摘要：在深入分析難加工材料的切削加工特點(diǎn)、刀具及切削參數(shù)評價(jià)體系的基礎(chǔ)上，針對已有的評價(jià)體系不能準(zhǔn)確、量化、全面的評價(jià)刀具及切削參數(shù)的問題，尤其是針對難加工材料進(jìn)行切削加工時(shí)，提出了利用單元體積材料的可變加工成本為指標(biāo)的難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評價(jià)體系。將切削加工過程的經(jīng)濟(jì)性引入到刀具及參數(shù)的評價(jià)指標(biāo)中，實(shí)現(xiàn)了針對難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的準(zhǔn)確、量化評價(jià)。并結(jié)合多種難加工材料進(jìn)行相關(guān)評價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果表明，以單元體積材料的可變加工成本為指標(biāo)的刀具及參數(shù)評價(jià)體系能夠?qū)崿F(xiàn)針對難加工材料進(jìn)行切削加工的刀具及參數(shù)的準(zhǔn)確、量化評價(jià)，為企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行刀具及切削參數(shù)優(yōu)選提供準(zhǔn)確的量化參考。

   
 
      關(guān)鍵詞： 刀具 加工成本 切削參數(shù) 難加工材料

     隨著航空、航天、先進(jìn)武器、石油化工、冶金、船舶以及能源等工業(yè)領(lǐng)域制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種難加工材料的應(yīng)用也日益廣泛 ，如高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度材料、高韌性材料、耐高溫材料、高硬度材料和復(fù)合材料等。特別是在航空航天、先進(jìn)武器裝備領(lǐng)域中，更多的需要眾多零件工作在高溫、高壓、強(qiáng)氧化和燃?xì)飧g的條件下，并且能夠承受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)且能長期可靠地工作；同時(shí)要求材料具備高強(qiáng)度、高剛度而質(zhì)量輕的特性（即比強(qiáng)度和比剛度或比模量高）。材料的難加工性給機(jī)械加工提出了更高的要求。

     隨著材料性能的不斷提升，針對難加工材料進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具及其加工參數(shù)的選擇卻存在較大的盲目性。加工同樣的零件，利用不同檔次的機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，因其價(jià)格和維護(hù)成本相差較大，也需要對其刀具和加工參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到發(fā)揮機(jī)床和刀具最佳性能的目的。然而，當(dāng)面對種類繁多，而且價(jià)格和性能相差巨大的機(jī)床設(shè)備和切削加工刀具時(shí)，因?yàn)闆]有統(tǒng)一、量化的刀具及其加工參數(shù)評價(jià)體系，很難為其選擇合適的刀具和加工參數(shù)[4-5]。

      因此，建立和完善與制造業(yè)水平相關(guān)聯(lián)的難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評價(jià)體系，不但能夠準(zhǔn)確地反映刀具及參數(shù)對難加工材料切削加工的適用性，同時(shí)，也能體現(xiàn)刀具及參數(shù)對機(jī)床和工藝條件的適用性，為工藝人員和操作者針對不同的材料和機(jī)床選擇更為合適的刀具及參數(shù)提供重要的量化參考。

     1 、難加工材料切削加工刀具及參數(shù)評價(jià)體系

     針對切削加工刀具及參數(shù)的評價(jià)來說，不同的材料和切削工藝條件對刀具的選擇應(yīng)起到較大的作用。在不同檔次的數(shù)控機(jī)床上切削同樣的材料或者在相同的數(shù)控機(jī)床上切削不同的材料都應(yīng)對刀具或者參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這樣才能實(shí)現(xiàn)刀具及參數(shù)的優(yōu)化選擇。

  
     1.1 難加工材料切削加工刀具及參數(shù)評價(jià)目標(biāo)函數(shù)的選擇

     切削加工過程是一個(gè)經(jīng)濟(jì)過程，而刀具及相應(yīng)切削參數(shù)選擇的目的也是充分發(fā)揮機(jī)床的優(yōu)勢、獲得較大的利潤。企業(yè)的總利潤可以用式（1）來表示。

     總利潤 = 總價(jià)格 - 總成本。 （ 1）

     目前，難加工材料主要分為以下5 類：高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度材料、高韌性材料、耐高溫材料、高硬度材料和復(fù)合材料等。而幾乎所有難加工材料的切削特點(diǎn)都是刀具壽命短、磨損嚴(yán)重、加工效率低，從而導(dǎo)致加工成本高 。同時(shí)，這些材料主要應(yīng)用于關(guān)鍵或特殊部件中，其切削性能不佳限制了它們得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，這些材料的切削加工技術(shù)水平在各行業(yè)，甚至同一行業(yè)不同企業(yè)都相差較大，很難對難加工材料制成的關(guān)重零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的價(jià)格評估，如果采用最大利潤的目標(biāo)函數(shù)對難加工材料進(jìn)行刀具及切削參數(shù)優(yōu)選和評價(jià)，就很可能會(huì)因?yàn)闊o法準(zhǔn)確評估零部件的價(jià)格而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果不符合材料實(shí)際切削加工的情況 。

     高切削效率為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，是建立在切削工藝非常穩(wěn)定、刀具磨損幾乎可以忽略的前提下，或者有緊急事件發(fā)生時(shí)，可以忽略制造成本，以高切削效率為目標(biāo)，因此其不適合作為難加工材料切削刀具及工藝條件評價(jià)和優(yōu)選的目標(biāo)函數(shù) 。

     在企業(yè)的生產(chǎn)訂單和任務(wù)、社會(huì)制造水平一定的情況下，零部件的價(jià)格是一個(gè)定值。在零部件滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，它不會(huì)隨著刀具、切削參數(shù)和工藝條件的變化而改變。根據(jù)式（1）可知，對于生產(chǎn)任務(wù)量較為穩(wěn)定的企業(yè)來說，通過優(yōu)化刀具及切削參數(shù)來控制生產(chǎn)總成本就可以實(shí)現(xiàn)總利潤最大化[7-10]。

     1.2 單元材料可變加工成本為指標(biāo)的刀具及切削參數(shù)評價(jià)
 
 

    零部件加工時(shí)的成本主要由原材料成本、工人勞動(dòng)成本、能源消耗成本、機(jī)床使用成本、刀具損耗成本以及其它工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、廠房、設(shè)備檢修、夾具使用、切削液使用成本等構(gòu)成[7，8-11]。為了更為方便地在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，對最小加工成本的優(yōu)化模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃巍?/font>

     對于難加工材料切削加工的刀具及其切削參數(shù)的評價(jià)來說，式（3）主要考慮以下幾個(gè)因素：
 
    （1）通過系數(shù)K t 考慮了切削加工的工藝條件，尤其是機(jī)床的性能和成本，反映了針對難加工材料切削加工時(shí)投入的硬件條件。當(dāng)采用不同的機(jī)床、不同的夾具、不同的級別的工人等條件時(shí)，就會(huì)影響系數(shù)K t，進(jìn)而影響單位材料的可變加工成本，從而影響刀具及加工參數(shù)選擇和評價(jià)結(jié)果；

     單元材料的可變加工成本越大，說明此種材料在特定的切削工藝條件下，刀具及相應(yīng)的切削參數(shù)不適合加工此種材料，反之，說明刀具及切削參數(shù)與切削工藝條件和機(jī)床設(shè)備匹配較好，適合加工給定的難加工材料。此外，這種對刀具及切削參數(shù)的評價(jià)指標(biāo)是一個(gè)數(shù)字量，評價(jià)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。

     2 、切削加工刀具及參數(shù)量化評價(jià)實(shí)例

     2.1 高強(qiáng)鈦合金TB6 的銑削加工刀具及參數(shù)評價(jià)

     利用兩種刀具及參數(shù)針對高強(qiáng)鈦合金TB6 進(jìn)行粗銑加工。刀具1 為Φ 32 三刃立銑刀，刀片是Kennametal EDCT180532PDERLD，每個(gè)刀片可轉(zhuǎn)位2次，每片刀片的價(jià)格為100 元；刀具2 的刀片為SandvikR390-1704 31E-PMS30T，每個(gè)刀片可轉(zhuǎn)位2 次，每片刀片的價(jià)格為200 元。

     根據(jù)式（3）及其相應(yīng)參數(shù)的含義，針對高強(qiáng)鈦合金TB6 切削加工的兩種刀具及切削參數(shù)進(jìn)行如下評價(jià)計(jì)算：

    （1）企業(yè)工人的工資為15 元/h，因此得到單位時(shí)間的工時(shí)成本el=0.25 元/min；
    （2）機(jī)床采用桂林機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的XH2312/2.5 三坐標(biāo)龍門加工中心，價(jià)格為200 萬元，使用年限為20 年，因此，計(jì)算出機(jī)床使用成本em=200×104/(20×365×8×60)=0.571 元/min；
    （3）機(jī)床的總功率為40kW，切削加工過程中按照50% 的平均功率，則每小時(shí)的耗電量為20 度，工業(yè)用電按1 元/ 度，從而能夠得到單位時(shí)間的能源消耗成本為ep=0.333 元/min；
     （4）其他不可分割的成本eo=0.1 元/min，包括廠房費(fèi)、切削液費(fèi)用、工裝夾具費(fèi)等；
     （5）刀具1 為Φ 32 三刃立銑刀，刀片可轉(zhuǎn)位2 次，每片刀片的價(jià)格為100 元，得到單次刀具使用成本為ct=3×100/2=150 元；刀具2 的刀片價(jià)格為200 元，得到單次刀具使用成本為ct=3×200/2=300 元；

     兩種刀具的加工效率及單元材料銑削加工的可變加工成本如圖1 所示。
 
 
    通過以上的計(jì)算得到了兩種刀具銑削加工TB6 材料時(shí)的單元材料可變加工成本分別為0.414 元和0.571元。雖然從加工效率來說，刀具2 的材料去除率為6600mm3/min，是刀具1 材料去除率4032mm3/min 的1.64 倍，但是在去除單元體積TB6 材料時(shí)刀具2 所消耗的成本是刀具1 所消耗成本的1.38 倍，從企業(yè)的經(jīng)濟(jì)角度考慮，刀具1 及其相應(yīng)的切削參數(shù)更適合加工TB6鈦合金材料。
 
 
     2.2 鈦合金TC4 銑削加工刀具及參數(shù)評價(jià)

     針對實(shí)際生產(chǎn)中的鈦合金TC4（固溶時(shí)效狀態(tài)）進(jìn)行整體硬質(zhì)合金刀具及切削參數(shù)進(jìn)行評價(jià)和對比。刀具1 為硬質(zhì)合金焊接整體刀具，直徑為Φ 20mm，3 齒，價(jià)格300 元。刀具2 為硬質(zhì)合金整體立銑刀，直徑Φ 20mm，4 齒，價(jià)格為1400 元。機(jī)床三坐標(biāo)立式加工中心，機(jī)床總功率為25kW，價(jià)格45 萬元。利用單元材料的可變加工成本為指標(biāo)對兩種刀具及切削參數(shù)進(jìn)行評價(jià)和對比，計(jì)算過程和結(jié)果如表1 和圖2 所示。

                   圖1 兩種刀具針對TB6材料的加工效果對比
   

                    圖2 兩種刀具針對TC4材料的加工效果對比
 

      從以上的計(jì)算過程和結(jié)果可以看出，兩種刀具的價(jià)格、切削參數(shù)及使用壽命都不相同，很難判斷、評價(jià)兩種刀具對加工條件和材料的適用性。但是在相同的機(jī)床和工藝條件下都能得到相應(yīng)的單元材料可變加工成本。從而反映出在實(shí)驗(yàn)機(jī)床和工藝條件下，刀具1 及相應(yīng)參數(shù)與刀具2 相比的更適合銑削加工鈦合金TC4，其單元材料可變加工成本是刀具2 的43.4%。

     2.3 高溫合金GH4133B 車削刀具及參數(shù)評價(jià)

     通過2.1 和2.2 的分析計(jì)算可知，利用最小單元材料可變加工成本可以量化的評價(jià)刀具及參數(shù)對切削工藝條件和材料的適用性。以下對高溫合金GH4133B 的車削加工刀具及參數(shù)進(jìn)行評價(jià)計(jì)算。

 
                表1 鈦合金TC4銑削加工刀具及參數(shù)的評價(jià)和對比

     試驗(yàn)設(shè)備采用瀧澤數(shù)控車床TC-46，機(jī)床功率為22kW，價(jià)格為79 萬元。刀具采用3 種：刀具1 為Sandvik 陶瓷刀具，價(jià)格為300 元/ 片，可轉(zhuǎn)位8 次；刀具2 為Sandvik 硬質(zhì)合金刀具，價(jià)格為65 元/ 片，可轉(zhuǎn)位4 次；刀具3 為Kennametal 硬質(zhì)合金刀具，價(jià)格為72元/ 片，可轉(zhuǎn)位4 次。試件為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤，如圖3所示，材料為GH4133B，零件直徑為φ 320mm。

    
  
             圖3 GH4133B發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤

    分別利用3 種刀片在各自相對優(yōu)化的參數(shù)條件下對材料進(jìn)行車削加工，根據(jù)加工情況對3 種刀具及參數(shù)進(jìn)行評價(jià)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2 和圖4 所示。雖然陶瓷刀具的單次使用成本最高、刀具單次使用壽命也最短，但是，其較高的材料去除率使陶瓷刀具的單元材料可變加工成本最低，說明在以上機(jī)床和工藝條件、刀具及切削參數(shù)的情況下，刀具1 及相應(yīng)的車削參數(shù)對于加工GH4133B 材料來說最具經(jīng)濟(jì)性，而刀具2 和刀具3 在其相應(yīng)的參數(shù)條件下，雖然刀具成本較低、刀具的使用壽命也相對較長，但是，其材料去除率較低，耗費(fèi)了較多的機(jī)床、人工工時(shí)、能耗和其它工藝成本，從而影響了加工GH4133B 材料的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，通過以上的車削試驗(yàn)也能夠說明利用單元材料可變加工成本的刀具及參數(shù)評價(jià)體系能夠較為客觀的實(shí)現(xiàn)對車削加工刀具及參數(shù)的量化評價(jià)，為刀具、參數(shù)的選擇和評價(jià)提供更為準(zhǔn)確的量化指標(biāo)。

                表2 GH4133B車削加工刀具及參數(shù)的評價(jià)計(jì)算

                 圖4 3種刀具針對GH4133B材料的加工效果對比

     3 、結(jié)論

     （1）針對種類繁多、切削性能和機(jī)理各異的刀具及參數(shù)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，以單元體積材料可變加工成本為指標(biāo)較為適合難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評價(jià)；
     （2）基于單元體積材料可變加工成本的刀具及參數(shù)評價(jià)體系可以實(shí)現(xiàn)對難加工材料切削加工刀具及參數(shù)的量化評價(jià)，并且將刀具及參數(shù)的評價(jià)與切削加工設(shè)備、能耗等工藝條件結(jié)合在一起，從而使評價(jià)結(jié)果更適合實(shí)際生產(chǎn)的需要；
     （3）在整個(gè)刀具及參數(shù)的評價(jià)計(jì)算過程中不需要對切削過程中的條件和因素進(jìn)行等效和估算，是以整個(gè)切削過程的真實(shí)情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算的，因此，針對不同刀具及參數(shù)的評價(jià)結(jié)果更為直觀，且一致性、準(zhǔn)確性較高。