引言

鈦合金因比強度高、耐腐蝕性好、熱強度高等一系列優(yōu)異的性能，在航空航天、國防工業(yè)等高端裝備制造領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。銑削是鈦合金結構件加工中最常用的方法之一。但是，由于鈦合金切削過(guò)程溫度高、切削力大、刀具易磨損等，鈦合金的加工表面質(zhì)量很難控制[2]。探明鈦合金銑削加工表面形貌特征及其對切削參數的響應規律，對實(shí)現鈦合金加工表面質(zhì)量調控和提升鈦合金結構件服役性能具有重要理論和實(shí)踐意義。

銑削加工表面形貌的創(chuàng )成取決于多種因素，如切削參數、刀具材料、刀具磨損程度等，其中切削工藝參數的優(yōu)選是最直接和有效的方法[3]。目前，國內外眾多學(xué)者對TC4鈦合金銑削加工表面形貌及參數優(yōu)化進(jìn)行了一系列的研究。文獻[4]對TC4鈦合金進(jìn)行了銑削加工，發(fā)現每齒進(jìn)給量 f 對表面粗糙度 R_a 的影響最 大 ，最 優(yōu) 的 銑 削 參 數 組 合 為 ：銑 削 速 度v_c = 100 m/min，徑 向 切 深 a_e = 4.3 mm，每 齒 進(jìn) 給 量f_z = 0.02 mm/齒，軸向切深 a_p = 0.05 mm，可獲得的表面粗糙度 R_a = 0.17 μm。文獻[5]通過(guò)開(kāi)展側銑實(shí)驗，研究 了 不 同 切 削 速 度 v_c (48~108 m/min) 以 及 進(jìn) 給 量f (0.04~0.06 mm/r) 下的TC4鈦合金的表面粗糙度 R_a。

結果表明，在較高的切削速度和較低的進(jìn)給量下，表面粗糙度降低了 20% 以上。文獻[6]對TC4鈦合金進(jìn)行了不同切削速度 v_c（30 mm/min 和 60 mm/min）和每齒進(jìn)給量 f_z（0.01 mm/齒和 0.05 mm/齒）的銑削實(shí)驗，并分析了銑削表面粗糙度 S_a 的變化規律。結果表明，f_z 對 S_a 的影響大于 v_c，較低的切削速度和進(jìn)給速度可以獲得較低的表面粗糙度，即較高的表面質(zhì)量。

在切削工藝參數的優(yōu)化方法研究方面，文獻[7]基于遺傳算法以磨損量、表面粗糙度和材料去除率為優(yōu)化目標，對 AISI 1040 鋼切削參數進(jìn)行了多目標優(yōu)化，獲得了最優(yōu)切削參數組合，預測誤差在 2% 以下。文獻[8]以銑削力和材料去除率為評價(jià)指標，采用粒子群優(yōu)化算法對TC4鈦合金加工參數進(jìn)行了多目標優(yōu)化，得 到 了 最 優(yōu) 參 數 組 合 ：v_c = 120 m/min，a_e = 1 mm，f_z = 0.04 mm/z，a_p = 10 mm。文獻[9]以TC4鈦合金銑削力和材料去除率為優(yōu)化目標，基于遺傳算法得到了加工參數的最優(yōu)解集。文獻[10]以銑削力、粗糙度、材料去除率建立了多目標優(yōu)化模型，采用遺傳算法求解獲得了最優(yōu)銑削參數解集，并通過(guò)實(shí)驗證明了該方法的可行性。

為實(shí)現面向側銑加工表面形貌的切削工藝參數優(yōu)選，本文主要開(kāi)展TC4鈦合金側銑加工實(shí)驗研究。

從銑削加工表面微觀(guān)缺陷、表面粗糙度隨切削參數的響應規律和基于遺傳算法的工藝參數優(yōu)化 3個(gè)方面進(jìn)行研究，為T(mén)C4鈦合金側銑加工實(shí)踐提供依據。

1、TC4鈦合金側銑加工實(shí)驗

試驗材料為T(mén)C4鈦合金鍛坯，規格尺寸為30mm×30mm×5mm。材料微觀(guān)組織結構和EDS能譜如圖1所示。

圖中可以看出，TC4鈦合金是α+β型雙相鈦合金，α相為基體相呈灰暗色，β相為強化相附著(zhù)在基體上，呈亮白色。TC4鈦合金主要物理力學(xué)性能如表 1所列。

側銑加工實(shí)驗在型號為GJ SEIKO LM-6050 的數控機床上進(jìn)行。加工刀具選用直徑為50mm的直角六齒可轉位銑刀，刀片選用 Kennametal 公司生產(chǎn)的硬質(zhì) 合 金 AlTiN（PVD）涂 層 刀 片（APPT1135PESR-FSKC522M），其有效切削長(cháng)度為 11 mm?？紤]到干切削方式可以避免切削液阻力引起的排屑不暢，保證加工精度的同時(shí)，可解決鈦合金加工液冷成本高、污染環(huán)境等方面的問(wèn)題。因此，實(shí)驗加工方式選擇干式銑削。側銑加工實(shí)驗現場(chǎng)如圖2所示。

采用 S-4800 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和基恩士形狀測量激光顯微系統 VK-X260K 觀(guān)測銑削后的表面形貌，測量三維表面粗糙度 S_a 以及沿進(jìn)給方向的二維表面粗糙度R_a。

采用三因素四水平 L16（43）正交實(shí)驗方法開(kāi)展實(shí)驗，實(shí)驗考察因素分別為主軸轉速 n、徑向切深 a_e和每轉進(jìn)給量f。具體實(shí)驗方案如表2所列。

2 、結果與分析

2.1 加工表面缺陷

不同銑削條件下獲得的加工表面形貌圖及其對應的三維高度云圖如圖3所示。

從圖 3可以看出，加工表面呈現均勻分布的棱線(xiàn)，這是銑刀和工件之間相對運動(dòng)所產(chǎn)生的進(jìn)給痕跡，相鄰進(jìn)給痕跡之間的距離由進(jìn)給速率決定。由于銑刀后角的影響，在相鄰的進(jìn)給痕跡之間產(chǎn)生了沿進(jìn)給方向的劃痕。進(jìn)給刀痕和表面劃痕可歸結為側銑加工表面固有缺陷，此類(lèi)缺陷分布規律是由刀具幾何特征和刀具-工件相對運動(dòng)形成的。

此外，加工表面還觀(guān)察到黏附顆粒、隨機劃痕和微小裂紋等缺陷。黏附顆?？赡苁俏⑿〉那行蓟蛘呤菑牡毒呱厦撀涞挠操|(zhì)點(diǎn)等[11]。對銑削表面的黏附顆粒進(jìn)行能譜檢測，檢測結果如圖 4 所示。圖 4 a）發(fā)現其成分與TC4鈦合金基體材料基本相同?？梢酝茢?，黏附顆粒主要是在側銑過(guò)程中高溫的微切屑黏附到表面而形成。表面上還存在一些隨機方向的劃痕，這是從銑刀上剝落的硬質(zhì)點(diǎn)、積屑瘤或者切屑在銑削表面滑擦產(chǎn)生[12-13]。圖 4 b）中，劃痕的能譜分析結果與TC4鈦合金的基體材料基本相同?？梢酝茢?，隨機無(wú)定向劃痕是由積屑瘤或碎屑在刀具和工件之間的接觸面滑擦形成。此外，在干式銑削的條件下，由于加工區域中存在較高的熱應力和機械應力，銑削表面便產(chǎn)生了微小裂紋[14]。

2.2 銑削表面粗糙度

不同銑削工藝條件下，加工表面粗糙度 R_a和 S_a隨切削工藝參數的響應規律如圖5所示。

圖 5 a）中，表面粗糙度 R_a 的值隨著(zhù)主軸轉速 n 從400 r/min 增加到 900 r/min 而減小，并在 n = 900 r/min時(shí) 達 到 最 小 值（R_a = 0.944 μm）。 當 主 軸 轉 速 超 過(guò)900 r/min 時(shí)，表面粗糙度呈上升趨勢。主軸速度的增加意味著(zhù)材料變形率的增加，這將導致在銑削過(guò)程中產(chǎn)生更多的熱量。銑刀和工件接觸表面之間的熱量積累會(huì )軟化TC4鈦合金材料，材料的塑性流動(dòng)使得銑削后的表面粗糙度有所降低[15]。但當主軸速度繼續增加時(shí)，刀具與工件接觸表面上積聚的熱量將難以快速消散，導致切屑與銑刀、加工表面間的黏附力增加，從而增加了銑削力[16]。此外，在較高的主軸轉速下，應變硬化和應變率硬化對銑削力的影響大于熱軟化，這也導致銑削力呈上升趨勢[17]。銑削力的增加會(huì )使刀具產(chǎn)生顫振現象[18]，影響了加工的精度，從而惡化了銑削表面質(zhì)量，導致表面粗糙度的增加。

圖 6 為主軸轉速 900 r/min 和 1 150 r/min 下觀(guān)測的加工表面形貌圖?？梢钥闯?，隨著(zhù)主軸轉速的增加，銑削表面質(zhì)量降低。在 n = 1150 r/min 時(shí)獲得的表面高度波動(dòng)遠大于在 n = 900 r/min 處獲得的表面高波動(dòng)，并且表面上黏附顆粒數量大于在 n = 900 r/min 下獲得的。

在圖 5 b）中，隨著(zhù)徑向切深 ae 由 0.2 mm 增加到0.4 mm，表面粗糙度 R_a 的值先是減小了 1.88%，然后顯著(zhù)增加。一方面，工件在加工之前進(jìn)行了預加工以找平加工面。銑刀和工件表面之間的擠壓和摩擦會(huì )導致表面纖維化，從而硬化了待加工表面[19-20]。另一方面，TC4鈦合金的化學(xué)活性非常高，很容易與空氣中的元素反應，產(chǎn)生表面硬化層，這也導致了表面硬度的增加[21]。因此，適當增加徑向切削深度會(huì )使銑刀在一定程度上避免產(chǎn)生表面硬化層，從而更容易切削材料，使表面粗糙度值略微下降。但銑削過(guò)程中，材料剪切區的橫截面積會(huì )隨著(zhù)徑向切深的增加而增加，并且單位時(shí)間材料去除率的增加將導致銑削力的增加，從而使表面粗糙度增加。圖 7 為徑向切深 0.3 mm 和0.4 mm 下觀(guān)測的加工表面三維形貌圖，徑向切深的增加導致表面上黏附顆粒、劃痕的增加和表面質(zhì)量的惡化。當徑向切深 a_e超過(guò)0.4 mm時(shí)，表面粗糙度呈下降趨勢。這可解釋為擠壓變形的進(jìn)一步增加使銑削溫度升高，表面熱軟化效應變得顯著(zhù)[22]。因此，表面材料更容易去除，并且表面質(zhì)量得到改善。

在圖 5 c）中，隨著(zhù)進(jìn)給量 f 從 0.06 mm/r 增加到0.14 mm/r，表面粗糙度 R_a 的值增大了 19.9%。這是由于銑刀在進(jìn)給方向上每單位切削面積的切削時(shí)間減少，加工表面上相鄰峰和谷之間的間距和形態(tài)差異增加。銑刀在加工表面上的殘余高度也有所增加，最終導致表面粗糙度增加。特別是在圖 3 中，進(jìn)給痕跡間的不均勻間距會(huì )惡化表面質(zhì)量，這可歸因于銑削力的增加使銑刀在加工過(guò)程中產(chǎn)生了振動(dòng)[23]。當進(jìn)給量 f超過(guò) 0.14 mm/r 時(shí)，表面粗糙度 R_a 呈現減小的趨勢。這可歸因為銑削溫度變高軟化了TC4鈦合金材料[24]，

從而使材料更容易去除，表面粗糙度降低。另一種可能是涂抹效應[25]，效應降低了工件表面峰值的高度，從而使表面粗糙度 R_a 降低。較高的機械載荷和熱載荷促使了這種現象的發(fā)生。圖 8 為進(jìn)給量 0.14 mm/r和 0.18 mm/r 下觀(guān)測的加工表面三維形貌。隨著(zhù)進(jìn)給量的增加，銑削表面上后刀面引起的劃痕變得更加清晰均勻，表明表面質(zhì)量有所改善。

從圖 5 還可以看出，粗糙度 S_a 的值都高于沿進(jìn)給方向的粗糙度 R_a，S_a與 R_a隨銑削參數有類(lèi)似的變化趨勢，但并不完全相同。圖5 a）中，表面粗糙度S_a隨主軸轉速具有先降低后增加的相同趨勢，并在 n = 900 r/min時(shí)達到最小值（Sa = 1.250 μm）；圖 5 b）中，隨著(zhù)徑向切深 a_e 由 0.2 mm 增 加 到 0.3 mm，粗 糙 度 S_a 增 大 了0.75%，這與粗糙度 Ra 的變化趨勢恰恰相反；圖 5 c）中，當進(jìn)給量 f 超過(guò) 0.14 mm/r 時(shí)，粗糙度 S_a 的值反而呈上升趨勢，這是因為T(mén)C4鈦合金側銑表面不僅包含沿著(zhù)進(jìn)給方向的表面特征，還包括垂直于進(jìn)給方向的特征，如劃痕、隨機顆粒等。特別是銑刀后角引起的劃痕，其在垂直于進(jìn)給方向的高度波動(dòng)導致表面粗糙度S_a的增大。

3、 基于遺傳算法的側銑工藝參數優(yōu)化

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是 1 種模擬達爾文進(jìn)化論中自然選擇和遺傳學(xué)機理生物進(jìn)化過(guò)程的計算模型。該算法將問(wèn)題求解的過(guò)程轉換成生物體中染色體選擇、交叉和變異的過(guò)程，相對于一些常規優(yōu)化算法，其計算簡(jiǎn)單高效。算法的基本流程如圖9所示。

將主軸轉速 n、徑向切深 ae、每轉進(jìn)給量 f 作為優(yōu)化模型的變量，根據正交試驗結果以及各銑削參數的取值范圍，可以得到優(yōu)化目標的約束方程如下：

則優(yōu)化的數學(xué)模型可寫(xiě)為：

借助 MATLAB 數學(xué)軟件平臺，采用 Gamultiobj 函數進(jìn)行優(yōu)化問(wèn)題的求解。在 Gamultiobj 函數的參數中，交叉概率和變異概率的選擇對種群的更新影響最大。交叉的概率過(guò)低會(huì )大大降低種群的更新速度，交叉概率過(guò)高會(huì )破壞種群內的最優(yōu)解；變異概率過(guò)低會(huì )使種群內的有效基因缺失，變異概率過(guò)高雖使得種群多樣性增大，但會(huì )使現有種群規模遭到破壞。因此，需要根據實(shí)際求解問(wèn)題，對參數進(jìn)行合理的處理，具體參數設置如表3所示。

求解后，獲得了 150 組帕累托（Pareto）最優(yōu)解，對應的粗糙度值如圖10所示，部分最優(yōu)解如表4所示。

采用隸屬度函數對 Pareto解集中的最優(yōu)解進(jìn)行評價(jià)：

式（4）中： fi表示第 i個(gè)目標函數，i = 1,2；最優(yōu)結果選取P值最大時(shí)對應的Pareto解集中的銑削參數。

最終得到的多目標優(yōu)化結果為x = ()1 093.48,0.201,0.060T，根據實(shí)際加工經(jīng)驗對結果進(jìn)行近似處理后得到的加工參數為 ：主 軸 轉 速n = 1 093 r/min，徑向切深ae = 0.2 mm，每轉進(jìn)給量f = 0.06 mm/r，對應的目標粗糙度值為R_a = 0.1673μm和Sa = 0.6043μm。

4 、結論

1）TC4鈦合金側銑加工表面微觀(guān)缺陷主要包括進(jìn)給刀痕、后刀面摩擦劃痕、黏附顆粒、微小裂紋和隨機劃痕等。進(jìn)給刀痕和后刀面摩擦劃痕可歸結為側銑加工表面固有缺陷，此類(lèi)缺陷分布規律是由刀具幾何特征和刀具-工件相對運動(dòng)形成的；黏附顆粒、隨機劃痕和微小裂紋等隨機性缺陷，主要是微小切屑附著(zhù)、積屑瘤摩擦以及在熱應力和機械應力的作用下產(chǎn)生的。

2） 銑削表面粗糙度隨主軸轉速的增大先減小后增大；隨徑向切深的增大先增大后減??；隨進(jìn)給量先增大后減小。但 R_a 和 S_a 隨銑削參數的變化規律并不完全，這是因為銑削表面不僅包含沿進(jìn)給方向的特征，還包括垂直于進(jìn)給方向的特征，特別是銑削后角引起的劃痕，其在垂直于進(jìn)給方向的高度波動(dòng)使得 S_a數值增大。

3） 基于遺傳算法以最小表面粗糙度值為優(yōu)化目標，在實(shí)驗參數范圍內得到的最優(yōu)側銑參數組合為：

主軸轉速 n =1093 r/min，徑向切深 a_e = 0.2 mm，每轉進(jìn)給量 f = 0.06 mm/r。在該條件下，可獲得較小的表面粗糙度值，即R_a = 0.1673μm和S_a = 0.6043μm。

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