TC11鈦合金銑削的表面粗糙度建模及有限元分析

王明海，王京剛，鄭耀輝，李世永，高蕾

(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(yàn)室，遼寧沈陽 110136)

表面粗糙度作為衡量工件表面加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其大小對工件的疲勞強(qiáng)度、摩擦因數(shù)、耐蝕性具有重要影響［1］。

國內(nèi)外對鈦合金銑削加工的表面粗糙度進(jìn)行了大量的研究。D R SALGADO等［2］基于最小二乘法設(shè)計(jì)了振動車削表面粗糙度預(yù)測系統(tǒng)，得到該系統(tǒng)可以更快速、更準(zhǔn)確地預(yù)測表面粗糙度的結(jié)論。Dilbag SINGH等［3］研究了刀具前角和刀尖圓弧半徑對車削AISI 52100表面粗糙度的影響，結(jié)果表明刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響比刀具前角更顯著。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的王剛等人［4］分別采用遞推最小二乘法、基本蟻群算法與混合蟻群算法對表面粗糙度進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明混合蟻群算法預(yù)測效果優(yōu)于其他方法。南京航空航天大學(xué)的趙威等人［5］研究了在氮?dú)庥挽F介質(zhì)下高速銑削Ti-6Al-4V的表面粗糙度情況，結(jié)果表明氮?dú)庥挽F介質(zhì)下的已加工表面粗糙度要低于空氣油霧介質(zhì)及干切削介質(zhì)下的已加工表面粗糙度。

上述對影響表面粗糙度的研究要經(jīng)過大量的試驗(yàn)，既費(fèi)時又耗力。文中通過選定主要的切削用量，建立表面粗糙度的預(yù)測模型，定量分析了各參量對銑削表面粗糙度的影響程度，得到了最佳的切削用量的組合;并采用有限元分析軟件abaqus，分析了加工工件的表面位移的大小，并把加工表面的輪廓算數(shù)平均偏差Ra作為表面粗糙度的評定參數(shù)，得到了與試驗(yàn)一致的結(jié)果，對于降低生產(chǎn)成本，提前分析加工工件的表面粗糙度具有一定的指導(dǎo)義。

1 銑削實(shí)驗(yàn)

影響銑削表面粗糙度的因素很多，如工件材料、刀具參數(shù)及切削用量等，以下主要研究切削用量對表面粗糙度的影響，為此選取主軸轉(zhuǎn)速，每齒進(jìn)給量，切削深度，切削寬度作為參量設(shè)計(jì)［6］。

試驗(yàn)材料選用鈦合金TC11，刀具采用φ10肯納整體硬質(zhì)合金立銑刀，用TR240型手持式粗糙度檢查儀測量工件表面粗糙度。為使表面粗糙度的值更加準(zhǔn)確，在被加工工件的表面同等距離上取5個點(diǎn)，優(yōu)化出3個點(diǎn)，并取其平均值作為表面粗糙度的測量值。

為分析各切削參數(shù)對表面粗糙度的影響情況，根據(jù)Saeed MAGHSOODLOO等［7］給出的信噪比 S/N的計(jì)算方法，進(jìn)行S/N計(jì)算，公式如下:

式中:y為各切削參數(shù)的測量值，n為各因素的總試驗(yàn)組數(shù)。

試驗(yàn)規(guī)劃與測量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 銑削鈦合金試驗(yàn)規(guī)劃與計(jì)算結(jié)果表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回歸分析模型的建立

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過MATLAB多元線性回歸函數(shù)分別對指數(shù)模型、兩種二階線性回歸模型進(jìn)行參數(shù)辨識，辨識結(jié)果如下:

式中:Ra為表面粗糙度，n、fz、ap、ae分別為主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、軸向切深、徑向切寬。bi(i=1，2，…，14)為常量。

其中各模型的相關(guān)系數(shù)r2，F(xiàn)值，P值如表2所示。

表2 各模型辨識相關(guān)參數(shù)值

從表中可以看出3個模型的P值均小于0.05，可知3個回歸模型均成立。Model 3的相關(guān)系數(shù)r2達(dá)到0.976 9與各切削參數(shù)的擬合程度最高，其次分別為 Model2、Model1;而 Model 1和 Model 2的 r2比Model 3的r2分別僅低3.26%和1.87%，可知Model1和Model 2同樣足以很好地表示切削參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系。

2.2 表面粗糙度信噪比S/N分析

控制因素的信噪比S/N值越大表示它對表面粗糙度的影響也越大，信噪比S/N最大值對應(yīng)的控制因素表示在此加工條件下的表面粗糙度越小，即表面質(zhì)量越好［8］。為此可以得到最優(yōu)的切削用量組合。銑削鈦合金表面粗糙度信噪比S/N分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 表面粗糙度信噪比分析結(jié)果

其中控制因素A、B、C、D分別表示主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、軸向切深、徑向切寬。

從圖中可以看出，最大的控制因素為B，其次為A。主軸轉(zhuǎn)速越大對表面粗糙度的影響越大，每齒進(jìn)給量越小對表面粗糙度影響越大，即增大主軸轉(zhuǎn)速或減小每齒進(jìn)給量均可減小表面粗糙度;軸向切深和徑向切寬對表面粗糙度的影響沒明顯規(guī)律。可得到表面粗糙度的優(yōu)化參數(shù)組合為A4B1C1D1，即主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，每齒進(jìn)給量為0.005 mm，軸向切深為0.2 mm，徑向切寬為0.5 mm時可得到最小的Ra。

2.3 表面粗糙度ANVOA分析

為分析各參量對表面粗糙度的影響程度，對表面粗糙度的測量值進(jìn)行了ANVOA分析。分析結(jié)果如表3所示。

表3 表面粗糙度Ra的ANVOA分析表

從表中可以看出fz的P值為0.029 771＜0.05，可知在常規(guī)銑削速度下，每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最為顯著，其次為主軸轉(zhuǎn)速，而軸向切深和徑向切寬對表面粗糙度的影響不是很明顯。

3 銑削鈦合金表面粗糙度有限元仿真

工件加工后表面高度的變化在一定程度上反映了工件的表面加工質(zhì)量。采用有限元分析軟件abaqus對銑削鈦合金TC11表面位移大小進(jìn)行了仿真，如圖2所示。其中工件長度為20 mm，銑刀直徑為8 mm。在工件穩(wěn)定切削后的表面同等距離上取10個點(diǎn)，去掉偏差過大的點(diǎn)，優(yōu)化選取8個點(diǎn)，并取這8個點(diǎn)的輪廓算術(shù)平均偏差作為該切削條件下的表面粗糙度值。從圖中可以看出，工件加工表面的位移小于0.775 μm。

圖2 銑削鈦合金表面位移變化

圖3所示為主軸轉(zhuǎn)速從400 r/min增加到1 000 r/min，每齒進(jìn)給量分別取0.01 mm和0.02 mm的情況下，工件表面粗糙度的變化情況。從圖中可以看出當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速逐漸增大時，加工加工表面粗糙度值逐漸減小。這是由于在低速切削時，刀具及切屑對工件擠壓程度較大，切屑容易黏附在刀具及工件表面，摩擦熱增加，致使切削溫度較高，從而造成工件的表面加工質(zhì)量較差。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速逐漸增大時，切屑的排出效果更好，不易黏附在加工工件及刀具的表面，此時工件表面加工質(zhì)量較好。

圖3 表面粗糙度隨銑削參數(shù)變化曲線

每齒進(jìn)給量fz=0.01 mm明顯小于fz=0.02 mm下加工工件的表面粗糙度值，這是由于進(jìn)給量的增加使得切削力增大，切削溫度升高，致使工件變形程度增大，工件表面高度變化較大，從而導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大。

圖4所示為主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，fz=0.02 mm，在工件表面等距離 (2 mm)選取參考點(diǎn)測量的表面高度的變化情況。從圖中可以看出除少數(shù)點(diǎn)表面高度達(dá)到0.6 μm之外，其余點(diǎn)的表面高度均在－0.4～0.4 μm之間，這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，從而證明通過有限元軟件分析銑削鈦合金加工表面位移大小，把銑削加工表面的輪廓算數(shù)平均偏差Ra作為表面粗糙度的評定參數(shù)，分析表面粗糙度值的可行性及有效性。

圖4 加工表面高度值波動變化曲線

4 結(jié)論

(1)二階模型比指數(shù)模型更好地與表面粗糙度測量值實(shí)現(xiàn)擬合，二階模型Model 3與表面粗糙度的相關(guān)系數(shù)r2達(dá)到0.976 9，更準(zhǔn)確表達(dá)了切削參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系。

(2)信噪比S/N分析和ANVOA分析均得到每齒進(jìn)給量fz對表面粗糙度的影響最大，其次為主軸轉(zhuǎn)速，而軸向切深和徑向切寬對表面粗糙度的影響不是很明顯。信噪比S/N分析得到表面粗糙度的優(yōu)化參數(shù)組合為A4B1C1D1，即主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，每齒進(jìn)給量為0.005 mm，軸向切深為0.2 mm，徑向切寬為0.5 mm時可得到最小的Ra=0.27 μm。

(3)有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，即表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速及每齒進(jìn)給量的變化趨勢及范圍與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=800 r/min，fz=0.02 mm時得到的加工表面高度值變化范圍基本在－0.4～0.4 μm之間，很好地分析了加工工件表面粗糙度值，證明了有限元分析銑削鈦合金表面粗糙度值的可行性及有效性。并且對于控制銑削鈦合金表面粗糙度的大小及提高表面質(zhì)量具有一定的參考意義。

【1】田榮鑫，姚倡鋒，黃新春，等.面向加工表面粗糙度的鈦合金高速銑削工藝參數(shù)區(qū)間敏感性及優(yōu)選［J］.航空學(xué)報，2010，31(12):2464 －2470.

【2】SALGADO D R，ALONSO F J，CAMBERO I，et al.In －Process Surface Roughness Prediction System［J］.Int J Adv Manuf Technol，2009，43:40 －51.

【3】SINGH Dilbag，RAO P Venkateswara.A Surface Roughness Prediction Model for Hard Turning Process［J］.Int J Adv Manuf Technol，2007，32(11/12):1115 －1124.

【4】王剛，張衛(wèi)紅.鈦合金立銑表面粗糙度預(yù)測新方法［J］.航空學(xué)報，2011，32(X):1 －8.

【5】趙威，何寧，李亮，等.氮?dú)庥挽F介質(zhì)下Ti-6Al-4V鈦合金高速銑削試驗(yàn)研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，38(5):634－638.

【6】PRAKSVUDHISARN Chakguy，KUNNAP-APDEELERT Siwaporn，YENRADEE Pisal.Optimal Cutting Condition Eetermination for Desired Surf ace Roughness in the end Milling［J］.Int J Adv Manuf Technol，2009，41(5/6):440 －451.

【7】MAGHSOODLOO Saeed，OZDEMIR Guttekin，JORDAN Victoria，et al.Strengths and Limitations of Taguchi＇s Contributions to Quality，Manufacturing，and Process Engineering［J］.Journal of Manufacturing Systems，2004，23(2):73－126.

【8】LI Liangliang，SUN Yuwen.Experimental Investigation on Surface Integrity in Grinding Titanium Alloys with Small Vitrified CBN Wheel［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，117 －119:1483－1490.