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EA4T 鋼的深孔鑽削加工切削參數（shù）優化

2018-4-23 來（lái）源：首（shǒu）都航天機械公司作者：沈學靜，張亞波，喬麗平

摘要: 為合理（lǐ）選擇 EA4T 材（cái）料在深孔加工中的切削參數，以改變 EA4T 空心車軸在深孔加工中加工難度高、生產效率低的問題，在深孔（kǒng）加工鑽削力學模型的基礎上，將約束函數和單（dān）優化目（mù）標函數與遺算（suàn）法相結合，建立合理的優化結構。充分考慮深孔鑽削中切削形態和排屑的重要作用，引入切屑的斷屑率 CBＲ和（hé）切屑的容屑係數Ｒ，在試切實驗基礎上綜合考慮加工要（yào）求、效率和成（chéng）本（běn）等因素，對優（yōu）化組合結果進（jìn）行了評估和適當的（de）修正，得（dé）到較為合理、但有較高（gāo）實用價值（zhí）的切削用量優化參數。

關鍵詞: EA4T; 深孔加工; 遺傳算法; 切削（xuē）用量; 斷屑率; 容屑係數

1、引言

隨著我國運輸業和物流（liú）業的飛速發展，高速列車作為其（qí）中主（zhǔ）要組成部分之一（yī），其（qí）相關的技術和理論（lùn）也在不斷進步。因 EA4T 鋼廣泛用於動（dòng）車、高鐵等高速機車（chē）車軸的製造，又被為車軸鋼。EA4T引進（jìn）自德（dé）國，成分含量近似於國產 25Cr Mo4V，具有較（jiào）高的抗疲勞性、韌性塑（sù）形和強度。空心車軸是高速重載車（chē）軸的新研發係列產品，已經成功地應用於動車、高鐵和地鐵等最新高速機車產品中，並逐步擴（kuò）大了應用範圍（wéi）.在 EA4T空心車軸加工製造過程中，深孔鑽削加工（gōng）是突出的技術難點，引起了相關領域學（xué）者和專家的關（guān）注。

EA4T 作為（wéi）一種新型的合金材（cái）料，性能（néng）高（gāo），但導熱性差、加工性低，相對加工性 Kv=0.2－0.45，在其深孔鑽削加工過程中出（chū）現形（xíng）態不規則的長卷屑、切削溫度過高、鑽削力過大等現象，導致（zhì）鑽杆振動、排屑困難和刀具磨損嚴重等加工問題，因此,EA4T 深孔鑽削的相（xiàng）關理論知識還需不斷探索。

切削用量（liàng）是深孔鑽（zuàn）削加工（gōng）中重要的參考因素，合理選擇切削參數（shù）是鑽削順利進行的前提，直接影響切屑形（xíng）態、排屑速度、表麵粗糙度、加（jiā）工精度等眾多因素。對鑽削加工 EA4T 材料時的切削速（sù）度（dù）、進給量、切削液流量等（děng）進行深入（rù）的研究和合（hé）理優化是解決斷屑、排屑和提高加工質量和效率的有效（xiào）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（lì）極大，尤其對於EA4T等價格較高的合金材料來說更是如此，因此綜合利用深孔鑽削（xuē）理論和智能優化算法是切削參數選擇的重要方法。

2、BTA 深孔加工係統

2. 1 BTA 係統工作原（yuán）理

BTA 深孔（kǒng）加工係統為內排屑（xiè）深（shēn）孔加工係統的典型代表，其（qí）基本結構見圖（tú） 1。高壓切削液經授油器通過（guò）鑽杆與工件之間的環狀間隙抵達切削區，將切（qiē）屑頂入鑽頭的排屑通道，並順空心鑽杆的中間排（pái）出，這期間切削液起冷卻潤滑和運送切屑的作用。圖2為 BTA 鑽供（gòng）油（yóu）和排屑的工作簡圖。

圖1 內（nèi）排屑深孔鑽鏜床結構

圖2 BTA 深孔鑽供油和排屑示意圖

2. 2 BTA 深孔鑽削最佳切削條件

加大進（jìn）給量可以增強斷屑效果和（hé）降低切屑長度，有（yǒu）利於切屑排出。提高切削速度（dù）可減少切屑塑性應變和降低切削力，增加材料的去（qù）除率和加工效率。但是，增加（jiā）切削速度或進（jìn）給量（liàng）會產生大量的熱量，減少刀具壽命。對於深孔（kǒng）鑽削來說，切（qiē）削速度和進給量的選擇需要考慮切屑形態、加（jiā）工質量、刀具磨損、切削效率和切削（xuē）成本等眾多因素的綜（zōng）合作（zuò）用，由於順利排屑是深孔加工進行的基礎，因此切削參（cān）數的最佳範圍及（jí）不同切削條件下的切屑斷屑率 CBＲ是最重要的參考（kǎo）指標。當CBR處於合理範圍（wéi）時，切屑的斷裂效果良（liáng）好，綜合考慮加工質量、刀具壽命和加工（gōng）成本等指標，最終確定工件材（cái）料和 BTA刀具匹配的（de）最佳鑽削條件。

由切屑長度(Lch) 與未變形（xíng）的切（qiē）削層公稱切（qiē）屑寬（kuān）度(Wd) 之（zhī）比（bǐ）可以得出切屑的斷屑率CBR為

3 、優化的數學模型

3. 1 目標函數

作為深孔（kǒng）加工技術最常用的加工方式，深孔鑽（zuàn）削生產效率（lǜ）的提高具有很高的經濟性。以最大生產（chǎn）效率為目標函數，加工工時模型為

由於在深孔鑽（zuàn）削中，切削深度和切（qiē）削寬度為（wéi）固定值，令進（jìn）給量（liàng）f和切削速度v為優化變量（liàng），其目標（biāo）函數為

圖3 BTA 深孔鑽三維實體圖

(2) 機（jī）床條件

主軸轉速必須在機床允許的最小轉速Nmin和（hé）最大轉速 Nmax之間，有

4、EA4T 切削參數優化算法

4. 1 遺傳優化算法

由於優化目標函（hán）數與約（yuē）束方程都是非線性方程，采用傳統優化方法（fǎ）很難（nán）達到目的。遺傳（chuán）算法( GA) 是（shì）通過抽象模擬自（zì）然界中生物的遺傳規（guī）律和進化過程的智能搜索優（yōu）化算法（fǎ）。在進行優化計算時，對切削用量（liàng）物種基因鏈編碼、重組，保留基因雜交和變異產生適應強者，其操作流（liú）程見圖4。

圖4 遺傳算法的操作流程（chéng）

4.2 實例優化及驗證

深孔鑽削工（gōng）件材料（liào）為EA4T 實心車軸，重量約（yuē）為 900kg，加工孔直徑Φ59.8mm，孔深 2200mm。加（jiā）工設（shè）備為德州機床（chuáng）廠T2120深孔鑽鏜床，采用（yòng）工件旋轉、刀（dāo）具進給的（de）方式。刀具為錯齒 BTA 機夾式可轉位深孔鑽頭，刀齒（chǐ）材料為塗層硬質合（hé）金，Sandvik係列中的TiN 塗層刀片（piàn）。EA4T 鋼力學性能見表1，其餘基本參數見表2。

表1 EA4T 鋼力學性能

表2 切削用量優化的試驗條件

綜合考慮 EA4T 材料的切削用量需求、算（suàn）法的精確度和程（chéng）序的運行過程，遺傳算法輸入參數中，種群個數 100，最大運行代數 200，個體適應值（zhí）閾值100，染色交叉概（gài）率（lǜ） 0．1，染（rǎn）色體變異（yì）率 0.8。利用Matlab 得到表3所示（shì）最（zuì）終優化結果。

表3 優化算法結果

由於深（shēn）孔加工的特殊性（xìng），需要對優化解的切屑形（xíng）態和排屑程度指標進（jìn）行驗證（zhèng），優化的參數必須滿足（zú）切（qiē）屑斷屑（xiè）率 CBR和切屑容屑係數（shù）Ｒ的參數指標要求。通過研究 EA4T 材料的深孔加工得到: 當CBR≤10 時，切（qiē）削過（guò）程斷屑效果良好，切屑容屑係數R取值為50。分析優化組合（hé）的數據可分為三組切削參數選擇範圍(見表4) 。

表4 試切加工參考切削用量（liàng）

通過試（shì）加工試驗得到以下結果: 第三組試驗的振動較大，刀具磨損最為嚴重的，工件表（biǎo）麵粗糙度不是（shì）很（hěn）理想; 第二組試驗數（shù）據的切屑形態較大，有時會出現雜亂（luàn）的長卷屑，排（pái）屑效果一般。第一組試驗中，當切削速度為 75m/min、進給速度 70mm/min 時（shí），切（qiē）屑形態較為均勻合理（lǐ），測量（liàng）得到CBR=6.68，斷屑效果為（wéi）三組中最（zuì）佳，設定的切削液流量 150L/min、壓（yā）力為 2． 5MPa 時，滿足切屑容屑係數要求，排屑（xiè）效果良好，加工精度和表麵粗糙度均比較理想。因此，加工孔直（zhí）徑 59．8mm，孔深 2200mm 的 EA4T 實心車軸較為合理（lǐ）的優化（huà）切削參數見（jiàn）表5。

表（biǎo）5 EA4T 實心車軸切削用量優化結果

5 、結語

深孔加工是一種複（fù）雜、獨（dú）特的（de）切削加工方式，選擇切削參數時需要考慮的因素較多。EA4T 作為（wéi）一種難（nán）加工的低碳合金材料（liào），在（zài）鑽削加工中，切削力和振動都較大，切屑大多呈帶狀（zhuàng）或螺卷狀長切屑，排屑困難，降低加工質量，鑽削（xuē）速度（dù）難以提（tí）高，加工效率低。本文對深孔鑽削加工的切削用量進行合理優化，建立了基於（yú） GA 的切削用量優化結構。

基於深孔加工的特（tè）殊性，結合優化結果和試切實驗，引入（rù）切屑的斷屑率CBR和（hé）切屑的（de）容屑（xiè）係數（shù）R進行定（dìng）量（liàng）評（píng）估。

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

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