引言

钛合金因比强度高、、、耐侵蚀性好、、、热强度高档一系列优异的机能，，，在航空航天、、、国防工业等高端设备制作领域得到了宽泛利用 [1] 。铣削是钛合金结构件加工中最常用的步骤之一。但是，，，由于钛合金切削过程温度高、、、切削力大、、、刀具易磨损等，，，钛合金的加工理论质量很难节制 [2] 。探明钛合金铣削加工理论描摹特点及其对切削参数的响应法规，，，对实现钛合金加工理论质量调控和提升钛合金结构件服役机能拥有重要理论和实际意思。

铣削加工理论描摹的创成取决于多种成分，，，如切削参数、、、刀具资料、、、刀具磨损水平等，，，其中切削工艺参数的优选是最直接和有效的步骤 [3] 。目前，，，国内外众多学者对TC4钛合金铣削加工理论描摹及参数优化进行了一系列的钻研。文件[4]对TC4钛合金进行了铣削加工，，，发现每齿进给量 f 对理论粗糙度 R a 的影响最 大 ，，，最 优 的 铣 削 参 数 组 合 为 ：：：铣 削 速 度v c =100 m/min ，，，径 向 切 深 a e =4.3 mm ，，，每 齿 进 给 量f z =0.02 mm/齿 ，，，轴向切深 a p =0.05 mm ，，，可获得的理论粗糙度 R a =0.17 μm 。文件[5]通过发展侧铣尝试，，，钻研了分歧切削速度 v c (48~108 m/min) 以及进给量f (0.04~0.06 mm/r) 下的TC4钛合金的理论粗糙度 R a 。

了局批注，，，在较高的切削速度和较低的进给量下，，，理论粗糙度降低了20%以上。文件[6]对TC4钛合金进行了分歧切削速度 v c （30 mm/min和60 mm/min）和每齿进给量 f z （0.01 mm/齿和 0.05 mm/齿）的铣削尝试，，，并分析了铣削理论粗糙度 S a 的变动法规。了局批注，，，f z 对 S a 的影响大于 v c ，，，较低的切削速度和进给速度能够获得较低的理论粗糙度，，，即较高的理论质量。

在切削工艺参数的优化步骤钻研方面，，，文件[7]基于遗传算法以磨损量、、、理论粗糙度和资料去除率为优化指标，，，对AISI 1040钢切削参数进行了多指标优化，，，获得了最优切削参数组合，，，预测误差在2%以下。文件[8]以铣削力和资料去除率为评价指标，，，选取粒子群优化算法对TC4钛合金加工参数进行了多指标优化，，，得 到 了 最 优 参 数 组 合 ：：： v c =120 m/min ，，， a e =1 mm ，，，f z =0.04 mm/z ，，， a p =10 mm 。文件[9]以TC4钛合金铣削力和资料去除率为优化指标，，，基于遗传算法得到了加工参数的最优解集。文件[10]以铣削力、、、粗糙度、、、资料去除率成立了多指标优化模型，，，选取遗传算法求解获得了最优铣削参数解集，，，并通过尝试证了然该步骤的可行性。

为实现面向侧铣加工理论描摹的切削工艺参数优选，，，本文重要发展TC4钛合金侧铣加工尝试钻研。

从铣削加工理论微观缺点、、、理论粗糙度随切削参数的响应法规和基于遗传算法的工艺参数优化3个方面进行钻研，，，为TC4钛合金侧铣加工实际提供凭据。

1、、、 TC4钛合金侧铣加工尝试

试 验 材 料 为 TC4 钛 合 金 锻 坯 ，，，规 格 尺 寸 为30 mm×30 mm×5 mm 。资料微观组织结构和 EDS能谱如图1所示。

图1 TC4钛合金的微观结构和EDS能谱

Fig.1 Microstructure and EDS spectrum of TC4 titanium alloy

图中能够看出，，，TC4 钛合金是 α+β 型双相钛合金，，， α 相为基体相呈灰暗色，，， β 相为强化相附着在基体上，，，呈亮白色。TC4钛合金重要物理力学机能如表1所列。

侧铣加工尝试在型号为GJ SEIKO LM-6050的数控机床上进行。加工刀具选用直径为50 mm的直角六齿可转位铣刀，，，刀片选用Kennametal公司出产的硬质合金 AlTiN（PVD）涂层刀片（APPT1135PESR-FSKC522M），，，其有效切削长度为11 mm？Ｋ伎嫉礁汕邢鞣绞侥芄辉し狼邢饕鹤枇σ鸬呐判疾怀，，，保障加工精度的同时，，，可解决钛合金加工液冷成本高、、、传染环境等方面的问题。因而，，，尝试加工方式选择干式铣削。侧铣加工尝试现场如图2所示。

图2 铣削尝试现场图

Fig.2 Field diagram of milling experiment

选取S-4800冷场发射扫描电子显微镜和基恩士状态丈量激鲜明微系统 VK-X260K观测铣削后的理论描摹，，，丈量三维理论粗糙度 S a 以及沿进给方向的二维理论粗糙度 R a 。

选取三成分四水平 L 16 （4 3 ）正交尝试步骤发展尝试，，，尝试调查成分别离为主轴转速 n 、、、径向切深 a e 和每转进给量 f 。具体尝试规划如表2所列。

2 、、、了局与分析

2.1 加工理论缺点

分歧铣削前提下获得的加工理论描摹图及其对应的三维高度云图如图3所示。

a） 编号P2

a） No. P2

b） 编号P7

b） No. P7

图3 分歧铣削参数下的理论描摹

Fig.3 Surface topographies under different milling parameters

从图3能够看出，，，加工理论出现均匀散布的棱线，，，这是铣刀和工件之间相对活动所产生的进给痕迹，，，相邻进给痕迹之间的距离由进给速度决定。由于铣刀后角的影响，，，在相邻的进给痕迹之间产生了沿进给方向的划痕。进给刀痕和理论划痕可综合为侧铣加工理论固出缺点，，，此类缺点散布法规是由刀具几何特点和刀具-工件相对活动形成的。

此外，，，加工理论还观察到黏附颗！、、、随机划痕和细小裂纹等缺点。黏附颗？？赡苁窍感〉那行蓟蛘呤谴拥毒呱贤崖涞挠仓实愕 [11] 。对铣削理论的黏附颗粒进行能谱检测，，，检测了局如图4所示。图4 a）发现其成分与TC4钛合金基体资料根基一样？Ｄ芄淮Ф，，，黏附颗粒重要是在侧铣过程中高温的微切屑黏附到理论而形成。理论上还存在一些随机方向的划痕，，，这是从铣刀上剥落的硬质点、、、积屑瘤或者切屑在铣削理论滑擦产生 [12-13] 。图4 b）中，，，划痕的能谱分析了局与TC4钛合金的基体资料根基一样？Ｄ芄淮Ф，，，随机无定向划痕是由积屑瘤或碎屑在刀具和工件之间的接触面滑擦形成。此外，，，在干式铣削的前提下，，，由于加工区域中存在较高的热应力和机械应力，，，铣削理论便产生了细小裂纹 [14] 。

a） 黏附颗粒

a） adhesive particle

b） 划痕

b） scratch

图4 侧铣理论缺点的EDS能谱

Fig.4 EDS spectrum of surface defects in peripheral milling

2.2 铣削理论粗糙度

分歧铣削工艺前提下，，，加工理论粗糙度 R a 和 S a 随切削工艺参数的响应法规如图5所示。

图5 分歧铣削参数对理论粗糙度 R a 和 S a 的影响

Fig.5 Effect of different milling parameters on surface roughness R a and S a

图5 a）中，，，理论粗糙度 R a 的值随着主轴转速 n 从400 r/min 增长到 900 r/min 而减小，，，并在 n=900 r/min时达到最小值（ R a =0.944 μm ）。当主轴转速超过900 r/min 时，，，理论粗糙度呈上升趋向。主轴速度的增长意味着资料变形率的增长，，，这将导致在铣削过程中产生更多的热量。铣刀和工件接触理论之间的热量堆会议软化TC4钛合金资料，，，资料的塑性流动使得铣削后的理论粗糙度有所降低 [15] 。但当主轴速度持续增长时，，，刀具与工件接触理论上积累的热量将难以急剧消散，，，导致切屑与铣刀、、、加工理论间的黏附力增长，，，从而增长了铣削力 [16] 。此外，，，在较高的主轴转速下，，，应变硬化和应变率硬化对铣削力的影响大于热软化，，，这也导致铣削力呈上升趋向 [17] 。铣削力的增长会使刀具产生颤振景象 [18] ，，，影响了加工的精度，，，从而恶化了铣削理论质量，，，导致理论粗糙度的增长。

图6为主轴转速 900 r/min 和 1 150 r/min 下观测的加工理论描摹图？Ｄ芄豢闯，，，随着主轴转速的增长，，，铣削理论质量降低。在 n=1150 r/min 时获得的理论高度颠簸弘远于在 n=900 r/min 处获得的理论高颠簸，，，并且理论上黏附颗粒数量大于在 n=900 r/min 下获得的。

a） 编号P11

a） No. P11

b） 编号P16

b） No. P16

图6 在分歧主轴转速下的铣削理论描摹

Fig.6 Milling surface topography at different spindle speeds

在图 5 b）中，，，随着径向切深 a e 由 0.2 mm 增长到0.4 mm，，，理论粗糙度 R a 的值先是减小了 1.88%，，，而后显著增长。一方面，，，工件在加工之前进行了预加工以找平加工面。铣刀和工件理论之间的挤压和摩擦会导致理论纤维化，，，从而硬化了待加工理论 [19-20] 。另一方面，，，TC4钛合金的化学活性极度高，，，很容易与空气中的元素反映，，，产生理论硬化层，，，这也导致了理论硬度的增长 [21] 。因而，，，适当增长径向切削深度会使铣刀在肯定水平上预防产生理论硬化层，，，从而更容易切削资料，，，使理论粗糙度值略微降落。但铣削过程中，，，资料剪切区的横截面积会随着径向切深的增长而增长，，，并且单元功夫资料去除率的增长将导致铣削力的增长，，，从而使理论粗糙度增长。图7为径向切深0.3 mm和0.4 mm下观测的加工理论三维描摹图，，，径向切深的增长导致理论上黏附颗！、、、划痕的增长和理论质量的恶化。当径向切深 a e 超过0.4 mm时，，，理论粗糙度呈降落趋向。这可诠释为挤压变形的进一步增长使铣削温度升高，，，理论热软化效应变得显著 [22] 。因而，，，理论资料更容易去除，，，并且理论质量得到改善。

a） 编号P14

a） No. P14

b） 编号P15

b） No. P15

图7 分歧径向切深下的铣削理论描摹

Fig.7 Milling surface topography at different radial depth of cut

在图 5 c）中，，，随着进给量 f 从 0.06 mm/r 增长到0.14 mm/r，，，理论粗糙度 R a 的值增大了19.9%。这是由于铣刀在进给方向上每单元切削面积的切削功夫削减，，，加工理论上相邻峰和谷之间的间距和状态差距增长。铣刀在加工理论上的残存高度也有所增长，，，最终导致理论粗糙度增长。出格是在图3中，，，进给痕迹间的不均匀间距会恶化理论质量，，，这可归因于铣削力的增长使铣刀在加工过程中产生了振动 [23] 。当进给量 f超过 0.14 mm/r 时，，，理论粗糙度 R a 出现减小的趋向。这可归由于铣削温度变高软化了TC4钛合金资料 [24] ，，，从而使资料更容易去除，，，理论粗糙度降低。另一种可能是涂抹效应 [25] ，，，效应降低了工件理论峰值的高度，，，从而使理论粗糙度 R a 降低。较高的机械载荷和热载荷促使了这种景象的产生。图8为进给量0.14 mm/r和0.18 mm/r下观测的加工理论三维描摹。随着进给量的增长，，，铣削理论上后刀面引起的划痕变得越发清澈均匀，，，批注理论质量有所改善。

a） 编号P3

a） No. P3

b） 编号P4

b） No. P4

图8 分歧进给量下的铣削理论描摹

Fig.8 Milling surface topography at different feed rate

从图5还能够看出，，，粗糙度 S a 的值都高于沿进给方向的粗糙度 R a ，，， S a 与 R a 随铣削参数有类似的变动趋向，，，但并不齐全一样。图5 a）中，，，理论粗糙度 S a 随主轴转速拥有先降低后增长的一样趋向，，，并在 n=900 r/min时达到最小值（ S a =1.250 μm ）；；图5 b）中，，，随着径向切深 a e 由 0.2 mm 增长到 0.3 mm，，，粗糙度 S a 增大了0.75%，，，这与粗糙度 R a 的变动趋向刚好相反；；图 5 c）中，，，当进给量 f 超过0.14 mm/r时，，，粗糙度 S a 的值反而呈上升趋向，，，这是由于TC4钛合金侧铣理论不仅蕴含沿着进给方向的理论特点，，，还蕴含垂直于进给方向的特点，，，如划痕、、、随机颗粒等。出格是铣刀后角引起的划痕，，，其在垂直于进给方向的高度颠簸导致理论粗糙度 S a 的增大。

3 、、、基于遗传算法的侧铣工艺参数优化

遗传算法（Genetic Algorithm，，，GA）是 1 种仿照达尔文进化论中天然选择和遗传学机理生物进化过程的推算模型。该算法将问题求解的过程转换成生物体中染色体选择、、、交叉和变异的过程，，，相对于一些通例优化算法，，，其推算单一高效。算法的根基流程如图9所示。

图9 遗传算法根基流程图

Fig.9 Basic flowchart of genetic algorithm

将主轴转速 n 、、、径向切深 a e 、、、每转进给量 f 作为优化模型的变量，，，凭据正交试验了局以及各铣削参数的取值领域，，，能够得到优化指标的约束方程如下：：：

则优化的数学模型可写为：：：

借助MATLAB数学软件平台，，，选取Gamultiobj函数进行优化问题的求解。在 Gamultiobj函数的参数中，，，交叉概率和变异概率的选择对种群的更新影响最大。交叉的概率过低会大大降低种群的更新速度，，，交叉概率过高会粉碎种群内的最优解；；变异概率过低会使种群内的有效基因缺失，，，变异概率过高虽使得种群多样性增大，，，但会使现有种群规模遭到粉碎。因而，，，必要凭据现实求解问题，，，对参数进行合理的处置，，，具体参数设置如表3所示。

求解后，，，获得了150组帕累托（Pareto）最优解，，，对应的粗糙度值如图10所示，，，部门最优解如表4所示。

图10 Pareto前端解集

Fig.10 Pareto front set

选取从属度函数对Pareto解集中的最优解进行评价：：：

式（4）中：：： f i 暗示第 i 个指标函数，，， i=1,2 ；；最优了局拔取P 值最大时对应的Pareto解集中的铣削参数。

最终得到的多指标优化了局为

x= ( ) 1 093.48,0.201,0.060

T ，，，凭据现实加工经验对了局进行近似处置后得到的加工参数为：：：主轴转速n=1093 r/min ，，，径向切深 a e =0.2 mm ，，，每转进给量f=0.06 mm/r ，，，对应的指标粗糙度值为 R a =0.167 3 μm 和S a =0.604 3 μm 。

4、、、 结论

1） TC4钛合金侧铣加工理论微观缺点重要蕴含进给刀痕、、、后刀面摩擦划痕、、、黏附颗！、、、细小裂纹和随机划痕等。进给刀痕和后刀面摩擦划痕可综合为侧铣加工理论固出缺点，，，此类缺点散布法规是由刀具几何特点和刀具-工件相对活动形成的；；黏附颗！、、、随机划痕和细小裂纹等随机性缺点，，，重要是细小切屑附着、、、积屑瘤摩擦以及在热应力和机械应力的作用下产生的。

2） 铣削理论粗糙度随主轴转速的增大先减小后增大；；随径向切深的增大先增大后减；；随进给量先增大后减小。但 R a 和 S a 随铣削参数的变动法规并不齐全，，，这是由于铣削理论不仅蕴含沿进给方向的特点，，，还蕴含垂直于进给方向的特点，，，出格是铣削后角引起的划痕，，，其在垂直于进给方向的高度颠簸使得 S a数值增大。

3） 基于遗传算法以最小理论粗糙度值为优化指标，，，在尝试参数领域内得到的最优侧铣参数组合为：：：

主轴转速 n=1 093 r/min ，，，径向切深 a e =0.2 mm ，，，每转进给量 f=0.06 mm/r 。在该前提下，，，可获得较小的理论粗糙度值，，，即 R a =0.167 3 μm 和 S a =0.604 3 μm 。

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