了切削速度與切削力的實(shí)驗(yàn)硬實(shí)，得出了切削力與切削速度的關(guān)系；這些切削機(jī)理的研究不僅引起了各國學(xué)者的廣泛興趣，而且還促進(jìn)了高速和超高速切削加工的應(yīng)用研究。 自從薩洛蒙關(guān)于切削速度提高能使切削溫度和切削力下降的研究公布之后，許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了高速切削加工的優(yōu)越性能。同時，切削力也會大幅度下降。對于每一種工件材料，存在一個速度范圍，在這個范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進(jìn)行。 1931 年 4 月他發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設(shè)。高速切削是切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。高速加工所帶來的高效率和高精度，正滿足制造業(yè)不斷發(fā)展的需要。進(jìn)入 21 世紀(jì)，機(jī)械制造面臨市場需求動態(tài)多變、產(chǎn)品更新周期短、品種規(guī)格多、批量少和可持續(xù)發(fā)展 等特點(diǎn)。經(jīng)優(yōu)化的切削參數(shù)與最初的切削參數(shù)相比，刀具壽命和材料去除率分別提高了 。 通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析和模糊控制分析，明確了切削速度、進(jìn)給量、軸向切削深度和徑向切削深度等切削參數(shù)對刀具壽命和材料去除率的影響規(guī)律。本文將灰色關(guān)聯(lián)分析和模糊控制運(yùn)用于加工參數(shù)優(yōu)化選擇，進(jìn)而得到最優(yōu)的加工參數(shù)組合。切削參數(shù)的選擇直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、加工成本等。 摘 要 高速切削加工是近幾十年來迅速發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)，以高切削速度、高進(jìn)給速度和高加工精度為主要特征，具有綜合效益好、對市場響應(yīng)速度快的能力。而切削參數(shù)的優(yōu)化選擇是高速加工工藝研究中的重要內(nèi)容，對高速加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有著重要的意義。實(shí)際加工中影響切削參數(shù)的因素較多并且相互制約，因而確定最佳的加工參數(shù)較為困難。 針對不同的加工參數(shù)組合，實(shí)施了高速切削實(shí)驗(yàn)，獲得 了刀具磨損的數(shù)據(jù)。 最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，使用本論文提出的方法得到的切削參數(shù)的優(yōu)化組合，高速側(cè)