銑削大型薄壁鋁合金複合材料w形型材的加工方法
2023-07-08 11:01:21
銑削大型薄壁鋁合金複合材料w形型材的加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，包括以下步驟：S01，測量刀具在銑削用量參數組合下連續銑削溫度信號、銑削力信號和銑削振動信號；S02：測量刀具在不同銑削時間下的刀具後刀面磨損；S03：獲取刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的回歸方程以及經驗公式；S04：銑削用量參數進行參數優化；S05：優選出刀具的最佳幾何參數；S06：通過惰性氣體冷卻裝置對刀具進行冷卻；S07：使用S05中幾何參數經優選的刀具和S04中經優化的最佳銑削用量參數組合，通過惰性氣體冷卻裝置，對大型薄壁鋁合金複合材料W形型材銑削加工。本發明經優化的工藝參數組合，降低刀具磨損率、抑制刀具嚴重粘結失效情況，降低生產成本和提高生產率。
【專利說明】銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種大型薄壁鋁合金複合材料W形型材高效重負荷銑削加工方法，屬於機械製造的軌道車輛車體製造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]鋁合金傳統上一般被歸類於易切削加工材料，然而鋁合金材料硬度低、粘性大、化學活性較強、塑性變形大，生產加工中容易出現刀具不規則磨損、刀具粘結失效、加工表面毛刺和擠壓痕跡嚴重等問題，嚴重影響鋁合金零件生產的效率、質量和成本。近十年來，關於鋁合金高速、超高速銑削加工方面的研究以框體、薄壁等結構為多，銑削時所採用的工具機轉速一般都在(15000?40000) r/min，而關於該材料中低速下(2000?10000r/min)的重負荷和強力銑削加工方面的研究則十分缺乏。鋁合金重負荷和強力銑削時，銑削力和銑削溫度處於較高水平，鋁合金容易發生軟化、產生嚴重積屑瘤甚至熔融，此時需要有效的冷卻方式和冷卻介質。常規切削液大流量冷卻會對鋁合金工件表面造成氧化失色，或對表面造成油汙染而影響後續的焊接加工。因此，我國相關企業大部分使用進口高性能專用切削液，這大大增加了生產成本。對於在特殊場合應用的某些鋁合金結構件，由於生產節拍或生產率的需要，往往需要採用滿刀寬、大切深、高進給的用量組合來對該材料進行重負荷銑削加工。重負荷銑削這些弱剛度結構件時的特點是銑削振動大、銑削力大、銑削溫度高、刀具磨損率遠高於常規銑削加工、刀具成本昂貴。6N01-T5大型薄壁鋁合金複合材料W形型材目前普遍被用於製造高速列車車體，其典型製造工藝過程為:單件鋁合金型材(長23.5m X寬
0.5mX厚0.07m)成形一鋁合金型材中空部位粘結鋪設減振材料(橡膠類或浙青類減振材料鋪設在薄壁筋板交叉處附近)構成鋁合金複合材料一鋁合金複合材料組焊形成部分車體一龍門銑床上加工出窗口、安裝工藝槽等結構一焊接其它附件並形成完整車體。大量減振材料和焊縫的存在使得這種鋁合金複合材料型材的銑削加工機理發生了變化，其銑削溫度、銑削力、銑削振動、刀具壽命和刀具磨損等都與普通鋁合金型材有很大不同。目前，這種鋁合金複合材料型材重負銑削加工存在主要問題有:
[0003]1、由於銑削力大、銑削振動劇烈，塗層刀具容易發生塗層過早剝落現象，從而刀具壽命無明顯提聞;
[0004]2、粉末冶金高速鋼、硬質合金刀具(塗層或無塗層)都會發生嚴重粘結失效情況，特別是後波刃刀具。刀具壽命普遍較低，如粉末冶金高速鋼銑削數分鐘就宣告失效，硬質合金刀具銑削30分鐘內往往就因為刀具嚴重粘結而失效；
[0005]3、加工表面質量差。為了減少刀具成本，企業往往使用較大的刀具磨鈍標準，因此加工表面毛刺、擠壓痕跡和魚鱗狀銑削表面大量存在，需要後續進行人工手工打磨，大大降低了生產率和提高了生產成本；
[0006]4、企業所使用的工具機為鋁合金專用銑削工具機，其自帶的冷卻系統屬於微量潤滑冷卻，從而刀具無法得到充分冷卻，銑削溫度處於較高水平，刀具銑削一段時間後極容易發生嚴重粘結情況；
[0007]5、分層銑削時，薄壁筋板容易被刀具打斷，所以實際加工時只能採用大切深一次銑出加工表面。
[0008]6、常規冷卻潤滑液的效果不理想，企業實際使用的是價格昂貴的進口冷卻液(300元/升)，進一步增加了生產成本。
[0009]因此，需要設計發明出一種適合這種鋁合金複合材料型材重負荷、高效率銑削加工的方法，並需要使用經優化的工藝參數組合，以降低刀具磨損率、抑制刀具嚴重粘結失效情況，最終顯著降低生產成本和提高生產率。
【發明內容】
[0010]發明目的:本發明的目的在於提供一種高效、高質量、低成本、重負荷銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法。
[0011]本發明的技術方案為:
[0012]S01，採用正交試驗設計法，使用紅外測溫儀、三向壓電式測力儀、加速度計同時測量並獲得刀具在銑削用量參數組合下連續銑削溫度信號、銑削力信號和銑削振動信號，並從所述連續銑削溫度信號、銑削力信號和銑削振動信號中選擇相應信號最大值作為預設銑削用量參數組合下的銑削溫度、銑削力和銑削振動的數值；銑削用量參數包括工具機轉速I1、徑向切深ap、軸向切寬aw和進給速度Vf或者每齒進給量fz ；
[0013]S02:採用正交試驗設計法，使用光學顯微攝像系統跟蹤拍攝測量刀具在不同銑削時間下的刀具後刀面磨損VB ；
[0014]S03:使用多元線性回歸分析，對步驟SOl的預設銑削用量參數組合下的銑削溫度、銑削力和銑削振動的數值，S02刀具後刀面磨損VB進行數據分析，獲取刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的回歸方程，並通過正交試驗及極差分析法獲得各銑削用量參數對刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式；即通過步驟SOl和S02測量的數據，獲取銑削用量參數(銑削用量參數包括工具機轉速η、徑向切深Bp、軸向切寬aw和進給速度Vf或者每齒進給量fz)組合下，刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的回歸方程和各銑削用量參數對刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式。
[0015]S04:以最低單件成本為目標函數，以刀具壽命作為約束函數，所述的刀具壽命通過刀具後刀面磨損VB來評估，結合步驟S03刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式，對工具機轉速η、徑向切深ap、軸向切寬aw和進給速度Vf或者每齒進給量fz進行參數優化，得到刀具的最佳銑削用量參數組合；
[0016]S05:採用單因素對比方法，獲得刀具幾何角度、刀尖圓弧半徑、刀具齒數、刀具塗層、波刃情況等對刀具壽命、銑削溫度、銑削力、銑削振動的影響規律，優選出刀具的最佳幾何參數；
[0017]S06:通過惰性氣體冷卻裝置對刀具進行冷卻；較優地，惰性氣體為氮氣；
[0018]S07:使用S05中幾何參數經優選的刀具和S04中經優化的最佳銑削用量參數組合，通過步驟S06中提供的惰性氣體冷卻裝置，對大型薄壁鋁合金複合材料W形型材銑削加工。
[0019]本發明各步驟具體描述如下:
[0020]S03使用多元線性回歸分析，獲取刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式，具體包括以下步驟:
[0021]通過正交實驗法獲取刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動經驗公式，所述正交試驗法採用四因素三水平標準正交表，四因素分別為工具機轉速n，進給速度Vf或者每齒進給量fz，徑向切深ap和軸向切寬aw ；
[0022]刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動使用指數型經驗公式，通式為式(I)，
[0023]A = CAnxf/apzaww (I)
[0024]式中A為刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動的變量，Ca為常數(Ca為經驗參數)，式(I)兩邊取自然對數得，
[0025]InA = lnCA-xlnn-y Infz-Z lnap-wlnaw (2)
[0026]令Y = InA、C = lnCA> X1 = Inn、X2 = lnfz> X3 = Inap> X4 = Inaw (3)
[0027]則可得Y = C-XXj-YXg-ZXg-WX4 (4)
[0028]式(4)為求得的刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動的回歸方程，其中x、y、z、w為回歸方程的回歸係數，Y、X1^ X2> X3、X4為維數為9的數組向量。通過正交試驗表獲得Y向量的值後，使用其統計分析工具命令，以Y作為因變量、X1^ X2> X3> X4為為自變量，獲得回歸方程中的各項係數CA、X、y、z、w的值，從而得到刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動的經驗公式；
[0029]S04具體包括以下步驟，
[0030]①建立目標函數
[0031]最低單件成本G和刀具壽命T的函數公式分別為式(5)和式(6):
【權利要求】
1.一種銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，其特徵在於，包括以下步驟: S01，採用正交試驗設計法，測量刀具在銑削用量參數組合下連續銑削溫度信號、銑削力信號和銑削振動信號，並從所述連續銑削溫度信號、銑削力信號和銑削振動信號中選擇相應信號最大值作為預設銑削用量參數組合下的銑削溫度、銑削力和銑削振動的數值； 502:採用正交試驗設計法，使用光學顯微攝像系統跟蹤拍攝測量刀具在不同銑削時間下的刀具後刀面磨損VB ； 503:使用多元線性回歸分析，對步驟SOl的預設銑削用量參數組合下的銑削溫度、銑削力和銑削振動的數值以及步驟S02中刀具後刀面磨損VB進行數據分析，獲取刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的回歸方程，並通過正交試驗及極差分析法獲得各銑削用量參數對刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式； 504:以最低單件成本為目標函數，以刀具壽命作為約束函數，結合步驟S03刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式，將工具機轉速η、徑向切深&1)、軸向切寬&￥與進給速度Vf或者每齒進給量fz結合後進行參數優化，得到刀具的最佳銑削用量參數組合； 505:採用單因素對比方法，獲得刀具幾何角度、刀尖圓弧半徑、刀具齒數、刀具塗層和波刃情況對刀具壽命、銑削溫度、銑削力、銑削振動的影響規律，優選出刀具的最佳幾何參數； 506:通過惰性氣體冷卻裝置對刀具進行冷卻； 507:使用S05中幾何參數經優選的刀具和S04中經優化的最佳銑削用量參數組合，通過步驟S06中提供的惰性氣體冷卻裝置，對大型薄壁鋁合金複合材料W形型材銑削加工。
2.根據權利要求1所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，其特徵在於，所述S03使用多元線性回歸分析，獲取刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動的經驗公式，具體包括以下步驟: 通過正交實驗法獲取刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動經驗公式，所述正交試驗法採用四因素三水平標準正交表，四因素為銑削用量參數，即分別為工具機轉速n，進給速度Vf或者每齒進給量fz，徑向切深ap和軸向切寬aw ； 刀具壽命、銑削溫度、銑削力和銑削振動為指數型經驗公式，通式為式(I)， A = CAnxf/aPV (I) 式中A為刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動的變量，Ca為常數，式(I)兩邊取自然對數得，
InA = lnCA-xlnn-y Infz-Z lnap-wlnaw (2)
令 Y = InA、C = lnCA、X1 = Inn、X2 = Infz> X3 = lnap、X4 = Inaw (3)
則可得 Y = C-XXj-YXg-ZXg-WX4 (4) 式(4)為求得的刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動的回歸方程，其中x、y、z、w為回歸方程的回歸係數，Y、X1^ X2> X3、X4為維數為9的數組向量；通過正交試驗表獲得Y向量的值後，使用其統計分析工具命令，以Y作為因變量、X1^ X2> X3> X4為自變量，獲得回歸方程中的各項係數CA、X、y、z、w的值，從而得到刀具壽命、銑削力、銑削溫度和銑削振動的經驗公式。
3.根據權利要求1所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，其特徵在於，所述S04具體包括以下步驟， ①建立目標函數 最低單件成本G和刀具壽命T的函數公式分別為式(5)和式(6):
為常數,表示表示刀具的壽命參數)(6)式(5)中有關字母含義:G為最低單件成本，M為所選工具機單位時間內的加工費用和工人的勞務費；Ct為試驗所選用刀具的單件價格；^為在試件尺寸規格一定，加工餘量、銑削寬度一定的情況下的銑削機動時間；tet為換刀時間Atrt為除換刀時間外的其它輔助時間；T為刀具壽命； 銑削加工時的機動銑削時間tm可寫成:
式(7)中各字母含義
為常數銑刀刀齒直徑2為銑刀參與切削的齒數；lm為試件長度；△為加工餘量；n、fz、aw分別為工具機轉速、每齒進給量和徑向切寬； 為簡單起見，式(5)中t。^忽略不計，那麼，式(5)可簡化為:
令B = tctM+Ct，並將式(6)、(7)式代入到式(8)，得到:
令a = C1M, * = —J則式(9)變為:
式(10)就是求得的簡化了的最低單件成本目標函數； ②建立約束方程 對式(10)兩邊分別對η和fz求一階偏導並令其等於零，得:
③對約束方程求解 分別使用工具機轉速n，進給速度Vf或者每齒進給量fz，徑向切深ap和軸向切寬aw為預設約束條件，在預設約束條件下，選擇並確定所述預設約束條件的最大值，將所述最大值代入到式(7)或(8)中，求出約預設束條件下選定的參數的最大值； ④優化結果修正 將在預設約束條件下除選定參數之外的其他參數作為約束條件對選定的參數進行修正，得到最佳選定的參數的修正值，使用工具機轉速n，進給速度Vf或者每齒進給量fz，徑向切深ap和軸向切寬aw修正值的組合即為最佳銑削用量參數組合。
4.根據權利要求1所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，其特徵在於，所述步驟S06惰性氣體冷卻裝置包括支架(1)、刀具(5)、第一噴嘴(2)、第二噴嘴(3)和第三噴嘴(4)，所述刀具設置在支架的一端，所述刀具的下端伸入到支架內部，所述第一噴嘴(2)、第二噴嘴(3)和第三噴嘴(4)分別設置在刀具(5)縱向銑削進給方向的前側、後側以及刀具橫向銑削進給方向的正方向。
5.根據權利要求4所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法,其特徵在於，所述惰性氣體冷卻裝置的壓縮氣體為氮氣，壓縮氣體的壓力為0.6~0.8MPa。
6.根據權利要求4所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法,其特徵在於，所述第一噴嘴(2)、第二噴嘴(3)和第三噴嘴(4)均為扇形噴嘴。
7.根據權利要求4所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法,其特徵在於，所述第一噴嘴、第二噴嘴和第三噴嘴距離刀具(5)切削刃距離為6~8mm ;第一噴嘴(2)、第二噴嘴(3)和第三噴嘴(4)的軸向與刀具軸向的夾角為20°~25。。
8.根據權利要求4所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法,其特徵在於，所述惰性氣體冷卻裝置使用過程中切削液的流量為200~240毫升/小時。
9.根據權利要求1所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，其特徵在於，所述銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法適用的銑削用量參數範圍為:工具機轉速2000~8000轉/分鐘、進給速度300~3600mm/分鐘、軸向切深5~20mm、徑向切深5~20_。
10.根據權利要求1所述的銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法，其特徵在於，所述銑削大型薄壁鋁合金複合材料W形型材的加工方法適應對象為鋁合金複合材料W形型材的筋板厚度為2~3mm,型腔鋪設的浙青類減振材料厚度為2~3_。
【文檔編號】B23C3/00GK104070217SQ201410277830
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】熊文亮, 付細群, 張勃, 王未, 吳金津, 武美妮, 王紅波 申請人:南京南車浦鎮城軌車輛有限責任公司