基于正交試驗法的GH4169高速銑削表面粗糙度研究

胡知音，孟廣耀，夏海濤

（青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033）

0 引言

高溫合金GH4169具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕性能，是較為典型生產(chǎn)量較大的鎳基合金之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、動力及石油化工行業(yè)。高速銑削具有提高生產(chǎn)效率、改善加工表面質(zhì)量等優(yōu)點，在先進(jìn)制造技術(shù)中有著強(qiáng)大的生命力。表面粗糙度是衡量加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，它影響零件的裝配互換性、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等。本文對高速銑削不同切削參數(shù)條件下的表面粗糙度進(jìn)行了研究。

正交試驗法是利用整齊的正交表來對試驗進(jìn)行整體設(shè)計、綜合比較、統(tǒng)計分析，在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，以盡可能少的試驗次數(shù)找到影響因素中的主要矛盾，進(jìn)而得出指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的正確結(jié)論。

1 試驗因素和水平的確定

高速切削加工中，影響表面粗糙度的因素很多而且相互作用復(fù)雜，但概括起來可以分為切削參數(shù)、切削過程隨機(jī)因素、刀具因素和工件因素。由于可轉(zhuǎn)位刀具在數(shù)控機(jī)床中的廣泛使用，刀具的幾何尺寸及刀具安裝后形成的刀具幾何參數(shù) （刀具因素）可以相對固定地確定下來，機(jī)床的動態(tài)性能（切削過程隨機(jī)因素）也可以依靠機(jī)床精度保持性得到保證，并且從目前看，在實際生產(chǎn)中主要考慮的還是切削參數(shù)，因此切削參數(shù)的選取就成為影響表面粗糙度的主要因素。本研究確定的試驗因素:銑削深度ap、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f、銑削寬度ae。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，每個因素選出4個不同的因素水平（見表1）。本試驗屬于四因素四水平試驗，選取L16（45）正交表安排試驗，表中選取第2列為空列。

表1 各切削參數(shù)的因素水平

2 高速銑削加工試驗條件

（1）試件材料

鎳基合金 GH4169，10mm×72mm×150mm 矩形塊，加工表面為72mm×150mm，GH4169化學(xué)成分見表2。

表2 GH4169的化學(xué)成分/%

（2）加工機(jī)床及刀具

試驗所用加工機(jī)床為MV-80立式加工中心，機(jī)床行程800mm×800mm×300mm。主軸最高轉(zhuǎn)速4000 r/min。試驗用刀具為鑲片式可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金盤銑刀，鑲嵌刀片為2片，刀片型號為三菱APMT1135PDER-H2，刀桿直徑d=20mm，采用順銑干銑方式。

（3）測量儀器

試件加工表面粗糙度用型號為PGI800-3D的粗糙度輪廓測量分析儀測量。測量原理為:傳感器的金剛石測針沿垂直于試件加工紋理方向運(yùn)動，將表面微觀起伏的上下運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)字處理后顯示測量結(jié)果。選取測量參數(shù):取樣長度L=0.8mm，評定長度為5 L。

3 試驗結(jié)果及分析

在進(jìn)行高速銑削加工后測量試件的表面粗糙度。由于其測量具有不確定性，為減小測量誤差，在此采用3次測量取平均值的方式。分別在試件3個標(biāo)記處測量表面粗糙度，以3次測量的平均值作為該次加工后試件表面粗糙度的評定結(jié)果。表面粗糙度的測量結(jié)果見表3。

表3 表面粗糙度測量結(jié)果

極差分析法計算簡便、直觀、簡單易懂，以反映各因素對試驗指標(biāo)影響的顯著程度。運(yùn)用極差分析法對表4試驗結(jié)果進(jìn)行分析，計算出銑削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和銑削寬度對表面粗糙度的平均影響效果。分析結(jié)果見表4。

表4 對表面粗糙度影響分析結(jié)果

表 4 中 K1、K2、K3、K4分別代表 4 個試驗因素在1、2、3、4水平下測量的表面粗糙度的平均值，R 代表各因素4個水平下的最大極差，由極差結(jié)果可以看出，在高速銑削鎳基合金GH4169的試驗過程中，對加工表面粗糙度影響最為顯著的因素是銑削深度，其次為銑削寬度，影響最弱的因素為主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量。

3.1 高速銑削表面粗糙度成因分析

在實際高速銑削加工過程中，可以認(rèn)為表面粗糙度由理想表面粗糙度和自然表面粗糙度2個獨(dú)立因素綜合影響的結(jié)果。

根據(jù)表4的分析結(jié)果，結(jié)論見圖1。

圖1 高速銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響曲線

式中d——銑刀直徑；

vf——進(jìn)給速度，vf＝fn；

n——主軸轉(zhuǎn)速。

（2）自然表面粗糙度 主要由切削過程中的不確定因素確定，這些因素包括系統(tǒng)剛性、系統(tǒng)振動、刀具磨損、工件組織缺陷等。在加工過程中這些因素的影響可能呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但很多還是具有隨機(jī)性，使得加工表面粗糙度偏離理論粗糙度。

3.2 高速銑削參數(shù)對加工表面粗糙度的影響分析

由圖1可以看出隨著銑削深度的增大，表面粗糙度近似成線性增大，原因是隨著銑削深度的增大，銑削面積增大，切削力增加，導(dǎo)致試件的表面粗糙度增大；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，在轉(zhuǎn)速為1100 ～1300 r/min內(nèi)表面粗糙度略有升高，1300 ～1500 r/min時表面粗糙度值下降很快，但當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定程度后，切屑與刀具的摩擦熱增大，刀具磨損加劇使表面粗糙度值急劇上升；在所選水平之內(nèi)隨著進(jìn)給量的增大，表面粗糙度值有增有減，總體

（1）理想表面粗糙度 主要由刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)來確定，在忽略機(jī)床振顫和運(yùn)動不精確度等因素的前提下可以達(dá)到的最佳表面粗糙度。高速銑削理想表面粗糙度模型為呈現(xiàn)遞增趨勢；隨著銑削寬度的增加表面粗糙度值下降，這是由于銑削寬度較小時刀刃切削的時間極短，試件相對所受沖擊力較大，系統(tǒng)振動略有增加，而下降到一定值后由于銑削寬度的增加使切削力急劇增加，降低了表面加工質(zhì)量。

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