1、引言

鈦合金因具有密度低 、 比強(qiáng)度高 、 低溫性能好 、耐腐蝕性優(yōu)異以及抗疲勞性等優(yōu)點(diǎn) , 廣泛應(yīng)用于航空航天和船舶等各個(gè)領(lǐng)域 。 但受其物理性能影響 , 鈦合金同樣也是一種典型的難加工材料 , 一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn) 。 PratanT. 等 考慮刃口半徑 、 切片厚度和切削用量等因素,采用有限元仿真方法 ， 建立了微端銑削TC4鈦合金的銑削力模  型 。 趙波等分別對刀具和工件施加超聲振動(dòng) ， 研究了超聲振動(dòng)方向?qū)C4鈦合金銑削特性的影響 ，發(fā)現(xiàn)軸向振動(dòng)更有利于表面形成微織構(gòu)和減小切削力 。 張衛(wèi)華等⑷通過 ABAQUS 軟件建立三維銑削TC4鈦合金有限元模型 ， 分析了軸向切削深度對銑削溫度和銑削力波形的影響 ， 揭示了立銃刀加工鈦合金銑削過程及銑削力波形變化規(guī)律 。 齊向東進(jìn)行干冰低溫內(nèi)冷大進(jìn)給銑削 TC4鈦合金實(shí)驗(yàn) ， 與乳化液切削對比 ， 分析了干冰冷卻對斷屑的作用效果和刀具的磨損情況 。 Y. Hau 等 研究了球頭銃刀加工 TC4鈦合金過程中軸向切削深度 、 銑削方式和加工傾角對銑削力的影響 。 Xu. Z. IK 等研究了噴丸對端銃 、 平面磨等多種表面狀態(tài)下的鈦合金試樣疲勞性能影響 , 結(jié)果表明 , 噴丸均可不同程度地提高材料的疲勞性能 。 李雅青等通過鈦合金的切削實(shí)驗(yàn) ， 分析了銑削振動(dòng)與被加工表面形貌之間的關(guān)系 。 盛曉敏等使用樹脂金剛石和陶瓷 CBN 砂輪進(jìn)行高速磨削加工 TC4鈦合金 ， 研究了工件的表面質(zhì)量與磨削參數(shù)之間的關(guān)系 。

銑削力及表面粗糙度模型的建立是研究鈦合金銑削參數(shù)優(yōu)化選擇及薄壁件加工變形預(yù)測控制的基礎(chǔ) 。 在實(shí)際生產(chǎn)加工中,指數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛運(yùn)用 , 本文通過組織多因素正交實(shí)驗(yàn) , 依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ,采用極差法分析各銑削參數(shù)的影響程度 , 運(yùn)用方差法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ， 并利用 MATLAB 軟件,采用最小二乘法回歸擬合了銑削力及表面粗糙度預(yù)測模型 。

2、正交實(shí)驗(yàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)

影響鈦合金零件銑削力及表面粗糙度因素較多 , 綜合考慮,選用 厶 6 ( 4 5 )正交表 ， 設(shè)計(jì)四因素四水平正交實(shí)驗(yàn) ， 銑削要素分別為 ： 銑削速度 e- ( mmin ) 、 每齒進(jìn)給量龍 ( mm/z ) 、 銑削寬度 - (mm) 和銑削深度 -( mm ) 。 實(shí)驗(yàn)因素水平選擇數(shù)值見表1。

實(shí)驗(yàn)材料選用 TC4鈦合金 ， 屬于 (a +0) 型鈦合金的一種 。 在 WILLEMin 448S2 型五軸數(shù)控加工中心上進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 。 實(shí)驗(yàn)刀具選用 GM - 2B - R3. 0 兩刃硬質(zhì)合金球頭銃刀 。 加工方式采用側(cè)銃(順銃) ，干切 。 表面粗糙度測量使用激光顯微鏡 ( k ey -en c e , v k - x io 0 ) ， 經(jīng) 2 次曲面校正后 ， 多次測量取平均值 。 銑削力的測量使用 Kistler 測力系統(tǒng) ， 主要由 Kistler 9115AA2 測力儀 JKstler 5080 電荷放大器和 Kistler 5692A 數(shù)據(jù)采集器組成 。

2.2 數(shù)據(jù)處理

測力儀采集到的銑削力信號(hào)為與主軸轉(zhuǎn)速和刀具齒數(shù)相關(guān)的周期性振蕩信號(hào) , 而與加工變形直接相關(guān)的為銑削力峰值 。 為得到科學(xué)觀測值,分別取采樣圖譜中平穩(wěn)狀態(tài)下周期性銑削力的峰值作包絡(luò)線 ， 以其極值的均值作為 x , y,z 方向銑削力數(shù)值,并根據(jù)式( 1 ) 求出合力 f 的最大值 , 可表示為

相關(guān)處理過程示意如圖 1 所示,得到最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 2 。

3、正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極差分析

采用極差分析法處理數(shù)據(jù) , 可判斷各銑削參數(shù)對銑削合力 F 和表面粗糙度 Ro 的影響程度 ， 從而找到較優(yōu)參數(shù)組合 。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ， 通過計(jì)算得到各因素下的極差值 R, 相關(guān)結(jié)果分別見圖 2 和圖 3 從圖 2 可看出 ， 各參數(shù)對銑削合力 F 的影響呈正相關(guān) ， 影響程度依次為:銑削深度 -( mm ) 〉 每齒進(jìn)給量力 ( mm/z ) 〉 銑削寬度 -( mm ) 〉 銑削速度

e(m/min) o 因此 ， 對于薄壁類鈦合金零件,從控制銑削力和減小變形的角度出發(fā) ， 應(yīng)優(yōu)先選用較小的銑削深度和每齒進(jìn)給量。

同理 ， 由圖 8 可看出 ， 表面粗糙度 Rn 隨銑削速度上升而下降 ， 隨每齒進(jìn)給量 、 銑削深度和銑削寬度增加而增大 。 各參數(shù)影響程度依次為:每齒進(jìn)給量犬 ( mm/z ) 〉 銑削速度 e o ( m/min ) 〉 銑削深度 I-(mm ) 〉 銑削寬度 nw( mm ) 。 表面粗糙度越小 ， 表明加工表面質(zhì)量越高 ， 故對于精加工零件 , 應(yīng)優(yōu)先考慮每齒進(jìn)給量 ' 的選擇 ， 并盡可能采用高速切削加工技術(shù) 。

3. 2 方差分析

采用極差分析得到各銑削參數(shù)對銑削力和表面粗糙度影響的主次 ， 但不能區(qū)分實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同究竟是由因素水平不同引起 ， 還是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致 ， 故無法明確分析精度 。 通過查閱文獻(xiàn) 可知 ， 方差分析法可以很好解決這個(gè)問題 。 通過計(jì)算得到銑削力和粗糙度方差分析中 Qj 和 O 值 ， 見表 3 。因正交實(shí)驗(yàn)表第 5 列沒有安排因素,故將第 5列的離差平方和 O 用來估計(jì)誤差 O 。 經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn) ,對于銑削力方差分析 ， 因素 1 的均方偏差 MS1 二 S ，小于均方誤差 MO, 所以將 S 并入誤差 ， 得到新的誤差平方和 S = S5 +S ］ , 誤差自由度 ' =2x3 二 6 。

通過計(jì)算得到銑削力和表面粗糙度方差分析具體結(jié)果分別見表 4 和表 5 。

4、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑴c檢驗(yàn)

根據(jù)所建立的銑削速度 e 、 銑削深度 n - 、 切削寬度 n 及每齒進(jìn)給量力四因素經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?， 得

為便于分析計(jì)算 ， 對式 ( 2) 兩邊分別取對數(shù) , 即將非線性函數(shù)轉(zhuǎn)化為線性函數(shù) , 有

使用 MATLAB 軟件 ， 運(yùn)用最小二乘方法進(jìn)行回歸擬合 ， 得到銑削力及表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式模型中的相關(guān)系數(shù) ， 見表 6

硬質(zhì)合金球頭銃刀銑削 TC4鈦合金 ， 銑削力和表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式分別為

表 7 為銑削力和表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式 F 檢驗(yàn)結(jié)果 。 由表可知:兩個(gè)回歸模型的判定系數(shù) R 2 均接近于 1 ; 統(tǒng)計(jì)量觀測值 F 均遠(yuǎn)大于 F 0.05 (4,11 )= 3.36 ； 檢驗(yàn)值"均小于 a 二 0.05 。 因此 ， 可得上述回歸模型的擬合度高 ， 能夠較好地反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況。

5、結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)對TC4鈦合金銑削力及表面粗糙度展開研究 , 主要結(jié)論如下 ：

(1) 通過正交實(shí)驗(yàn)和方差分析表明 ， 在銑削力方面:銑削深度和每齒進(jìn)給量的影響高度顯著 , 銑削寬度存在一定影響 ， 而銑削速度的影響不明顯 。 在表面粗糙度方面:每齒進(jìn)給量和銑削速度影響顯著 ,銑削深度和銑削寬度存在一定的影響 。

(2) 通過極差分析得到在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi) ， 最小銑削力參數(shù)組合為銑削深度 n =4. 3mm 、 每齒進(jìn)給量 fh =4. 41mm 、 銑削寬度 a = 1mm 、 銑削速度 —= 4011 。 最小表面粗糙度參數(shù)組合為每齒進(jìn)給量上 =4. 41mm 、 銑削速度 e = 1041s 、 銑削深度 n =4. 3mm 、 銑削寬度 n ” = 1mm 。

(3) 建立了TC4鈦合金銑削力和表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式 ， 并對回歸模型進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn) ， 結(jié)果表明顯著性較高 。 因此,在一定的參數(shù)范圍內(nèi) ， 該模型可以為后續(xù)的鈦合金薄壁件銑削參數(shù)優(yōu)化 、 有限元仿真計(jì)算及變形控制提供一定的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 沈正華.鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)銑削變形有限元仿真及加工參數(shù)優(yōu)化 [ D ] . 南京:南京航空航天大學(xué) ,2009.

[2] Pmtap T,Patra K , DyaPopce A A. MoPeling cotting force inmicro-milling of Ti-PAi-AV titanium Plop [ J ]. Procenia En-eineedng, 2015,125(12) 434 -139.

[3] 趙波 ， 李鵬濤,張存鷹 ， 等?超聲振動(dòng)方向?qū)?TC4鈦合金銑削特性的影響 [] . 航空學(xué)報(bào) ,2020,41(2):39 -49.

[4] 張衛(wèi)華 ， 劉爭 ， 張亮 . 高效加工 TC4鈦合金的銑削過程數(shù)值模擬 [J ] 工具技術(shù) ,2019,53(2 ) 404 -107.

[5] 齊向東?干冰低溫銑削 TC4鈦合金的試驗(yàn)研究 [D ] . 南京 4 南京航空航天大學(xué), 2017 ．

[6] Y Hac,P Hu. StuUe oa erect of milling parameters oa mili-1/ forces of TC4 titanium adoe[ J] . Revista de la Facoltahde Inge/ieNa U C V, 2017,32(4) ： 724 -733.

[7] Xu Z K'DimUavee J,Antar M,et ai. The inUue/cc of shotpeening oa the faPpue re spouse of TiAAlAV surfaces sub -ject to siAere/t machining processes [ J ]. InternaPouai Jour-nai of Fatmue,2013 ,111 ： 196 - 207.

[8]李雅青 ， 趙培軼 ， 姜彬 ， 等 . 銑削鈦合金加工表面形貌特征參數(shù)的預(yù)測 [J ] 工具技術(shù) ,2020,54(1),41 -46.

[9] 盛曉敏 ， 唐昆 ， 余劍武 ， 等 .TC4鈦合金超高速磨削工藝試驗(yàn)研究 [J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào) ,2008,35(9):28 -32.

[ 0 ] 王艷 ， 張大慶,郭良棟.工程數(shù)學(xué) [M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社 ,2016.

[11 ] 儲(chǔ)成龍.鈦合金銑削表面粗糙度預(yù)測建模 [ D] . 南京:南京航空航天大學(xué) ,2010.

第一作者:王榮華 ， 碩士研究生 ， 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ,210094 南京市

First Auuior : Wang Ronghua ， Posturanuaie , School of Me -chanical Engineering , Nanjing Universitu af Science & Technolo-hy , Nanjing 219094 ， China

通信作者 ： 汪振華 ， 副教授 ， 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ， 210094 南京市

Corfsponning AutUor : Wang Zhengita , Associate Priessor ，School ef Mechanical Engineering ， Nanjing Universitu of Scienca& Technolofy , Nanjing 219004,china