Fe基熱噴涂涂層切削加工表面質(zhì)量研究*

③

(①裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系，北京 100072；②裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；③北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

損傷零件再制造技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重型機(jī)械以及汽車關(guān)鍵零部件修復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。熱噴涂是再制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，零件熱噴涂之后在尺寸精度、表面質(zhì)量等方面一般不能達(dá)到使用要求，因此對其進(jìn)行一定的機(jī)械加工是非常必要的。熱噴涂涂層因其獨(dú)特的成形特點(diǎn)，與一般均質(zhì)材料的機(jī)械加工具有一定的差異。本文依托再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制備的FeAlCrBSiNb涂層，采用正交試驗(yàn)法，對其切削加工表面粗糙度和結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行研究，旨在探索Fe基非晶涂層切削加工的特點(diǎn)及一般規(guī)律，為再制造技術(shù)的推廣做出貢獻(xiàn)。

1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

利用電弧噴涂技術(shù)制備FeAlCrPSiNb涂層，采用的噴涂工藝為：噴涂電壓36 V，電流150 A，空氣壓力0.7 MPa，噴涂距離200 mm，轉(zhuǎn)臺(tái)速度700 r/min，基體材料45鋼，噴涂厚度1 mm。

采用再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的車銑復(fù)合機(jī)床進(jìn)行切削加工，刀具選用硬質(zhì)合金刀具。加工工件直徑為45 mm，長度為100 mm。

采用時(shí)代TA620型表面粗糙度儀對加工后的工件表面粗糙度進(jìn)行測量。

采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)SANS Power Test對涂層加工后的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)參數(shù)選擇

Fe基涂層材料特性與均質(zhì)材料存在以下差異：(1)涂層內(nèi)部由金屬粒子相互搭接而成，存在非均質(zhì)顆粒和孔隙，在加工過程中易發(fā)生沖擊現(xiàn)象，影響切削加工后涂層的表面質(zhì)量。(2)涂層與基體結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合和物理結(jié)合[2]，加工過程中不合理的切削用量易導(dǎo)致涂層脫落。(3)非晶涂層由于其噴涂工藝限制，通常厚度較小，因此切削深度一般小于均質(zhì)材料。

依據(jù)FeAlCrPSiNb涂層的性能及現(xiàn)有的研究成果[3-4]，參考切削加工手冊中的的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]，對切削深度、切削進(jìn)給量、切削速度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

采用3因素3水平正交試驗(yàn)對Fe基涂層進(jìn)行切削加工。所選因素水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平

2.2 切削試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用L9(34)標(biāo)準(zhǔn)正交表進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，如表2所示，共需進(jìn)行9次試驗(yàn)。采用正交試驗(yàn)方案中的切削用量組合進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)加工長度為10 mm。圖1為加工后的工件。

3 測量及工藝優(yōu)化

3.1 表面粗糙度測量及分析

對工件各加工段的表面粗糙度進(jìn)行測量(如圖2所示)，每段測量5次，取5次的平均值，如表2所示。通過表中數(shù)據(jù)可以看出，采用本文所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)加工參數(shù)可以得到較高的表面質(zhì)量，表明Fe基非晶涂層具有良好的加工性能。

表3為表面粗糙度極差分析結(jié)果，從中可以看出，極差R的大小順序?yàn)椋篟B>RA>RC，表明Fe基非晶涂層切削加工參數(shù)對加工表面粗糙度的影響大小順序?yàn)椋哼M(jìn)給量>切削深度>切削速度。

由各因素的均值ki可以看出在A列：k2

表4為表面粗糙度方差分析結(jié)果，從中可以看出3<6.5

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 表面粗糙度極差分析結(jié)果

表4 表面粗糙度方差分析結(jié)果

因此，在Fe基非晶涂層切削加工中，為得到更好的表面質(zhì)量，提高工藝優(yōu)化的效率，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮切削進(jìn)給量，其次考慮切削深度和切削速度。

3.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度測量及分析

3.2.1 涂層結(jié)合強(qiáng)度測量及結(jié)果分析

參考回轉(zhuǎn)體結(jié)合強(qiáng)度研究[6]中的測量方法對切削加工后的涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測量，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。

以涂層完全脫落時(shí)所測數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。圖4為涂層完全脫落后的試樣。表2中P為9組實(shí)驗(yàn)所測結(jié)合強(qiáng)度，表5為其極差分析結(jié)果。

從表5可以看出，極差R的大小順序?yàn)椋篟A>RB>RC，表明Fe基非晶涂層切削加工中影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的因素影響大小順序?yàn)椋呵邢魃疃?進(jìn)給量>切削速度。

由各因素的均值ki可以看出在A列：k1>k2>k3；B列：k1>k2>k3；C列：k1>k3>k2，因此最優(yōu)方案為A1B1C1，即切削深度為0.1 mm，切削進(jìn)給量為0.1 mm/r，切削速度為100 m/min為試驗(yàn)所得最優(yōu)加工方案。

表5 涂層結(jié)合強(qiáng)度極差分析結(jié)果

表6 結(jié)合強(qiáng)度方差分析結(jié)果

由表6可以看出0.99<6.02

3.2.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度預(yù)測模型建立

為探究切削參數(shù)與涂層加工后結(jié)合強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用統(tǒng)計(jì)回歸法，采用指數(shù)函數(shù)建立結(jié)合強(qiáng)度與切削參數(shù)之間的預(yù)測模型，如式(1)所示：

(1)

其中：P是結(jié)合強(qiáng)度；c為常數(shù)；x，y，z分別為各切削參數(shù)的指數(shù)。對上述公式兩邊分別取自然對數(shù)可得：

lnP=lnc+xlnap+ylnf+zlnv

(2)

令Y=lnP、a=lnc、X1=lnap、X2=lnf、X3=lnv，式(2)可變形為：

Y=a+xX1+yX2+zX3

(3)

式中：a為常數(shù)項(xiàng)，x、y、z為lnσ對Xi(i=1、2、3)的偏回歸系數(shù)。將表2中的測量數(shù)據(jù)P代入式(3)可得如下方程組：

(4)

根據(jù)最小二乘法原理，令多元線性回歸方程的殘差平方和最小，求得a和x、y、z。該預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果如式(5)所示。

(5)

對該模型進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，其顯著性水平P值為0.003 13，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參考量0.01，說明模型高度顯著。為驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)中的切削參數(shù)代入公式(5)中，求出在本文中切削參數(shù)加工條件下的結(jié)合強(qiáng)度預(yù)測值，如表7所示。從表7中可以看出，切削速度在100～140 m/min，切削進(jìn)給量在0.1～0.18 mm/r，切削深度在0.1～0.3 mm條件下，通過預(yù)測模型計(jì)算得到的預(yù)測值與試驗(yàn)實(shí)測值誤差在5%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

表7 結(jié)合加工后結(jié)合強(qiáng)度實(shí)測值與預(yù)測值對比

注：誤差=(預(yù)測值-測量值)/測量值

利用Matlab分別繪制切削深度0.1 mm，切削速度100 m/min，切削進(jìn)給量0.1 mm/r條件下的涂層結(jié)合強(qiáng)度等值線，如圖5所示。

圖5a中，ap=0.1 mm條件下，等值線分布均勻，加工涂層結(jié)合強(qiáng)度隨著f的增大而減小，切削速度對結(jié)合強(qiáng)度影響較小。圖5b中在0.10.2 mm時(shí)，變化梯度逐漸減小。ap越大，加工后涂層結(jié)合強(qiáng)度越小。

3.3 工藝優(yōu)化

加權(quán)綜合評分法是多指標(biāo)正交試驗(yàn)分析的常用方法[7]，其計(jì)算公式如式(6)所示。

Mi=bi1Mi1+bi2Mi2+…+bijMij

(6)

式中：bij為權(quán)因子系數(shù)，表示各項(xiàng)指標(biāo)在綜合加權(quán)評分中占的權(quán)重；Mij為考察指標(biāo)，i為表示第i號(hào)實(shí)驗(yàn)，j為表示第j考察指標(biāo)。其中，權(quán)因子系數(shù)可根據(jù)實(shí)際加工涂層的使用要求、專業(yè)知識(shí)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行權(quán)重的分配。

假設(shè)某一利用熱噴涂修復(fù)的軸類零件，涂層結(jié)合強(qiáng)度是涂層表面質(zhì)量首要考慮指標(biāo)，只有涂層結(jié)合強(qiáng)度滿足一定要求才能保證涂層具有足夠的使用壽命。其次考慮的指標(biāo)是表面粗糙度，表面粗糙度在滿足使用要求的范圍內(nèi)即可使用。因此設(shè)表面粗糙度的權(quán)重為40%，涂層結(jié)合強(qiáng)度的權(quán)重為60%，利用加權(quán)評分法可得表8所示結(jié)果。從表中可以看出1號(hào)實(shí)驗(yàn)加權(quán)總分最高，因此可以認(rèn)為在綜合考慮表面粗糙度和加工后涂層結(jié)合強(qiáng)度的情況下，采用切削深度0.1 mm，進(jìn)給量0.1 mm/r，切削速度100 m/min的切削參數(shù)可以得到最符合要求的表面質(zhì)量。

4 結(jié)語

(1)采用正交試驗(yàn)法對Fe基涂層切削加工后表面粗糙進(jìn)行測量，研究了切削參數(shù)對加工表面粗糙度的影響，結(jié)果表明切削進(jìn)給量是影響表面粗糙度的最主要因素，其次為切削速度、切削深度。在所選水平中的最佳加工方案為：ap=0.2 mm，f=0.1 mm/r，v=140 m/min。

表8 加權(quán)綜合評分法分析結(jié)果

(2)對切削加工后的涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測量，建立了切削參數(shù)與對加工后涂層結(jié)合強(qiáng)度影響的預(yù)測模型。結(jié)果表明切削深度是影響涂層加工后結(jié)合強(qiáng)度的主要因素，最優(yōu)加工方案為切削深度0.1 mm，切削進(jìn)給量0.1 mm/r，切削速度100 m/min。建立的預(yù)測模型可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測加工后涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

(3)利用加權(quán)綜合評分法進(jìn)行工藝優(yōu)化，設(shè)置不同的表面粗糙度值及結(jié)合強(qiáng)度權(quán)重，根據(jù)加權(quán)總分可以選擇出符合表面質(zhì)量要求的切削參數(shù)。

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