基于单元切削过程利润率模型的TB6铣刀筛选

2015-05-31北京航空航天大学机械工程及自动化学院葛士坤陈志同徐义平

航空制造技术 2015年19期

北京航空航天大学机械工程及自动化学院葛士坤崔季陈志同徐义平

随着航空工业和材料工程的飞速发展，越来越多的难加工材料被用于飞机制造中。其中，具有比强度高、韧性好、抗腐蚀能力强等优点的钛合金材料在飞机制造中的应用到达了一个空前的高点。如美国第三代战斗机F-15钛合金用量占27%，而第四代战斗机F-22和F-35钛合金用量甚至达到了40%。而目前在各类钛合金中，性能更为优良的是β相钛合金TB6（国外牌号为Ti1023），其已经逐渐取代高强钢成为直升机桨毂、中央件等疲劳寿命要求高的关键结构件的首选材料。但是，TB6的加工性能较差，切削力大，切削温度高，断屑困难，刀具磨损严重等缺点严重制约着其进一步应用。

解决上述问题的首要步骤是选用合适的切削刀具。由于目前全球范围内的刀具厂商众多，各家均提供认为适合加工TB6的刀具，而且各有优势，如何正确评价加工TB6的刀具就成为亟待解决的问题。一直以来，刀具的评价方法多种多样，比如比较同一切削用量下的寿命，比较相同条件下的体积切除率等。这些评价方法均忽视了价值方面的问题。切削加工的过程是一个产生利润的过程。有些刀具价格高，寿命短，有些切削效率高，价格昂贵，因此不能只从某一方面进行比较，需要确定一个统一比较指标，同时考虑到这些影响因素。如果缺乏一个统一的评价标准，则很难合理评价刀具的价值。

本文通过钛合金TB6铣削刀具磨损试验，采用刀具磨损检测装置进行刀具后刀面磨损的测量，将单元切削过程利润率模型用于刀具评价，对多个品牌的刀具进行试切试验，从而筛选出加工TB6利润率最好的一把刀具，并讨论了利润率、耐用度及切除率之间的相互关系。

1 刀具评价模型简介

目前，对刀具技术性能的评价有多种方法，车间常用的是比较刀具耐用度、比较刀具的切除总量等。这些方法的优点是能够比较直观、简单地做出选择，但是直观比较刀具耐用度的方法很少考虑刀具的切除率。一般情况下，切除率越低，则耐用度就会越高，因此选刀试验时，通常刀具厂商的推荐参数均偏低，以此达到高耐用度的目的；还有的是比较参与评价的每种刀具的最终切除总量，这种方法忽视了加工时间成本，也是不可取的。

现有的评价方法对经济性的考虑存在着明显问题，没有考虑到生产过程中用到的资本总量，因此北京航空航天大学的陈志同等[1]提出一种单元切削过程利润率评价模型用于刀具的评价。当机床、刀具、工件选定后，对单元切削过程所用到的固定资产和流动资产的总额p为一个固定值，并推导出一个利润率模型作为目标函数用于切削参数优化问题。该目标函数为：

其中，刀具耐用度T通过试验测量获取，而机床折旧成本率em、工人工时成本率eh、动力成本率ep、刀具一次使用成本ct、铣削时的体积切除率V、体积价值系数wv依次如下列各式所示。

该模型从经济学角度出发，结合了加工过程中所用到的全部资金的共同作用，已经对切削参数优化问题进行了深入的探讨，但还未在刀具评价方面形成应用。考虑了在切削过程中形成加工后的金属表面的过程不只是刀具在起作用，其他如机床、工人、能源等因素也都在起作用。因此，研究刀具的性价比绝对不能孤立地研究，必须结合具体生产过程。一个可行的评价思路应该是尽量使外部因素相同时，整个系统的利润率达到峰值。

2 刀具筛选试验

2.1 试验材料及其力学性能

TB6钛合金是一种典型的近β型钛合金，该合金具有比强度高、断裂韧度好、各向异性小、锻造温度低和抗应力腐蚀能力强等优点，能够满足损伤容限设计的需要和高结构效益、高可靠性。TB6钛合金的主要半成品是棒材和锻件，也可以制成厚板和型材。主要用于制造飞机机身、机翼和起落架结构中的锻造零件，通过热处理可以实现不同强度和塑性及韧性水平的配合。该合金的化学成分如表1所示[3]。 TB6钛合金室温下的力学性能[3]如表2所示。

表1 TB6钛合金化学成分 %

表2 室温下TB6钛合金的力学性能

2.2 试验条件

（1）试验机床。

试验在意大利蓝粒蒂公司生产的型号为RAMMATIC1001的五坐标立式加工中心上进行，该机床的价格为445万元，机床加工费用为400元/小时，机床寿命为10年，机床整机功率为70kW。

（2）测量设备。

测量刀具磨损的传统方法是采用工业显微镜测量，但是该方法需要将刀具拆卸下来，测量完毕后需要重新装刀对刀，耗时耗力，无法实现在线监测。试验中采用北航自研自制的刀具磨损检测仪进行刀具后刀面磨损检测，整个试验系统原理如图1所示。首先通过对焦，利用图像获取设备获取刀片后刀面磨损照片，调整倍率进行放大，传送给计算机，利用磨损测量软件进行测量，将测得的磨损带宽度值与仪器标定所确定的系数相乘就获得当前点的磨损量，为保证数据可靠性，需要进行多次测量取均值[4]。

图1 磨损检测原理示意图Fig.1 Principle diagram of wear detection

（3）工件材料尺寸。

待加工工件为航空TB6锻件，工件尺寸为120mm×120mm×50mm，已去除黑皮。

（4）刀具信息。

由于材料的难加工性，目前市面上能用于TB6铣削的刀具种类较少，试验所用刀片是从国外几个知名刀具厂家收集的，均能用于TB6材料的加工，且保证刀具安装悬长基本一致，选取的刀具信息如表3所示。

2.3 试验方案

试验所用刀片均为可转位方肩刀，材质均为涂层硬质合金，综合考虑工厂经验参数，刀具厂商推荐参数，并结合加工类似材料的切削参数，选取切削参数如表4所示。选用磨钝标准VB=0.3mm，5种刀具依次切削至后刀面磨损到达0.3mm为止。

表3 试验刀具信息

表4 试验刀具参数信息

3 试验结果与分析

试验中的5种刀具表现差异较大，表3中前3种刀具经历了明显的初期磨损、正常磨损、急剧磨损阶段，最终失效，失效形态主要为磨损，并伴随微崩刃；后两种刀具则明显不适应TB6的加工，刚刚切入不久即明显崩刃，刀片磨损如图2～6所示。

图2 Sandvik S40T 磨损Fig.2 Wear of Sandvik S40T

图3 Iscar磨损Fig.3 Wear of Iscar

图4 Kenna失效Fig.4 Failure of Kenna

图5 Seco失效Fig.6 Failure of Seco

图6 Sandvik S30T磨损Fig.6 Wear of Sandvik S30T

TB6钛合金的磨损形式主要是后刀面磨损，由于其铣削力大，后刀面与材料摩擦严重，且切削速度低，温度不高，根据磨损产生机理粘结磨损的可能性较大，刚进入切削时，刀具涂层中存在氮化钛、碳氮化钛等化合物，易粘结到刀刃表面上，影响了测量磨损的准确性。以Sandvik S30T为例，由于刚进入切削，涂层与刀具基体粘结牢固，在刀具后刀面上形成冷焊结，如图7所示。

随着切削的不断进行由于摩擦面之间的相对运动，后刀面上的一层银白色的粘结物逐渐被带走，并且随着切削温度升高，涂层与刀具基体粘结力减小，涂层逐渐脱落，后刀面露出刀具基体颜色，如图8所示。涂层脱落后，刀刃强度明显下降，进入急剧磨损阶段。此时，刀刃上逐渐出现一些微小的沟槽，并逐渐增大至崩刃，如图9所示。

对这5把刀具进行磨损曲线拟合，如图10所示。

从刀具磨损曲线得知，Sandvik S30T的刀具耐用度明显领先于其余4种刀具，达到了2个多小时，Iscar和Sandvik S40T两种刀具耐用度达到了1h左右，Seco和Kenna两种刀具则寿命很短。

作者对企业在设计工艺条件下加工TB6钛合金参数进行调研，其参数如表5所示。

根据评价函数中的各参量要求，调研了刀片价格如表6所示。

据此，计算体积切除率=4.5cm3/min，并结合机床信息，计算体积价值系数、机床折旧成本率，并结合社会工人工资成本，电费成本，计算工人工时成本率、动力成本率，其他可分割成本率包括场地费、切削液费、工装夹具使用费等，估算为0.1（元/min），其计算结果如表7所示。

图8 Sandvik S30T基体颜色出现Fig.9 Colour of the Sandvik S30T matrix occurred

图9 Sandvik S30T逐渐崩刃Fig.9 Sandvik S30T edge is gradually collapsed

图10 磨损拟合线Fig.10 Wear fitted line

表5 车间切削TB6采用的参数

表6 刀具价格

表7 目标函数系数元/min

将上面计算出的各成本率代入评价函数，可计算出每种品牌的刀具的单元利润率，可求得各刀片对应的单元切削过程利润率值，其利润率大小、切除率和耐用度对比如图11所示。

图11 刀具利润率、切除率、耐用度对比Fig.11 Compare of the Cutting tool margins、resection rate and durability

根据对比图11，可得出以下结论：

（1）按照利润率评价，Sandvik S40T以微弱的优势领先，Sandvik S30T则排在第二位，远大于其余刀具；Kenna与Seco两种刀具的利润率出现了负值，可见，若工厂采用这两种刀具，将会带来负利润；

（2）Kenna、Seco、Sandvik S40T 的切除率较大，说明其切削参数选择比较大，而Sandvik S30T的参数稍小，Iscar则相对最为保守，切除率不足最大值的50%；

（3）根据对比不难得知，Sandvik S30T的刀具耐用度以两倍以上的水平高于其余刀具，Sandvik S30T和Iscar耐用度达到了40min以上，而Kenna与Seco刀具则在10min左右分别崩刃；

（4）Sandvik S30T选用的切削参数比较理性，保证了一定的切除率，而带来了两倍于其他刀具的刀具耐用度，并且获得了很理想的利润率，对于工厂而言，既能保证较高切除效率和较好的利润率，并且获得极大刀具寿命的情况是非常理想的，因为这样能省去中间一半以上的换刀过程，减少了辅助时间，并且减少了刀具破损的概率，提高了可靠性，这样的刀具及参数适合车间进行大批量生产某零件时使用；

（5）Sandvik S40T选用的切除率较大，计算得到的利润率也超过了S30T，但是，唯一的缺陷在于牺牲了刀具耐用度，不难看出该刀具的特点在于能承受大参数、重载荷切削，且在这种切削环境下仍然能保证很高的利润率和能接受的刀具耐用度，适用于车间进行单件或小批量生产且时间比较紧的任务；

（6）Iscar刀具虽然选用了最小的参数，但其并没有获得最持久的刀具耐用度和理想的利润率，显然不适宜在车间大规模使用，另外两种刀具则明显看出不适宜进行TB6钛合金的切削，切削过程是一个产生利润的过程，选刀不当将会给车间带来负利润。

综上所述，一般情况下，某些车间会更多追求避免频繁换刀带来的麻烦，将耐用度作为一个主要指标，这种情况下可以优先选用SandvikS30T刀具，而在进行重切削或单件生产时，将利润率和切除率放在首位，则推荐选用Sandvik S40T刀具，其余3种刀具则不适合用于TB6加工。

4 刀具耐用度模型

刀具耐用度是指刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非辅助时间的净切削时间[5]。

刀具耐用度可以用来简单比较不同刀具材料在相同条件下的切削性能；同一种刀具材料切削各种工件材料，则可以用耐用度来比较材料的切削加工性。对于某一切削加工，当工件、刀具材质和刀具几何形状选定之后，切削用量是影响刀具耐用度的主要原因。本节拟通过试验研究TB6切削中的刀具耐用度的主要影响因素以及影响程度。

4.1 试验设计

由刀具筛选试验结果可知，Sandvik S30T与S40T是车间使用性价比最高的2种刀具，由于S40T换刀频繁，因此通常S30T成了车间的首选。本试验以S30T为例，建立精加工参数下的刀具耐用度模型。试验采用的因素有切削速度vc、每齿进给量fz、径向切深az，保持轴向切深ap=5mm不变。各因素均取3个水平，水平值如表8所示，进行3因素3水平的等水平正交试验L9（33），正交表设计如表9所示。

切削方式为顺铣，侧铣加工。鉴于精加工时，要求刀尖锋利，因此本次试验设定磨钝标准为后刀面VB为0.15mm。按照以往经验，切削开始阶段刀刃上会粘结部分工件材料，呈银白色，此时刀刃实际并未磨损，随着切削的进行，该银白色粘结物会逐渐消退，此时可以测量后刀面磨损值，因此，测量时要等越过这个阶段再进行，否则会使数据失效。

表8 耐用度试验水平表

表9 耐用度试验安排表

4.2 试验结果

正交试验的磨损试验结果如表11所示。并将各个因素的极差分析数据记录在其中。

（1）回归分析。

回归分析（regression analysis）是一种处理变量之间相关关系最常用的统计方法，用它可以寻找出隐藏在随机性后面的统计规律[6]。对于切削力试验来讲，回归分析可以得到其相应的经验模型公式，从而找出各切削参数与切削力之间的数学关系。

对试验结果进行回归分析，刀具耐用度模型采用指数模型。

刀具耐用度指数模型为：

对上式两边同时取对数变换为线性函数：

InT = InC + mlnvc+ nlnfz+ klnae，

表10 刀具寿命正交试验表

表11 耐用度回归分析及F检验

令

则将指数模型转化为了线性模型：

而后使用最小二乘法求解各系数。

回归方程是一种预测模型，仅仅是一种假设，尽管这种假设具有根据，但仍然需要在求出模型以后，对预测模型进行显著性检验，并由此判定预测模型拟合程度的好坏[7]。

对于模型的回归分析及F检验如表12所示。

从回归分析结果表中可以看出：回归方程是高度显著的，耐用度T的F统计值为50.0730，远大于显著性水平取0.05时的临界值5.67，说明了回归方程可靠性，可用于耐用度的预测。

（2）因素显著性分析。

通过对表12中正交试验数据做极差分析并记录在其中，得到了各铣削因素对刀具耐用度的影响显著性，如图12所示。

图12 极差分析结果Fig.12 Result of range analysis

从图12可以看出，铣削速度对刀具耐用度的影响最为显著，其次是每齿进给量，而铣削深度的影响则较弱，也可以通过中的F检验值看出，铣削深度的回归值为0.0323，远远小于临界值9.65，说明铣削深度是高度不显著的，而铣削速度的检验值达到了456.0880，每齿进给量的检验值达到了196.2821，均远大于临界值9.65，说明是高度显著的。