鈦合金銑削功率預(yù)測技術(shù)研究

鄭耀輝，邵晨峰，李曉鵬

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室，沈陽 110136）

鈦合金銑削功率預(yù)測技術(shù)研究

鄭耀輝，邵晨峰，李曉鵬

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室，沈陽 110136）

0 引言

由于鈦合金的比強(qiáng)度大，在航空承力構(gòu)件中應(yīng)用越來越廣泛[1]。但鈦合金的強(qiáng)度大，在銑削特別是粗加工時切削功率也較大。所以，對鈦合金構(gòu)件進(jìn)行加工工藝設(shè)計或數(shù)控編程時，切削功率的預(yù)測或計算非常關(guān)鍵和重要。

雖然，國內(nèi)外對銑削切削功率的計算進(jìn)行了大量的研究[2～6]，但目前，在航空制造企業(yè)里，鈦合金切削功率的預(yù)測普遍還是通過工藝人員自行計算進(jìn)行。分析其原因，其一是各種計算方法計算結(jié)果不準(zhǔn)確，其二用于鈦合金的功率計算數(shù)據(jù)較少。

國內(nèi)普遍采用通過計算圓周切削力，如式（1），然后通過式（2）計算切削功率[7]。

這種方法用于進(jìn)行鈦合金切削功率存在以下問題：1）適用于鈦合金的計算數(shù)據(jù)不多，各個系數(shù)在現(xiàn)有文獻(xiàn)、技術(shù)資料中不易查詢或無法查詢到。2）以切削試驗的方式來識別上述公式的各個系數(shù)，由于考慮的水平因素較多，系數(shù)不易確定。3）上述計算方式是通過車削功率的計算方法推導(dǎo)得到的，實(shí)際應(yīng)用表明，使用該方法計算的結(jié)果存在偏差，有時可達(dá)30%～50%[8]，主要原因是沒有考慮銑刀多齒同時參與切削對切削力的影響。

國外計算切削功率的方法與國內(nèi)不盡相同、特別是一些著名的刀具廠商，如山特維克、瓦爾特等根據(jù)多年的經(jīng)驗，積累了很多計算切削功率的方法和數(shù)據(jù)。國外普遍采用通過切削力系數(shù)kc和平均切屑厚度hm來計算切削功率和扭矩，其計算公式如下[9]：

這種切削功率的計算方法，考慮了銑削加工時切屑厚度不斷變化和多齒參與切削的特點(diǎn)，引入使用平均切屑厚度和切削力系數(shù)變量，計算結(jié)果比較準(zhǔn)確，而且可以查詢到與鈦合金相關(guān)的數(shù)據(jù)較多，但該方法也存在以下問題：1）不同刀具廠商給定的數(shù)據(jù)不盡相同，存在一定的差別。2）同一刀具廠商給定的與鈦合金相關(guān)的數(shù)據(jù)不夠詳盡，沒有考慮具體鈦合金牌號以及不同熱處理狀態(tài)的數(shù)據(jù)差異。3）刀具廠商給定的數(shù)據(jù)沒有反應(yīng)切削力與切削速度的關(guān)系。

論文在修正了原有鈦合金切削功率計算方法的基礎(chǔ)上，建立了新的功率計算模型，提出一種通過測量切削力來識別切削功率公式系數(shù)的方法，完成了TA15鈦合金材料銑削功率預(yù)測模型。

1 鈦合金銑削功率公式系數(shù)識別的理論基礎(chǔ)

論文采用式（3）、式（4）進(jìn)行鈦合金切削功率的計算，但要對切削力系數(shù)公式進(jìn)行修正。通過切削試驗方法在進(jìn)行kc曲率指數(shù)mc和單位切削力系數(shù)kc1.1識別時，需要測量切削功率。目前，沒有直接進(jìn)行切削功率測量的設(shè)備、儀器，需要進(jìn)行間接測量。論文采用的方法為首先測量切削過程的平均切削力，然后計算切削力系數(shù)kc。

1.1 切向切削力與切削力系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)相關(guān)理論，銑削時，切向切削力Fc等于銑削面積A與切削力系數(shù)kc的乘積。單個刀齒的銑削面積A等于平均切屑厚度hm與軸向切深ap的乘積，即A=hm×ap。多個刀齒參與切削時，銑削總面積A∑應(yīng)該是實(shí)際參加切削的刀齒數(shù)Ze與A的乘積[10]。實(shí)際參加切削的刀齒數(shù)Ze可以表達(dá)為刀具與工件的接觸角度c?除以銑刀齒間角。所以，銑削總面積公式為：

式中的平均切屑厚度hm計算如公式（6）所示。

綜上所述，切向切削力Fc公式為：

綜合式（4）和式（7），并考慮切削速度對切削力的影響可以得到：

式中，kvc對于TA15材料退火狀態(tài)一般取0.1。

1.2 切向切削力與切削力測量值的關(guān)系

測量銑削切削力一般使用測力儀進(jìn)行測量，但目前測力儀測量得到的銑削力是依據(jù)測力儀自身的直角坐標(biāo)系的三向力Fx、Fy和Fz。它們的受力方向和大小都與銑刀所受切向切削力不同。為了得到切向切削力，需要把Fx和Fy方向的合力分解為切向切削力和徑向切削力。

如圖1所示，單齒切削時，直線ab為平均切屑厚度，在b點(diǎn)位置處，F(xiàn)x和Fy為切削過程中測力儀（工件）的所受力，F(xiàn)c和Fr為刀具所受的力。根據(jù)作用力與反作用力的原理，F(xiàn)x和Fy的合力與Fc和Fr的合力大小相同，方向相反。所以，切向切削力Fc的計算公式為

式中，F(xiàn)xy為Fx和Fy合力，可以通過銑削力測力儀測量、計算得出，其前提是在測量時一定是單齒參與切削；ebf∠可以通過幾何解析法求出。求解過程如下：

圖1 切向切削力求解示意圖

通過式（9）～式（15）可以得到切向切削力Fc的計算結(jié)果。

2 切削試驗規(guī)劃與系數(shù)識別結(jié)果

工件材料為TA15，熱處理狀態(tài)為退火，抗拉強(qiáng)度930Mpa；使用肯納硬質(zhì)合金立銑刀，直徑10mm，刀齒數(shù)為4，側(cè)刃法向前角為10o，主偏角為90o。為了保證始終是單齒參與切削，徑向切寬ae要小于刀具半徑，設(shè)置為4mm。由于平均切屑厚度hm與軸向切深ap沒有直接關(guān)聯(lián)，切削試驗時軸向切深ap可保持不變，設(shè)置為10mm。三向銑削測力儀安裝時，用百分表找正儀器x軸方向與切削進(jìn)給速度方向平行。切削速度Vc設(shè)置為40mm/min，測量數(shù)據(jù)處理時，F(xiàn)x和Fy方向切削力考慮平均切屑厚度的原因，去噪點(diǎn)后取平均值。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。

表1 XY向平均銑削力數(shù)據(jù)處理

根據(jù)相關(guān)公式，計算平均切屑厚度hm、XY向合力F8、切向切削力Fc以及切削力系數(shù)kc，計算結(jié)果如表2所示。

表2 切向切削力及切削力系數(shù)計算結(jié)果

表2（續(xù)）

使用Excel軟件，建立平均切屑厚度hm與切削力系數(shù)kc的散點(diǎn)圖表，使用指數(shù)方式進(jìn)行回歸分析，得到如圖2所示指數(shù)公式:

圖2 切削力系數(shù)回歸曲線及指數(shù)方程

切削力系數(shù)kc除了與平均切屑厚度hm、切削速度Vc有關(guān)以外，還受刀具的切削刃的前角影響，其影響規(guī)律為前角每增加1度，切削力系數(shù)kc減小1%。所以，TA15退火狀態(tài)下的切削力系數(shù)kc修正為：

將式（17）代入式（3）可以得到TA15退火狀態(tài)下的切削功率預(yù)測模型。

3 鈦合金切削功率預(yù)測模型的驗證

為了驗證功率預(yù)測模型的正確性，進(jìn)行如表3所示切削試驗，計算各組的功率，各組切削參數(shù)下的機(jī)床電機(jī)輸出實(shí)際功率通過數(shù)控系統(tǒng)提供的載荷顯示功能計算得出。計算過程為：首先記錄各組刀具未切削工件時（空載）的載荷讀數(shù)（實(shí)測時其值很小可，可默認(rèn)為0），再記錄切削時的載荷讀數(shù)，二者的差值與機(jī)床電機(jī)額定輸出功率的乘積就是機(jī)床電機(jī)的切削輸出功率。

試驗使用的數(shù)控機(jī)床為VMC850型立式加工中心，機(jī)床電機(jī)額定功率為7.5KW。各計算結(jié)果如表3所示。

分析比較結(jié)果，鈦合金切削功率預(yù)測模型的計算誤差大致在10%以內(nèi)。

表3 功率模型計算結(jié)果與實(shí)測值比較

4 結(jié)論

論文通過解析幾何方法的得到切向切削力與測力儀測量值的關(guān)系公式，提出了通過測量切削力識別鈦合金功率計算公式系數(shù)的方法，修正了鈦合金切削功率計算公式。

論文建立的TA15材料退火狀態(tài)下的功率預(yù)測模型經(jīng)過驗證誤差較小，計算結(jié)果比較準(zhǔn)確。提出的功率預(yù)測方法為比較準(zhǔn)確計算鈦合金銑削功率提供了一種新的可行的方法和思路。

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Research on prediction technique of titanium alloy milling power

ZHENG Yao-hui, SHAO Chen-feng, LI Xiao-peng

針對現(xiàn)有鈦合金銑削功率公式計算誤差大，相關(guān)數(shù)據(jù)較少,經(jīng)驗公式系數(shù)識別不準(zhǔn)確等問題，基于解析幾何的方法得到切向切削力與測力儀測量值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，研究了切向切削力與切削力系數(shù)的關(guān)系，提出了一種方便、可行的識別鈦合金功率預(yù)測模型系數(shù)的方法，考慮了刀具前角和切削速度對切削力系數(shù)的影響，修正了鈦合金銑削功率預(yù)測模型。試驗結(jié)果表明，提出的TA15退火狀態(tài)下的銑削功率預(yù)測模型計算結(jié)果誤差較小，可以比較準(zhǔn)確預(yù)測鈦合金銑削功率。

鈦合金；銑削功率；解析幾何方法；預(yù)測模型

鄭耀輝（1975 -），男，遼寧昌圖人，講師，碩士研究生，研究方向為精密高效數(shù)控加工技術(shù)。

TH164；TP391

A

1009-0134(2014)06(上)-0047-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).13

2014-01-24

中航產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金項目資助（CXY2010SH29）