CN104070217A - 铣削大型薄壁铝合金复合材料w形型材的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，包括以下步骤：S01，测量刀具在铣削用量参数组合下连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号；S02：测量刀具在不同铣削时间下的刀具后刀面磨损；S03：获取刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的回归方程以及经验公式；S04：铣削用量参数进行参数优化；S05：优选出刀具的最佳几何参数；S06：通过惰性气体冷却装置对刀具进行冷却；S07：使用S05中几何参数经优选的刀具和S04中经优化的最佳铣削用量参数组合，通过惰性气体冷却装置，对大型薄壁铝合金复合材料W形型材铣削加工。本发明经优化的工艺参数组合，降低刀具磨损率、抑制刀具严重粘结失效情况，降低生产成本和提高生产率。

Description

铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法

技术领域

本发明是一种大型薄壁铝合金复合材料W形型材高效重负荷铣削加工方法，属于机械制造的轨道车辆车体制造技术领域。

背景技术

铝合金传统上一般被归类于易切削加工材料，然而铝合金材料硬度低、粘性大、化学活性较强、塑性变形大，生产加工中容易出现刀具不规则磨损、刀具粘结失效、加工表面毛刺和挤压痕迹严重等问题，严重影响铝合金零件生产的效率、质量和成本。近十年来，关于铝合金高速、超高速铣削加工方面的研究以框体、薄壁等结构为多，铣削时所采用的机床转速一般都在(15000～40000)r/min，而关于该材料中低速下(2000～10000r/min)的重负荷和强力铣削加工方面的研究则十分缺乏。铝合金重负荷和强力铣削时，铣削力和铣削温度处于较高水平，铝合金容易发生软化、产生严重积屑瘤甚至熔融，此时需要有效的冷却方式和冷却介质。常规切削液大流量冷却会对铝合金工件表面造成氧化失色，或对表面造成油污染而影响后续的焊接加工。因此，我国相关企业大部分使用进口高性能专用切削液，这大大增加了生产成本。对于在特殊场合应用的某些铝合金结构件，由于生产节拍或生产率的需要，往往需要采用满刀宽、大切深、高进给的用量组合来对该材料进行重负荷铣削加工。重负荷铣削这些弱刚度结构件时的特点是铣削振动大、铣削力大、铣削温度高、刀具磨损率远高于常规铣削加工、刀具成本昂贵。6N01-T5大型薄壁铝合金复合材料W形型材目前普遍被用于制造高速列车车体，其典型制造工艺过程为：单件铝合金型材(长23.5m×宽0.5m×厚0.07m)成形→铝合金型材中空部位粘结铺设减振材料(橡胶类或沥青类减振材料铺设在薄壁筋板交叉处附近)构成铝合金复合材料→铝合金复合材料组焊形成部分车体→龙门铣床上加工出窗口、安装工艺槽等结构→焊接其它附件并形成完整车体。大量减振材料和焊缝的存在使得这种铝合金复合材料型材的铣削加工机理发生了变化，其铣削温度、铣削力、铣削振动、刀具寿命和刀具磨损等都与普通铝合金型材有很大不同。目前，这种铝合金复合材料型材重负铣削加工存在主要问题有：

1、由于铣削力大、铣削振动剧烈，涂层刀具容易发生涂层过早剥落现象，从而刀具寿命无明显提高；

2、粉末冶金高速钢、硬质合金刀具(涂层或无涂层)都会发生严重粘结失效情况，特别是后波刃刀具。刀具寿命普遍较低，如粉末冶金高速钢铣削数分钟就宣告失效，硬质合金刀具铣削30分钟内往往就因为刀具严重粘结而失效；

3、加工表面质量差。为了减少刀具成本，企业往往使用较大的刀具磨钝标准，因此加工表面毛刺、挤压痕迹和鱼鳞状铣削表面大量存在，需要后续进行人工手工打磨，大大降低了生产率和提高了生产成本；

4、企业所使用的机床为铝合金专用铣削机床，其自带的冷却系统属于微量润滑冷却，从而刀具无法得到充分冷却，铣削温度处于较高水平，刀具铣削一段时间后极容易发生严重粘结情况；

5、分层铣削时，薄壁筋板容易被刀具打断，所以实际加工时只能采用大切深一次铣出加工表面。

6、常规冷却润滑液的效果不理想，企业实际使用的是价格昂贵的进口冷却液(300元/升)，进一步增加了生产成本。

因此，需要设计发明出一种适合这种铝合金复合材料型材重负荷、高效率铣削加工的方法，并需要使用经优化的工艺参数组合，以降低刀具磨损率、抑制刀具严重粘结失效情况，最终显著降低生产成本和提高生产率。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种高效、高质量、低成本、重负荷铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法。

本发明的技术方案为：

S01，采用正交试验设计法，使用红外测温仪、三向压电式测力仪、加速度计同时测量并获得刀具在铣削用量参数组合下连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号，并从所述连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号中选择相应信号最大值作为预设铣削用量参数组合下的铣削温度、铣削力和铣削振动的数值；铣削用量参数包括机床转速n、径向切深a_p、轴向切宽a_w和进给速度v_f或者每齿进给量f_z；

S02：采用正交试验设计法，使用光学显微摄像系统跟踪拍摄测量刀具在不同铣削时间下的刀具后刀面磨损VB；

S03：使用多元线性回归分析，对步骤S01的预设铣削用量参数组合下的铣削温度、铣削力和铣削振动的数值，S02刀具后刀面磨损VB进行数据分析，获取刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的回归方程，并通过正交试验及极差分析法获得各铣削用量参数对刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式；即通过步骤S01和S02测量的数据，获取铣削用量参数(铣削用量参数包括机床转速n、径向切深a_p、轴向切宽a_w和进给速度v_f或者每齿进给量f_z)组合下，刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的回归方程和各铣削用量参数对刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式。

S04：以最低单件成本为目标函数，以刀具寿命作为约束函数，所述的刀具寿命通过刀具后刀面磨损VB来评估，结合步骤S03刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式，对机床转速n、径向切深a_p、轴向切宽a_w和进给速度v_f或者每齿进给量f_z进行参数优化，得到刀具的最佳铣削用量参数组合；

S05：采用单因素对比方法，获得刀具几何角度、刀尖圆弧半径、刀具齿数、刀具涂层、波刃情况等对刀具寿命、铣削温度、铣削力、铣削振动的影响规律，优选出刀具的最佳几何参数；

S06：通过惰性气体冷却装置对刀具进行冷却；较优地，惰性气体为氮气；

S07：使用S05中几何参数经优选的刀具和S04中经优化的最佳铣削用量参数组合，通过步骤S06中提供的惰性气体冷却装置，对大型薄壁铝合金复合材料W形型材铣削加工。

本发明各步骤具体描述如下：

S03使用多元线性回归分析，获取刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式，具体包括以下步骤：

通过正交实验法获取刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动经验公式，所述正交试验法采用四因素三水平标准正交表，四因素分别为机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w；

刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动使用指数型经验公式，通式为式(1)，

A＝C_An^xf_z ^ya_p ^za_w ^w   (1)

式中A为刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的变量，C_A为常数(C_A为经验参数)，式(1)两边取自然对数得，

lnA＝lnC_A-xlnn-ylnf_z-zlna_p-wlna_w   (2)

令Y＝lnA、C＝lnC_A、X₁＝lnn、X₂＝lnf_z、X₃＝lna_p、X₄＝lna_w  (3)

则可得Y＝C-xX₁-yX₂-zX₃-wX₄  (4)

式(4)为求得的刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的回归方程，其中x、y、z、w为回归方程的回归系数，Y、X₁、X₂、X₃、X₄为维数为9的数组向量。通过正交试验表获得Y向量的值后，使用其统计分析工具命令，以Y作为因变量、X₁、X₂、X₃、X₄为为自变量，获得回归方程中的各项系数C_A、x、y、z、w的值，从而得到刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的经验公式；

S04具体包括以下步骤，

①建立目标函数

最低单件成本G和刀具寿命T的函数公式分别为式(5)和式(6)：

$G=t_{m}M+t_{\mathrm{ct}}\frac{t_m}{T}M+t_{\mathrm{ot}}M+\frac{t_m}{T}{C}_t---\left(5\right)$

$T=\frac{C_T}{n^x{f_z}^y}$ (C_T为常数，表示表示刀具的寿命参数)   (6)

式(5)中有关字母含义：G为最低单件成本(单个工件加工所需最低成本(包括刀具、机床、人工等费用))，M为所选机床单位时间内的加工费用和工人的劳务费；C_t为试验所选用刀具的单件价格；t_m为在试件尺寸规格一定，加工余量、铣削宽度一定的情况下的铣削机动时间；t_ct为换刀时间；t_ot为除换刀时间外的其它辅助时间；T为刀具寿命；

铣削加工时的机动铣削时间t_m可写成：

$t_m=\frac{l_w\mathrm{\Δ}}{n{a}_w{f}_{z}Z}=\frac{C_1}{n{f}_z}---\left(7\right);$

式(7)中各字母含义：为常数铣刀刀齿直径；Z为铣刀参与切削的齿数；l_m为试件长度；Δ为加工余量；n、f_z、a_w分别为机床转速、每齿进给量和径向切宽；

在实际加工中，零件的加工余量限制了铣削深度和铣削宽度的选取，它们的可选择范围很小，一般先确定其具体值；为简单起见，式(5)中t_otM忽略不计，因为在本次优化中辅助时间t_ot和其它如机动铣削时间t_m相比很短。那么，式(5)可简化为：

$G=t_{m}M+(t_{\mathrm{ct}}M+C_t)\frac{t_m}{T}---\left(8\right);$

令B＝t_ctM+C_t，并将式(6)、(7)式代入到式(8)，得到：

$G=\frac{C_{1}M}{n{f}_z}+\frac{B{C}_1}{C_T}{n}^{x-1}{f_z}^{y-1}---\left(9\right);$

令a＝C₁M，则式(9)变为：

$G=a{n}^{-1}{f_z}^{-1}+b{n}^{x-1}{f_z}^{y-1}---\left(10\right);$

式(10)就是求得的简化了的最低单件成本目标函数；

②建立约束方程

对式(10)两边分别对n和f_z求一阶偏导并令其等于零，得：

$\frac{\∂G}{\∂n}=-a{n}^{-2}{f_z}^{-1}+(x-1)b{n}^{x-2}{f_z}^{y-1}=0---\left(11\right);$

$\frac{\∂G}{\∂n}=-a{n}^{-1}{f_z}^{-2}+(y-1)b{n}^{x-1}{f_z}^{y-2}=0---\left(12\right);$

③对约束方程求解

分别使用机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w为预设约束条件，在预设约束条件下，选择并确定所述预设约束条件的最大值，将所述最大值代入到式(7)或(8)中，求出约预设束条件下选定的参数的最大值；

④优化结果修正

将在预设约束条件下除选定参数之外的其他参数作为约束条件对选定的参数进行修正，得到最佳选定的参数的修正值，使用机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w修正值的组合即为最佳铣削用量参数组合。

较优地，步骤S06惰性气体冷却装置包括框架、刀具、第一喷嘴、第一喷嘴和第三喷嘴，所述刀具设置支架的一端，所述刀具的下端伸入到支架内部，所述第一喷嘴、第二喷嘴和第三喷嘴分别设置在刀具5纵向铣削进给方向的前侧、后侧以及刀具横向铣削进给方向的正方向。

较优地，惰性气体冷却装置的压缩气体为氮气，压缩气体的压力为0.6～0.8MPa。

较优地，第一喷嘴、第二喷嘴和第三喷嘴均为扇形喷嘴。

较优地，第一喷嘴、第二喷嘴和第三喷嘴距离刀具5切削刃距离为6～8mm；第一喷嘴、第一喷嘴和第三喷嘴的轴向与刀具轴向的夹角为20°～25°。

较优地，惰性气体冷却装置使用过程中切削液的流量为200～240毫升/小时。

铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法适用的铣削用量范围为：机床转速2000～8000转/分钟、进给速度300～3600mm/分钟、轴向切深5～20mm、径向切深5～20mm。

铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法适应对象为铝合金复合材料W形型材的筋板厚度为2～3mm，型腔铺设的沥青类减振材料厚度为2～3mm。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：经优化的工艺参数组合，降低刀具磨损率、抑制刀具严重粘结失效情况，最终显著降低生产成本和提高生产率；在使用优化的刀具几何参数和工艺参数的同时，使用提供的高效冷却方法，可确保铣削温度保持在较低水平，可彻底消除众多刀具重负荷铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材时经常会发生的严重粘结和烧刀现象；同时，各种刀具的寿命可延长2～3倍。

附图说明

图1为本发明一种铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法流程图；

图2为惰性气体冷却装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，包括以下步骤：

S01，采用正交试验设计法，使用红外测温仪、三向压电式测力仪、加速度计同时测量并获得刀具在铣削用量参数组合(铣削用量参数包括机床转速n、径向切深a_p、轴向切宽a_w和进给速度v_f或者每齿进给量f_z组合)下连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号，并从所述连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号中选择相应信号最大值作为预设铣削用量组合下的铣削温度、铣削力和铣削振动的数值；

S02：采用正交试验设计法，使用光学显微摄像系统跟踪拍摄测量瓦尔特、蓝帜、山高、陕硬、戴杰硬质合金和高速钢刀具在不同铣削时间下的刀具后刀面磨损VB。

S03：使用多元线性回归分析，对步骤S01的预设铣削用量参数组合下的铣削温度、铣削力和铣削振动的数值，S02刀具后刀面磨损VB进行数据分析，获取刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的回归方程，并通过正交试验及极差分析法获得各铣削用量参数对刀具寿命(刀具后刀面磨损VB评估)、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式；

S04：以最低单件成本 $G=t_{m}M+t_{\mathrm{ct}}\frac{t_m}{T}M+t_{\mathrm{ot}}M+\frac{t_m}{T}{C}_t$ 为目标函数，以刀具寿命 $T=\frac{C_T}{n^x{f_z}^y}$ 作为约束函数，结合步骤S03刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式，对机床转速n、径向切深a_p、轴向切宽a_w和进给速度v_f(或每齿进给量f_z)进行参数优化，得刀具的最佳铣削用量组合；

S05：采用单因素对比方法，获得刀具几何角度、刀尖圆弧半径、刀具齿数、刀具涂层、波刃情况等对刀具寿命、铣削温度、铣削力、铣削振动的影响规律，优选出刀具的最佳几何参数。

S06：通过惰性气体冷却装置对刀具进行冷却，惰性气体为氮气，如图2所示，惰性气体冷却装置包括支架1、刀具5、第一喷嘴2、第一喷嘴3和第三喷嘴4，刀具5设置支架1的一端，刀具5的下端伸入到支架1内部，第一喷嘴2、第一喷嘴3和第三喷嘴4均为扇形喷嘴。第一喷嘴2、第二喷嘴3和第三喷嘴4分别设置在刀具5纵向铣削进给方向的前侧、后侧以及刀具横向铣削进给方向的正方向。惰性气体冷却装置的压缩气体为氮气，压缩气体的压力为0.6～0.8MPa。第一喷嘴2、第二喷嘴3和第三喷嘴4距离刀具5切削刃距离为6～8mm；第一喷嘴2、第二喷嘴3和第三喷嘴4的轴向与刀具轴向的夹角为20°～25°，惰性气体冷却装置使用过程中切削液的流量为200～240毫升/小时，每只喷嘴流量调整为(60～80)毫升/小时。通过惰性气体冷却装置提供了一种适合于大型薄壁铝合金复合材料W形型材重负荷铣削的高效冷却方法；

S07：使用S05中几何参数经优选的刀具和S04中经优化的最佳铣削用量组合，通过步骤S06中提供的惰性气体冷却装置，对大型薄壁铝合金复合材料W形型材铣削加工。

本发明一种铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，具体步骤详细过程如下：

刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动关系公式的获得采用正交试验设计法，正交试验安排表采用四因素三水平标准正交表，四因素分别为机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w，正交表及各因素的水平如表1所示，通过正交表中四因素的水平值获取刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动关系公式。表1中实验值是对应试验号下进行试验获得的切削力、切削温度、切削振动或刀具耐用度的具体数值，测量后获取，本实施例可用X1、X1……X9代替。

表1四因素三水平正交试验安排表

使用Kistler9257B三向压电式测力仪、optris CT红外测温仪、PCB352A60加速度计同时测量获得机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w四因素三水平标准正交表中每组铣削用量组合下的铣削力、铣削温度、铣削振动的连续信号。

假设刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动关系式为指数型公式，通式为式(1)，

A＝C_An^xf_z ^ya_p ^za_w ^w   (1)

式中A为刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的变量，C_A为常数，式(1)两边取自然对数得，

lnA＝lnC_A-xlnn-ylnf_z-zlna_p-wlna_w  (2)

令Y＝lnA、C＝lnC_A、X₁＝lnn、X₂＝lnf_z、X₃＝lna_p、X₄＝lna_w  (3)

，则可得Y＝C-xX₁-yX₂-zX₃-wX₄  (4)

式(4)为求得的刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的回归方程，其中x、y、z、w为回归方程的回归系数，Y、X_i(i＝1-4)为维数为9的数组向量。通过正交试验表获得Y向量的值后，在办公软件OFFIEC EXCEL2000以上版本中使用其统计分析工具箱中的LINEST命令，以Y作为因变量、X_i为自变量，获得回归方程中的各项系数C_A、x、y、z、w的值，从而得到刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的经验公式，如表2。

表2各种刀具铣削过程参数经验公式

瓦尔特40刀具铣铝合金寿命经验公式	T＝e17.59n-0.839fz -0.76ap -0.269aw -1.523
		瓦尔特40刀具铣铝合金铣削温度经验公式	θ＝e4.64n-0.013fz 0.064ap 0.0064aw 0.227
瓦尔特40刀具铣铝合金铣削振动经验公式	A＝e-5.87n0.94fz 0.76ap 0.1aw 0.0041
		蓝帜非波刃刀具铣铝合金铣削力经验公式	F＝e-1.13n0.729fz 0.126ap 0.443aw 0.697
蓝帜后波刃刀具铣铝合金铣削力经验公式	F＝e2.38n0.426fz 0.331ap 0.239aw 0.449
		蓝帜后波刃刀具铣铝合金铣削振动经验公式	A＝e-5.53n0.91fz 0.53ap -0.039aw -0.11
山高F40涂层刀片铣铝合金复合材料寿命经验公式	T＝e14.21n-0.679fz -0.331ap -0.224aw -1.0
		陕硬整体刀具铣铝合金复合材料刀具寿命经验公式	T＝e14.75n-0.791fz -0.471ap -0.239aw -1.0
陕硬前波刃刀具铣铝合金复合材料刀具寿命经验公式	T＝e14.01n-0.74fz -0.414ap -0.242aw -0.917
		黛杰非波刃刀具铣铝合金复合材料刀具寿命经验公式	T＝e15.25n-0.8fz -0.511ap -0.232aw -0.995
黛杰非波刃铣铝合金复合材料铣削力经验公式	F＝e3.46n0.381fz 0.38ap 0.242aw 0.288
		山高非涂层铣铝合金复合材料铣削力经验公式	F＝e-5.88n0.689vf 0.556ap 0.488aw 0.608
山高非涂层刀具铣铝合金复合材料铣削温度经验公式	θ＝e4.02n-0.02vf 0.05ap 0.11aw 0.28
		黛杰非波刃刀具铣铝合金复合材料铣削温度经验公式	θ＝e5.53n-0.11fz 0.088ap 0.11aw 0.31
黛杰后波刃刀具铣铝合金复合材料铣削振动幅值经验公式	A＝e-1.42n0.62fz 1.02ap 0.12aw -0.36
		黛杰非波刃刀具铣铝合金复合材料铣削振动幅值经验公式	A＝e-8.04n0.83fz 0.64ap 0.97aw 0.31

以最低单件成本为目标函数，以刀具寿命作为约束函数，对铣削用量参数进行优化，得到各种刀具的最佳铣削用量组合，具体优化过程为：

①建立目标函数

最低单件成本C和刀具寿命T的函数公式分别为式(5)和式(6)：

$G=t_{m}M+t_{\mathrm{ct}}\frac{t_m}{T}M+t_{\mathrm{ot}}M+\frac{t_m}{T}{C}_t---\left(5\right)$

$T=\frac{C_T}{n^x{f_z}^y}$ (C_T为常数)   (6)

式(5)中有关字母含义：G为最低单件成本(单个工件加工所需最低成本(包括刀具、机床、人工等费用))，M为所选机床单位时间内的加工费用和工人的劳务费；C_t为试验所选用刀具的单件价格；t_m为在试件尺寸规格一定，加工余量、铣削宽度一定的情况下的铣削机动时间；t_ct为换刀时间；t_ot为除换刀时间外的其它辅助时间；T为刀具寿命；铣削加工时的机动铣削时间t_m可写成：

$t_m=\frac{l_w\mathrm{\Δ}}{n{a}_w{f}_{z}Z}=\frac{C_1}{n{f}_z}---\left(7\right);$

式(7)中各字母含义：为常数铣刀刀齿直径；Z为铣刀参与切削的齿数；lm为试件长度；Δ为加工余量；n、f_z、a_w分别为机床转速、每齿进给量和径向切宽；

在实际加工中，零件的加工余量限制了铣削深度和铣削宽度的选取，它们的可选择范围很小，一般先确定其具体值；为简单起见，式(7)中t_otM忽略不计，因为在本次优化中辅助时间t_ot和其它如机动铣削时间t_m相比很短。那么，式(7)可简化为：

$G=t_{m}M+(t_{\mathrm{ct}}M+C_t)\frac{t_m}{T}---\left(8\right);$

令B＝t_ctM+C_t，并将式(6)、(7)式代入到式(8)，得到：

$G=\frac{C_{1}M}{n{f}_z}+\frac{B{C}_1}{C_T}{n}^{x-1}{f_z}^{y-1}---\left(9\right);$

令a＝C₁M，则式(9)变为：

$G=a{n}^{-1}{f_z}^{-1}+b{n}^{x-1}{f_z}^{y-1}---\left(10\right);$

式(10)就是求得的简化了的最低单件成本目标函数；

②建立约束方程

对式(10)两边分别对n和f_z求一阶偏导并令其等于零，得：

$\frac{\∂G}{\∂n}=-a{n}^{-2}{f_z}^{-1}+(x-1)b{n}^{x-2}{f_z}^{y-1}=0---\left(11\right);$

$\frac{\∂G}{\∂n}=-a{n}^{-1}{f_z}^{-2}+(y-1)b{n}^{x-1}{f_z}^{y-2}=0---\left(12\right);$

联立方程组(11)和(12)求解，发现得不到的公共解，即n和f_z无最优解。工程实际中，一般径向切削宽度a_w和轴向切削深度a_p都已确定，因此参数优化主要是针对机床转速n和每齿进给率f_z。

下面通过约束方程求出方程组的次优解，方法为：在一定的约束条件下，选择并确定尽量大的每齿进给量，代入到式(11)或(12)中，求出速度的较大者，然后用其他有关约束条件对优化参数进行修正，得到最佳铣削速度值。

下面选择陕硬前波刃铣刀作为参数优化实例，建立方程组(11)和(12)的刀具寿命约束方程。

试验条件：刀具选择陕硬前波刃铣刀，铣削机床选择DMC70V hi-dyn五坐标加工中心，径向切宽a_w＝20mm，轴向切深a_p＝20mm，试件长度l_m＝500mm。由表2可知陕硬前波刃铣刀刀具寿命经验公式为：

T＝e^14.01n^-0.74f_z ^-0.414a_p ^-0.242a_w ^-0.917              (13)；

即式(6)中x＝0.74，y＝0.414，C_T＝37411。考虑试验时的铣刀是整体式的，换刀时间短，为充分发挥其切削性能，提高生产率，寿命可选得低一些；而在数控机床上装刀、调刀比较复杂，故寿命也不能选的过低。综合这两方面，寿命范围选择为：120min≤T≤240min。代入e＝2.7181、径向切深a_w＝20mm、轴向切深a_p＝20mm至式(13)，故寿命约束方程即为：

120≤3741n^-0.74f_z ^-0.414≤240               (14)；

③对约束方程求解

式(5)～(10)中的有关系数、指数数值如表3所示：

表3式(5)～(10)中的有关系数、指数数值

对于本次优化，铣削时的每齿进给量f_z一般为0.06～0.20mm/Z，现取较大的值代入方程组(11)、(12)计算候选的最佳铣削速度：

1)取f_z＝0.1mm/Z，并将表5中有关数据代入方程组(11)和(12)，得：

n₁＝13661m/min，n₂＝6020m/min   (15)；

(n₁、n₂表示n的每一次的计算值)

2)取f_z＝0.15mm/Z，并将表5中有关数据代入方程组(11)和(12)，得：

n₃＝10888m/min，n₄＝4798m/min   (16)；

(n₃、n₄表示n的每一次的计算值)

3)取f_z＝0.20mm/Z，并将表5中有关数据代入方程组(11)和(12)，得：

n₅＝9311m/min，n₆＝4103m/min   (17)；

(n₅、n6表示n的每一次的计算值)

④优化结果修正

下面利用刀具寿命约束方程对优化结果进行验证修正：

当f_z＝0.1mm/Z时，代入刀具寿命约束方程式(14)得：3309转/min≤n≤8438转/min；

当f_z＝0.15mm/Z时，代入刀具寿命约束方程式(14)得：2642转/min≤n≤6734转/min；

当f_z＝0.20mm/Z时，代入刀具寿命约束方程式(14)得：2246转/min≤n≤5727转/min；

综合上述计算和分析，可得陕硬前波刃刀具重负荷铣削铝合金复合材料结构件最低单件成本的优化参数为：

式(11)中取：f_z＝0.10mm/Z，n＝6020m/min  (18)；

式(12)中取：f_z＝0.15mm/Z，n＝4798m/min  (19)；

式(13)中取：f_z＝0.20mm/Z，n＝4103m/min  (20)；

对各种刀具进行上述相同过程的优化，并结合铣削过程中的寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动，可给出各种刀具的优化参数和加工规范，具体如表4所示(表4列举了几种代表性铝合金及其复合材料结构件重负荷铣削工艺参数优选)。

表3铝合金及其复合材料结构件重负荷铣削工艺参数(加工规范)优选

采用单因素对比方法，机床转速5000转/分钟、进给速度1000mm/分钟、轴向切深20mm、径向切深20mm，获得刀具几何角度、刀尖圆弧半径、刀具齿数、刀具涂层、波刃情况等对刀具寿命、铣削温度、铣削力、铣削振动的影响规律，优选出各种刀具的最佳几何参数。

使用几何参数优选的刀具和经优化的工艺参数，并同时使用本发明提供的惰性气体冷却装置冷却刀具。

铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法适用的铣削用量范围为：机床转速2000～8000转/分钟、进给速度300～3600mm/分钟、轴向切深5～20mm、径向切深5～20mm。

铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法适应对象为铝合金复合材料W形型材的筋板厚度为2～3mm，型腔铺设的沥青类减振材料厚度为2～3mm。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，采用正交试验设计法，测量刀具在铣削用量参数组合下连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号，并从所述连续铣削温度信号、铣削力信号和铣削振动信号中选择相应信号最大值作为预设铣削用量参数组合下的铣削温度、铣削力和铣削振动的数值；

S02：采用正交试验设计法，使用光学显微摄像系统跟踪拍摄测量刀具在不同铣削时间下的刀具后刀面磨损VB；

S03：使用多元线性回归分析，对步骤S01的预设铣削用量参数组合下的铣削温度、铣削力和铣削振动的数值以及步骤S02中刀具后刀面磨损VB进行数据分析，获取刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的回归方程，并通过正交试验及极差分析法获得各铣削用量参数对刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式；

S04：以最低单件成本为目标函数，以刀具寿命作为约束函数，结合步骤S03刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式，将机床转速n、径向切深a_p、轴向切宽a_w与进给速度v_f或者每齿进给量f_z结合后进行参数优化，得到刀具的最佳铣削用量参数组合；

S05：采用单因素对比方法，获得刀具几何角度、刀尖圆弧半径、刀具齿数、刀具涂层和波刃情况对刀具寿命、铣削温度、铣削力、铣削振动的影响规律，优选出刀具的最佳几何参数；

S06：通过惰性气体冷却装置对刀具进行冷却；

S07：使用S05中几何参数经优选的刀具和S04中经优化的最佳铣削用量参数组合，通过步骤S06中提供的惰性气体冷却装置，对大型薄壁铝合金复合材料W形型材铣削加工。

2.根据权利要求1所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述S03使用多元线性回归分析，获取刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动的经验公式，具体包括以下步骤：

通过正交实验法获取刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动经验公式，所述正交试验法采用四因素三水平标准正交表，四因素为铣削用量参数，即分别为机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w；

刀具寿命、铣削温度、铣削力和铣削振动为指数型经验公式，通式为式(1)，

A＝C_An^xf_z ^ya_p ^za_w ^w   (1)

式中A为刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的变量，C_A为常数，式(1)两边取自然对数得，

lnA＝lnC_A-xlnn-ylnf_z-zlna_p-wlna_w   (2)

令Y＝lnA、C＝lnC_A、X₁＝lnn、X₂＝lnf_z、X₃＝lna_p、X₄＝lna_w  (3)

则可得Y＝C-xX₁-yX₂-zX₃-wX₄  (4)

式(4)为求得的刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的回归方程，其中x、y、z、w为回归方程的回归系数，Y、X₁、X₂、X₃、X₄为维数为9的数组向量；通过正交试验表获得Y向量的值后，使用其统计分析工具命令，以Y作为因变量、X₁、X₂、X₃、X₄为自变量，获得回归方程中的各项系数C_A、x、y、z、w的值，从而得到刀具寿命、铣削力、铣削温度和铣削振动的经验公式。

3.根据权利要求1所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述S04具体包括以下步骤，

①建立目标函数

最低单件成本G和刀具寿命T的函数公式分别为式(5)和式(6)：

$G=t_{m}M+t_{\mathrm{ct}}\frac{t_m}{T}M+t_{\mathrm{ot}}M+\frac{t_m}{T}{C}_t---\left(5\right)$

$T=\frac{C_T}{n^x{f_z}^y}$ (C_T为常数，表示表示刀具的寿命参数)  (6)

式(5)中有关字母含义：G为最低单件成本，M为所选机床单位时间内的加工费用和工人的劳务费；C_t为试验所选用刀具的单件价格；t_m为在试件尺寸规格一定，加工余量、铣削宽度一定的情况下的铣削机动时间；t_ct为换刀时间；t_ot为除换刀时间外的其它辅助时间；T为刀具寿命；

铣削加工时的机动铣削时间t_m可写成：

$t_m=\frac{l_w\mathrm{\Δ}}{n{a}_w{f}_{z}Z}=\frac{C_1}{n{f}_z}---\left(7\right);$

式(7)中各字母含义：为常数铣刀刀齿直径；Z为铣刀参与切削的齿数；l_m为试件长度；Δ为加工余量；n、f_z、a_w分别为机床转速、每齿进给量和径向切宽；

为简单起见，式(5)中t_otM忽略不计，那么，式(5)可简化为：

$G=t_{m}M+(t_{\mathrm{ct}}M+C_t)\frac{t_m}{T}---\left(8\right);$

令B＝t_ctM+C_t，并将式(6)、(7)式代入到式(8)，得到：

$G=\frac{C_{1}M}{n{f}_z}+\frac{B{C}_1}{C_T}{n}^{x-1}{f_z}^{y-1}---\left(9\right);$

令a＝C₁M，则式(9)变为：

$G=a{n}^{-1}{f_z}^{-1}+b{n}^{x-1}{f_z}^{y-1}---\left(10\right);$

式(10)就是求得的简化了的最低单件成本目标函数；

②建立约束方程

对式(10)两边分别对n和f_z求一阶偏导并令其等于零，得：

$\frac{\∂G}{\∂n}=-a{n}^{-2}{f_z}^{-1}+(x-1)b{n}^{x-2}{f_z}^{y-1}=0---\left(11\right);$

$\frac{\∂G}{\∂n}=-a{n}^{-1}{f_z}^{-2}+(y-1)b{n}^{x-1}{f_z}^{y-2}=0---\left(12\right);$

③对约束方程求解

分别使用机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w为预设约束条件，在预设约束条件下，选择并确定所述预设约束条件的最大值，将所述最大值代入到式(7)或(8)中，求出约预设束条件下选定的参数的最大值；

④优化结果修正

将在预设约束条件下除选定参数之外的其他参数作为约束条件对选定的参数进行修正，得到最佳选定的参数的修正值，使用机床转速n，进给速度v_f或者每齿进给量f_z，径向切深a_p和轴向切宽a_w修正值的组合即为最佳铣削用量参数组合。

4.根据权利要求1所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述步骤S06惰性气体冷却装置包括支架(1)、刀具(5)、第一喷嘴(2)、第二喷嘴(3)和第三喷嘴(4)，所述刀具设置在支架的一端，所述刀具的下端伸入到支架内部，所述第一喷嘴(2)、第二喷嘴(3)和第三喷嘴(4)分别设置在刀具(5)纵向铣削进给方向的前侧、后侧以及刀具横向铣削进给方向的正方向。

5.根据权利要求4所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述惰性气体冷却装置的压缩气体为氮气，压缩气体的压力为0.6～0.8MPa。

6.根据权利要求4所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述第一喷嘴(2)、第二喷嘴(3)和第三喷嘴(4)均为扇形喷嘴。

7.根据权利要求4所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述第一喷嘴、第二喷嘴和第三喷嘴距离刀具(5)切削刃距离为6～8mm；第一喷嘴(2)、第二喷嘴(3)和第三喷嘴(4)的轴向与刀具轴向的夹角为20°～25°。

8.根据权利要求4所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述惰性气体冷却装置使用过程中切削液的流量为200～240毫升/小时。

9.根据权利要求1所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法适用的铣削用量参数范围为：机床转速2000～8000转/分钟、进给速度300～3600mm/分钟、轴向切深5～20mm、径向切深5～20mm。

10.根据权利要求1所述的铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法，其特征在于，所述铣削大型薄壁铝合金复合材料W形型材的加工方法适应对象为铝合金复合材料W形型材的筋板厚度为2～3mm，型腔铺设的沥青类减振材料厚度为2～3mm。