小序

钛合金因比强度高、耐侵蚀性好、热强度高等一系列优异的性能，，，，，在航空航天、国防工业等高端装备制造领域获得了普遍应用 [1] 。。。。。。铣削是钛合金结构件加工中最常用的要领之一。。。。。。可是，，，，，由于钛合金切削历程温度高、切削力大、刀具易磨损等，，，，，钛合金的加工外貌质量很难控制 [2] 。。。。。。探明钛合金铣削加工外貌形貌特征及其对切削参数的响应纪律，，，，，对实现钛合金加工外貌质量调控和提升钛合金结构件服役性能具有主要理论和实践意义。。。。。。

铣削加工外貌形貌的创成取决于多种因素，，，，，如切削参数、刀具质料、刀具磨损水一律，，，，，其中切削工艺参数的优选是最直接和有用的要领 [3] 。。。。。。现在，，，，，海内外众多学者对TC4钛合金铣削加工外貌形貌及参数优化举行了一系列的研究。。。。。。文献[4]对TC4钛合金举行了铣削加工，，，，，发明每齿进给量 f 对外貌粗糙度 R a 的影响最 大 ，，，，，最 优 的 铣 削 参 数 组 合 为 ：铣 削 速 度v c =100 m/min ，，，，，径 向 切 深 a e =4.3 mm ，，，，，每 齿 进 给 量f z =0.02 mm/齿 ，，，，，轴向切深 a p =0.05 mm ，，，，，可获得的外貌粗糙度 R a =0.17 μm 。。。。。。文献[5]通过开展侧铣实验，，，，，研究了差别切削速率 v c (48~108 m/min) 以及进给量f (0.04~0.06 mm/r) 下的TC4钛合金的外貌粗糙度 R a 。。。。。。

效果批注，，，，，在较高的切削速率和较低的进给量下，，，，，外貌粗糙度降低了20%以上。。。。。。文献[6]对TC4钛合金举行了差别切削速率 v c （30 mm/min和60 mm/min）和每齿进给量 f z （0.01 mm/齿和 0.05 mm/齿）的铣削实验，，，，，并剖析了铣削外貌粗糙度 S a 的转变纪律。。。。。。效果批注，，，，，f z 对 S a 的影响大于 v c ，，，，，较低的切削速率和进给速率可以获得较低的外貌粗糙度，，，，，即较高的外貌质量。。。。。。

在切削工艺参数的优化要领研究方面，，，，，文献[7]基于遗传算法以磨损量、外貌粗糙度和质料去除率为优化目的，，，，，对AISI 1040钢切削参数举行了多目的优化，，，，，获得了最优切削参数组合，，，，，展望误差在2%以下。。。。。。文献[8]以铣削力和质料去除率为评价指标，，，，，接纳粒子群优化算法对TC4钛合金加工参数举行了多目的优化，，，，，得 到 了 最 优 参 数 组 合 ： v c =120 m/min ，，，，， a e =1 mm ，，，，，f z =0.04 mm/z ，，，，， a p =10 mm 。。。。。。文献[9]以TC4钛合金铣削力和质料去除率为优化目的，，，，，基于遗传算法获得了加工参数的最优解集。。。。。。文献[10]以铣削力、粗糙度、质料去除率建设了多目的优化模子，，，，，接纳遗传算法求解获得了最优铣削参数解集，，，，，并通过实验证实晰该要领的可行性。。。。。。

为实现面向侧铣加工外貌形貌的切削工艺参数优选，，，，，本文主要开展TC4钛合金侧铣加工实验研究。。。。。。

从铣削加工外貌微观缺陷、外貌粗糙度随切削参数的响应纪律和基于遗传算法的工艺参数优化3个方面举行研究，，，，，为TC4钛合金侧铣加工实践提供依据。。。。。。

1、 TC4钛合金侧铣加工实验

试 验 材 料 为 TC4 钛 合 金 锻 坯 ，，，，，规 格 尺 寸 为30 mm×30 mm×5 mm 。。。。。。质料微观组织结构和 EDS能谱如图1所示。。。。。。

图1 TC4钛合金的微观结构和EDS能谱

Fig.1 Microstructure and EDS spectrum of TC4 titanium alloy

图中可以看出，，，，，TC4 钛合金是 α+β 型双相钛合金，，，，， α 相为基体相呈阴晦色，，，，， β 相为强化相附着在基体上，，，，，呈亮白色。。。。。。TC4钛合金主要物理力学性能如表1所列。。。。。。

侧铣加工实验在型号为GJ SEIKO LM-6050的数控机床上举行。。。。。。加工刀具选用直径为50 mm的直角六齿可转位铣刀，，，，，刀片选用Kennametal公司生产的硬质合金 AlTiN（PVD）涂层刀片（APPT1135PESR-FSKC522M），，，，，其有用切削长度为11 mm。。。。。？？？？？？Ｋ剂康礁汕邢鞣椒梢宰柚骨邢饕鹤枇σ鸬呐判疾怀，，，，，包管加工精度的同时，，，，，可解决钛合金加工液冷本钱高、污染情形等方面的问题。。。。。。因此，，，，，实验加工方法选择干式铣削。。。。。。侧铣加工实验现场如图2所示。。。。。。

图2 铣削实验现场图

Fig.2 Field diagram of milling experiment

接纳S-4800冷场发射扫描电子显微镜和基恩士形状丈量激鲜明微系统 VK-X260K视察铣削后的外貌形貌，，，，，丈量三维外貌粗糙度 S a 以及沿进给偏向的二维外貌粗糙度 R a 。。。。。。

接纳三因素四水平 L 16 （4 3 ）正交实验要领开展实验，，，，，实验考察因素划分为主轴转速 n 、径向切深 a e 和每转进给量 f 。。。。。。详细实验计划如表2所列。。。。。。

2 、效果与剖析

2.1 加工外貌缺陷

差别铣削条件下获得的加工外貌形貌图及其对应的三维高度云图如图3所示。。。。。。

a） 编号P2

a） No. P2

b） 编号P7

b） No. P7

图3 差别铣削参数下的外貌形貌

Fig.3 Surface topographies under different milling parameters

从图3可以看出，，，，，加工外貌泛起匀称漫衍的棱线，，，，，这是铣刀和工件之间相对运动所爆发的进给痕迹，，，，，相邻进给痕迹之间的距离由进给速率决议。。。。。。由于铣刀后角的影响，，，，，在相邻的进给痕迹之间爆发了沿进给偏向的划痕。。。。。。进给刀痕和外貌划痕可归结为侧铣加工外貌固有缺陷，，，，，此类缺陷漫衍纪律是由刀具几何特征和刀具-工件相对运动形成的。。。。。。

别的，，，，，加工外貌还视察到黏附颗粒、随机划痕和细小裂纹等缺陷。。。。。。黏附颗？？？？？？？赡苁窍感〉那行蓟蛘呤谴拥毒呱贤崖涞挠仓实愕 [11] 。。。。。。对铣削外貌的黏附颗粒举行能谱检测，，，，，检测效果如图4所示。。。。。。图4 a）发明其因素与TC4钛合金基体质料基内情同。。。。。？？？？？？？梢酝贫，，，，，黏附颗粒主要是在侧铣历程中高温的微切屑黏附到外貌而形成。。。。。。外貌上还保存一些随机偏向的划痕，，，，，这是从铣刀上剥落的硬质点、积屑瘤或者切屑在铣削外貌滑擦爆发 [12-13] 。。。。。。图4 b）中，，，，，划痕的能谱剖析效果与TC4钛合金的基体质料基内情同。。。。。？？？？？？？梢酝贫，，，，，随机无定向划痕是由积屑瘤或碎屑在刀具和工件之间的接触面滑擦形成。。。。。。别的，，，，，在干式铣削的条件下，，，，，由于加工区域中保存较高的热应力和机械应力，，，，，铣削外貌便爆发了细小裂纹 [14] 。。。。。。

a） 黏附颗粒

a） adhesive particle

b） 划痕

b） scratch

图4 侧铣外貌缺陷的EDS能谱

Fig.4 EDS spectrum of surface defects in peripheral milling

2.2 铣削外貌粗糙度

差别铣削工艺条件下，，，，，加工外貌粗糙度 R a 和 S a 随切削工艺参数的响应纪律如图5所示。。。。。。

图5 差别铣削参数对外貌粗糙度 R a 和 S a 的影响

Fig.5 Effect of different milling parameters on surface roughness R a and S a

图5 a）中，，，，，外貌粗糙度 R a 的值随着主轴转速 n 从400 r/min 增添到 900 r/min 而减小，，，，，并在 n=900 r/min时抵达最小值（ R a =0.944 μm ）。。。。。。当主轴转速凌驾900 r/min 时，，，，，外貌粗糙度呈上升趋势。。。。。。主轴速率的增添意味着质料变形率的增添，，，，，这将导致在铣削历程中爆发更多的热量。。。。。。铣刀和工件接触外貌之间的热量积累会软化TC4钛合金质料，，，，，质料的塑性流动使得铣削后的外貌粗糙度有所降低 [15] 。。。。。。但当主轴速率继续增添时，，，，，刀具与工件接触外貌上积累的热量将难以快速消逝，，，，，导致切屑与铣刀、加工外貌间的黏附力增添，，，，，从而增添了铣削力 [16] 。。。。。。别的，，，，，在较高的主轴转速下，，，，，应变硬化和应变率硬化对铣削力的影响大于热软化，，，，，这也导致铣削力呈上升趋势 [17] 。。。。。。铣削力的增添会使刀具爆发颤振征象 [18] ，，，，，影响了加工的精度，，，，，从而恶化了铣削外貌质量，，，，，导致外貌粗糙度的增添。。。。。。

图6为主轴转速 900 r/min 和 1 150 r/min 下视察的加工外貌形貌图。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，随着主轴转速的增添，，，，，铣削外貌质量降低。。。。。。在 n=1150 r/min 时获得的外貌高度波动远大于在 n=900 r/min 处获得的外貌高波动，，，，，并且外貌上黏附颗粒数目大于在 n=900 r/min 下获得的。。。。。。

a） 编号P11

a） No. P11

b） 编号P16

b） No. P16

图6 在差别主轴转速下的铣削外貌形貌

Fig.6 Milling surface topography at different spindle speeds

在图 5 b）中，，，，，随着径向切深 a e 由 0.2 mm 增添到0.4 mm，，，，，外貌粗糙度 R a 的值先是减小了 1.88%，，，，，然后显著增添。。。。。。一方面，，，，，工件在加工之前举行了预加工以找平加工面。。。。。。铣刀和工件外貌之间的挤压和摩擦会导致外貌纤维化，，，，，从而硬化了待加工外貌 [19-20] 。。。。。。另一方面，，，，，TC4钛合金的化学活性很是高，，，，，很容易与空气中的元素反应，，，，，爆发外貌硬化层，，，，，这也导致了外貌硬度的增添 [21] 。。。。。。因此，，，，，适当增添径向切削深度会使铣刀在一定水平上阻止爆发外貌硬化层，，，，，从而更容易切削质料，，，，，使外貌粗糙度值略微下降。。。。。。但铣削历程中，，，，，质料剪切区的横截面积会随着径向切深的增添而增添，，，，，并且单位时间质料去除率的增添将导致铣削力的增添，，，，，从而使外貌粗糙度增添。。。。。。图7为径向切深0.3 mm和0.4 mm下视察的加工外貌三维形貌图，，，，，径向切深的增添导致外貌上黏附颗粒、划痕的增添和外貌质量的恶化。。。。。。当径向切深 a e 凌驾0.4 mm时，，，，，外貌粗糙度呈下降趋势。。。。。。这可诠释为挤压变形的进一步增添使铣削温度升高，，，，，外貌热软化效应变得显著 [22] 。。。。。。因此，，，，，外貌质料更容易去除，，，，，并且外貌质量获得改善。。。。。。

a） 编号P14

a） No. P14

b） 编号P15

b） No. P15

图7 差别径向切深下的铣削外貌形貌

Fig.7 Milling surface topography at different radial depth of cut

在图 5 c）中，，，，，随着进给量 f 从 0.06 mm/r 增添到0.14 mm/r，，，，，外貌粗糙度 R a 的值增大了19.9%。。。。。。这是由于铣刀在进给偏向上每单位切削面积的切削时间镌汰，，，，，加工外貌上相邻峰和谷之间的间距和形态差别增添。。。。。。铣刀在加工外貌上的剩余高度也有所增添，，，，，最终导致外貌粗糙度增添。。。。。。特殊是在图3中，，，，，进给痕迹间的不匀称间距会恶化外貌质量，，，，，这可归因于铣削力的增添使铣刀在加工历程中爆发了振动 [23] 。。。。。。当进给量 f凌驾 0.14 mm/r 时，，，，，外貌粗糙度 R a 泛起减小的趋势。。。。。。这可归由于铣削温度变高软化了TC4钛合金质料 [24] ，，，，，从而使质料更容易去除，，，，，外貌粗糙度降低。。。。。。另一种可能是涂抹效应 [25] ，，，，，效应降低了工件外貌峰值的高度，，，，，从而使外貌粗糙度 R a 降低。。。。。。较高的机械载荷和热载荷促使了这种征象的爆发。。。。。。图8为进给量0.14 mm/r和0.18 mm/r下视察的加工外貌三维形貌。。。。。。随着进给量的增添，，，，，铣削外貌上后刀面引起的划痕变得越发清晰匀称，，，，，批注外貌质量有所改善。。。。。。

a） 编号P3

a） No. P3

b） 编号P4

b） No. P4

图8 差别进给量下的铣削外貌形貌

Fig.8 Milling surface topography at different feed rate

从图5还可以看出，，，，，粗糙度 S a 的值都高于沿进给偏向的粗糙度 R a ，，，，， S a 与 R a 随铣削参数有类似的转变趋势，，，，，但并不完全相同。。。。。。图5 a）中，，，，，外貌粗糙度 S a 随主轴转速具有先降低后增添的相同趋势，，，，，并在 n=900 r/min时抵达最小值（ S a =1.250 μm ）；；；；；；图5 b）中，，，，，随着径向切深 a e 由 0.2 mm 增添到 0.3 mm，，，，，粗糙度 S a 增大了0.75%，，，，，这与粗糙度 R a 的转变趋势恰恰相反；；；；；；图 5 c）中，，，，，当进给量 f 凌驾0.14 mm/r时，，，，，粗糙度 S a 的值反而呈上升趋势，，，，，这是由于TC4钛合金侧铣外貌不但包括沿着进给偏向的外貌特征，，，，，还包括笔直于进给偏向的特征，，，，，如划痕、随机颗粒等。。。。。。特殊是铣刀后角引起的划痕，，，，，其在笔直于进给偏向的高度波动导致外貌粗糙度 S a 的增大。。。。。。

3 、基于遗传算法的侧铣工艺参数优化

遗传算法（Genetic Algorithm，，，，，GA）是 1 种模拟达尔文进化论中自然选择和遗传学机理生物进化历程的盘算模子。。。。。。该算法将问题求解的历程转换成生物体中染色体选择、交织和变异的历程，，，，，相关于一些通例优化算法，，，，，其盘算简朴高效。。。。。。算法的基本流程如图9所示。。。。。。

图9 遗传算法基本流程图

Fig.9 Basic flowchart of genetic algorithm

将主轴转速 n 、径向切深 a e 、每转进给量 f 作为优化模子的变量，，，，，凭证正交试验效果以及各铣削参数的取值规模，，，，，可以获得优化目的的约束方程如下：

则优化的数学模子可写为：

借助MATLAB数学软件平台，，，，，接纳Gamultiobj函数举行优化问题的求解。。。。。。在 Gamultiobj函数的参数中，，，，，交织概率和变异概率的选择对种群的更新影响最大。。。。。。交织的概率过低会大大降低种群的更新速率，，，，，交织概率过高会破损种群内的最优解；；；；；；变异概率过低会使种群内的有用基因缺失，，，，，变异概率过高虽使得种群多样性增大，，，，，但会使现有种群规模遭到破损。。。。。。因此，，，，，需要凭证现实求解问题，，，，，对参数举行合理的处置惩罚，，，，，详细参数设置如表3所示。。。。。。

求解后，，，，，获得了150组帕累托（Pareto）最优解，，，，，对应的粗糙度值如图10所示，，，，，部分最优解如表4所示。。。。。。

图10 Pareto前端解集

Fig.10 Pareto front set

接纳隶属度函数对Pareto解集中的最优解举行评价：

式（4）中： f i 体现第 i 个目的函数，，，，， i=1,2 ；；；；；；最优效果选取P 值最大时对应的Pareto解集中的铣削参数。。。。。。

最终获得的多目的优化效果为

x= ( ) 1 093.48,0.201,0.060

T ，，，，，凭证现实加工履历对效果举行近似处置惩罚后获得的加工参数为：主轴转速n=1093 r/min ，，，，，径向切深 a e =0.2 mm ，，，，，每转进给量f=0.06 mm/r ，，，，，对应的目的粗糙度值为 R a =0.167 3 μm 和S a =0.604 3 μm 。。。。。。

4、 结论

1） TC4钛合金侧铣加工外貌微观缺陷主要包括进给刀痕、后刀面摩擦划痕、黏附颗粒、细小裂纹和随机划痕等。。。。。。进给刀痕和后刀面摩擦划痕可归结为侧铣加工外貌固有缺陷，，，，，此类缺陷漫衍纪律是由刀具几何特征和刀具-工件相对运动形成的；；；；；；黏附颗粒、随机划痕和细小裂纹等随机性缺陷，，，，，主要是细小切屑附着、积屑瘤摩擦以及在热应力和机械应力的作用下爆发的。。。。。。

2） 铣削外貌粗糙度随主轴转速的增大先减小后增大；；；；；；随径向切深的增大先增大后减。。。。。。唬唬唬唬唬凰娼肯仍龃蠛蠹跣。。。。。。但 R a 和 S a 随铣削参数的转变纪律并不完全，，，，，这是由于铣削外貌不但包括沿进给偏向的特征，，，，，还包括笔直于进给偏向的特征，，，，，特殊是铣削后角引起的划痕，，，，，其在笔直于进给偏向的高度波动使得 S a数值增大。。。。。。

3） 基于遗传算法以最小外貌粗糙度值为优化目的，，，，，在实验参数规模内获得的最优侧铣参数组合为：

主轴转速 n=1 093 r/min ，，，，，径向切深 a e =0.2 mm ，，，，，每转进给量 f=0.06 mm/r 。。。。。。在该条件下，，，，，可获得较小的外貌粗糙度值，，，，，即 R a =0.167 3 μm 和 S a =0.604 3 μm 。。。。。。

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