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EA4T 鋼的深孔鉆削加工切削參數(shù)優(yōu)化
2018-4-23  來源：首都航天機(jī)械公司  作者：沈?qū)W靜，張亞波，喬麗平


       摘要: 為合理選擇 EA4T 材料在深孔加工中的切削參數(shù)，以改變 EA4T 空心車軸在深孔加工中加工難度高、生產(chǎn)效率低的問題，在深孔加工鉆削力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將約束函數(shù)和單優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與遺算法相結(jié)合，建立合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。充分考慮深孔鉆削中切削形態(tài)和排屑的重要作用，引入切屑的斷屑率 CBＲ 和切屑的容屑系數(shù) Ｒ，在試切實驗基礎(chǔ)上綜合考慮加工要求、效率和成本等因素，對優(yōu)化組合結(jié)果進(jìn)行了評估和適當(dāng)?shù)男拚玫捷^為合理、但有較高實用價值的切削用量優(yōu)化參數(shù)。

       關(guān)鍵詞: EA4T; 深孔加工; 遺傳算法; 切削用量; 斷屑率; 容屑系數(shù)

       1、引言

       隨著我國運(yùn)輸業(yè)和物流業(yè)的飛速發(fā)展，高速列車作為其中主要組成部分之一，其相關(guān)的技術(shù)和理論也在不斷進(jìn)步。因 EA4T 鋼廣泛用于動車、高鐵等高速機(jī)車車軸的制造，又被為車軸鋼。EA4T引進(jìn)自德國，成分含量近似于國產(chǎn) 25Cr Mo4V，具有較高的抗疲勞性、韌性塑形和強(qiáng)度。空心車軸是高速重載車軸的新研發(fā)系列產(chǎn)品，已經(jīng)成功地應(yīng)用于動車、高鐵和地鐵等最新高速機(jī)車產(chǎn)品中，并逐步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍.在 EA4T空心車軸加工制造過程中，深孔鉆削加工是突出的技術(shù)難點，引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者和專家的關(guān)注。

       EA4T 作為一種新型的合金材料，性能高，但導(dǎo)熱性差、加工性低，相對加工性 Kv=0.2－0.45，在其深孔鉆削加工過程中出現(xiàn)形態(tài)不規(guī)則的長卷屑、切削溫度過高、鉆削力過大等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆桿振動、排屑困難和刀具磨損嚴(yán)重等加工問題，因此,EA4T 深孔鉆削的相關(guān)理論知識還需不斷探索。

       切削用量是深孔鉆削加工中重要的參考因素，合理選擇切削參數(shù)是鉆削順利進(jìn)行的前提，直接影響切屑形態(tài)、排屑速度、表面粗糙度、加工精度等眾多因素。對鉆削加工 EA4T 材料時的切削速度、進(jìn)給量、切削液流量等進(jìn)行深入的研究和合理優(yōu)化是解決斷屑、排屑和提高加工質(zhì)量和效率的有效途徑和手段。通過回歸分析得到較為合理的切削用量，這種方法消耗人力和物力極大，尤其對于EA4T等價格較高的合金材料來說更是如此，因此綜合利用深孔鉆削理論和智能優(yōu)化算法是切削參數(shù)選擇的重要方法。

       2、BTA 深孔加工系統(tǒng)

       2. 1 BTA 系統(tǒng)工作原理

       BTA 深孔加工系統(tǒng)為內(nèi)排屑深孔加工系統(tǒng)的典型代表，其基本結(jié)構(gòu)見圖 1。高壓切削液經(jīng)授油器通過鉆桿與工件之間的環(huán)狀間隙抵達(dá)切削區(qū)，將切屑頂入鉆頭的排屑通道，并順空心鉆桿的中間排出，這期間切削液起冷卻潤滑和運(yùn)送切屑的作用。圖2為 BTA 鉆供油和排屑的工作簡圖。
 
 

圖1 內(nèi)排屑深孔鉆鏜床結(jié)構(gòu)
 
 

圖2 BTA 深孔鉆供油和排屑示意圖

       2. 2 BTA 深孔鉆削最佳切削條件

       加大進(jìn)給量可以增強(qiáng)斷屑效果和降低切屑長度，有利于切屑排出。提高切削速度可減少切屑塑性應(yīng)變和降低切削力，增加材料的去除率和加工效率。但是，增加切削速度或進(jìn)給量會產(chǎn)生大量的熱量，減少刀具壽命。對于深孔鉆削來說，切削速度和進(jìn)給量的選擇需要考慮切屑形態(tài)、加工質(zhì)量、刀具磨損、切削效率和切削成本等眾多因素的綜合作用，由于順利排屑是深孔加工進(jìn)行的基礎(chǔ)，因此切削參數(shù)的最佳范圍及不同切削條件下的切屑斷屑率 CBＲ是最重要的參考指標(biāo)。當(dāng)CBR處于合理范圍時，切屑的斷裂效果良好，綜合考慮加工質(zhì)量、刀具壽命和加工成本等指標(biāo)，最終確定工件材料和 BTA刀具匹配的最佳鉆削條件。

       由切屑長度(Lch) 與未變形的切削層公稱切屑寬度(Wd) 之比可以得出切屑的斷屑率CBR為
 
 
 


       3 、優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

       3. 1 目標(biāo)函數(shù)

       作為深孔加工技術(shù)最常用的加工方式，深孔鉆削生產(chǎn)效率的提高具有很高的經(jīng)濟(jì)性。以最大生產(chǎn)效率為目標(biāo)函數(shù)，加工工時模型為
 
 


       由于在深孔鉆削中，切削深度和切削寬度為固定值，令進(jìn)給量f和切削速度v為優(yōu)化變量，其目標(biāo)函數(shù)為
 
 
 

圖3 BTA 深孔鉆三維實體圖

       (2) 機(jī)床條件

       主軸轉(zhuǎn)速必須在機(jī)床允許的最小轉(zhuǎn)速Nmin和最大轉(zhuǎn)速 Nmax之間，有
 
 
 


       4、EA4T 切削參數(shù)優(yōu)化算法

       4. 1 遺傳優(yōu)化算法

       由于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束方程都是非線性方程，采用傳統(tǒng)優(yōu)化方法很難達(dá)到目的。遺傳算法( GA) 是通過抽象模擬自然界中生物的遺傳規(guī)律和進(jìn)化過程的智能搜索優(yōu)化算法。在進(jìn)行優(yōu)化計算時，對切削用量物種基因鏈編碼、重組，保留基因雜交和變異產(chǎn)生適應(yīng)強(qiáng)者，其操作流程見圖4。
 
 

圖4 遺傳算法的操作流程

       4.2 實例優(yōu)化及驗證

       深孔鉆削工件材料為EA4T 實心車軸，重量約為 900kg，加工孔直徑Φ59.8mm，孔深 2200mm。加工設(shè)備為德州機(jī)床廠T2120深孔鉆鏜床，采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給的方式。刀具為錯齒 BTA 機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位深孔鉆頭，刀齒材料為涂層硬質(zhì)合金，Sandvik系列中的TiN 涂層刀片。EA4T 鋼力學(xué)性能見表1，其余基本參數(shù)見表2。
 
 

表1 EA4T 鋼力學(xué)性能
 
 

表2 切削用量優(yōu)化的試驗條件

       綜合考慮 EA4T 材料的切削用量需求、算法的精確度和程序的運(yùn)行過程，遺傳算法輸入?yún)?shù)中，種群個數(shù) 100，最大運(yùn)行代數(shù) 200，個體適應(yīng)值閾值100，染色交叉概率 0．1，染色體變異率 0.8。利用Matlab 得到表3所示最終優(yōu)化結(jié)果。
 
 

表3 優(yōu)化算法結(jié)果

       由于深孔加工的特殊性，需要對優(yōu)化解的切屑形態(tài)和排屑程度指標(biāo)進(jìn)行驗證，優(yōu)化的參數(shù)必須滿足切屑斷屑率 CBR和切屑容屑系數(shù) Ｒ 的參數(shù)指標(biāo)要求。通過研究 EA4T 材料的深孔加工得到: 當(dāng)CBR≤10 時，切削過程斷屑效果良好，切屑容屑系數(shù)R取值為50。分析優(yōu)化組合的數(shù)據(jù)可分為三組切削參數(shù)選擇范圍(見表4) 。
 
 

表4 試切加工參考切削用量

       通過試加工試驗得到以下結(jié)果: 第三組試驗的振動較大，刀具磨損最為嚴(yán)重的，工件表面粗糙度不是很理想; 第二組試驗數(shù)據(jù)的切屑形態(tài)較大，有時會出現(xiàn)雜亂的長卷屑，排屑效果一般。第一組試驗中，當(dāng)切削速度為 75m/min、進(jìn)給速度 70mm/min 時，切屑形態(tài)較為均勻合理，測量得到CBR=6.68，斷屑效果為三組中最佳，設(shè)定的切削液流量 150L/min、壓力為 2． 5MPa 時，滿足切屑容屑系數(shù)要求，排屑效果良好，加工精度和表面粗糙度均比較理想。因此，加工孔直徑 59．8mm，孔深 2200mm 的 EA4T 實心車軸較為合理的優(yōu)化切削參數(shù)見表5。
 
 

表5 EA4T 實心車軸切削用量優(yōu)化結(jié)果

       5 、結(jié)語

       深孔加工是一種復(fù)雜、獨特的切削加工方式，選擇切削參數(shù)時需要考慮的因素較多。EA4T 作為一種難加工的低碳合金材料，在鉆削加工中，切削力和振動都較大，切屑大多呈帶狀或螺卷狀長切屑，排屑困難，降低加工質(zhì)量，鉆削速度難以提高，加工效率低。本文對深孔鉆削加工的切削用量進(jìn)行合理優(yōu)化，建立了基于 GA 的切削用量優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

       基于深孔加工的特殊性，結(jié)合優(yōu)化結(jié)果和試切實驗，引入切屑的斷屑率CBR和切屑的容屑系數(shù)R進(jìn)行定量評估。

       通過實際加工效果對優(yōu)化切削參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，得到了較為合理的切削用量，對提高加工效率、降低生產(chǎn)成本有實用意義。

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