高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V表面粗糙度模型的研究*

劉麗娟，武文革（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原　030051）

高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V表面粗糙度模型的研究*

劉麗娟，武文革
（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030051）

摘要：研究了建模過程中刃口圓弧半徑在高速切削鈦合金時(shí)的影響，從不同的角度研究了刃口半徑與表面粗糙度之間的關(guān)系，建立了基于切削力的模型以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?shí)驗(yàn)證明，在高速銑削Ti-6Al-4V時(shí)，不同的刃口半徑對(duì)其表面粗糙度有不可忽視的影響，該方法對(duì)高速銑削時(shí)刃口半徑的選擇和表面質(zhì)量控制具有指導(dǎo)意義。在該新型模型的幫助下，可以在加工之前根據(jù)工藝參數(shù)較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工件表面粗糙度，從而提高工件表面粗糙度質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高速銑削；模型；刀尖圓弧半徑；表面粗糙度；切削力

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：50975191）；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（編號(hào)：2013-086）

研究表面完整性最常用的指標(biāo)之一是已加工表面粗糙度，這個(gè)指標(biāo)反應(yīng)了垂直方向上實(shí)際表面和理想表面的偏差程度，其大小直接影響到工件的耐磨性、抗腐蝕性以及疲勞強(qiáng)度等，是研究高速切削機(jī)理的熱點(diǎn)問題之一[1]。本文以高速銑削加工鈦合金Ti-6Al-4V為例，測(cè)量影響因素在不同水平下的表面粗糙度，可用來研究各影響因素對(duì)表面粗糙度的響應(yīng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立了考慮刃口半徑的高速銑削模型，從不同角度論述了高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)，刀尖圓弧半徑對(duì)加工過程，尤其是在表面粗糙度方面的影響情況。

1　高速銑削實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文選取材料鈦合金Ti-6Al-4V進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)，主要研究刃口半徑rε對(duì)表面粗糙度的影響情況，因此在常用的影響因素（切削速度vc、進(jìn)給量fz、切削深度ap）的基礎(chǔ)上，將刃口半徑rε考慮在內(nèi)，利用回歸分析與數(shù)值擬合分析方法，研究這幾項(xiàng)因素對(duì)表面粗糙度的交互影響；高速銑削實(shí)驗(yàn)方案選擇單因素和多因素正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，刀具選用SECO刀具R217.69-2525.3-09A可轉(zhuǎn)位銑刀，刀片材質(zhì)為無涂層硬質(zhì)合金，XOMX090308TR-ME06號(hào)刀片，刀片切削前角24°，負(fù)倒棱寬度0.06 mm，刀具齒數(shù)為3，刀具直徑25 mm，刀尖角80°。

2　基于切削力的粗糙度模型

高速銑削鈦合金時(shí)，已加工表面粗糙度Ra受到諸多因素的影響，如切削用量、刀具的選用，切削過程造成的鱗刺、積屑瘤以及工件與刀具變形等[2]。而這些影響因素與切削力關(guān)系密切，換句話說，切削力的大小與材料已加工表面粗糙度之間存在密切的關(guān)系[3-4]，可建立影響系數(shù)如下：

式（1）中，bi：待定系統(tǒng)，i=0，1，2，……，k；ΔF：切削力波動(dòng)范圍，表示為ΔF=max(F)-min(F)；：平均切削力。

式（2）即為基于切削力的高速銑削表面粗糙度模型，計(jì)算粗糙度與試驗(yàn)粗糙度數(shù)據(jù)相比較，如表1所示。

表中δk為計(jì)算值與測(cè)量值的絕對(duì)誤差，Δk為相對(duì)誤差，經(jīng)計(jì)算得知計(jì)算平均誤差為3.83%，說明模型具有良好的計(jì)算精度。

3　表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

假設(shè)表面粗糙度與各影響因素之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，在高速銑削鈦合金時(shí)，由于刀尖圓弧半徑對(duì)表面粗糙度的影響很大[5]，可在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上加上刃口半徑這個(gè)影響因素，建立表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缡剑?）所示。

式（3）中c0～c5是常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。

對(duì)式（3）兩邊取自然對(duì)數(shù)：

令y＝lnRa，x1＝ln ap，x2=ln v，x3＝ln f，x4＝lnae，x5＝ln rε，將上式轉(zhuǎn)換為線性回歸方程：

可建立25組線性回歸方程，如式（4）所示：

式（4）可用矩陣表示如式（5）所示：

表1　基于切削力的高速銑削表面粗糙度模型計(jì)算數(shù)據(jù)與粗糙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

利用最小二乘法，設(shè)k1、k2、k3、k4分別是β1、β2、β3、β4的最小二乘估計(jì)，回歸方程如式（6）：

這里利用最小二乘法原理進(jìn)行計(jì)算，如式（7）所示：

可解得：A=-0.324 2，c1=0.212，c2=0.010，c3=0.453 0，c4=0.056，c5=－0.23，c0=0.723 1，將上述結(jié)果代入式（3）得到式（8）：

選取刃口半徑為0.8的正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式（8）進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示，表1中δk為計(jì)算值與測(cè)量值的絕對(duì)誤差，Δk為相對(duì)誤差，經(jīng)計(jì)算得知計(jì)算平均誤差為6.5%，說明模型具有良好的計(jì)算精度。

圖1為利用實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的粗糙度值與實(shí)際粗糙度值的比較曲線，計(jì)算粗糙度用實(shí)心圓標(biāo)注，測(cè)量粗糙度用實(shí)心方塊標(biāo)注。從圖1中可以看出計(jì)算曲線可以很好地逼近實(shí)際值，該模型有效可靠。

從得到的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式可知，在本模型所考慮的影響因素中，將其按照影響程度從高到低進(jìn)行排列，每齒進(jìn)給量fz對(duì)表面粗糙度的影響最大，切削速度vc影響程度也較大，徑向切削深度ae、軸向切削深度ap、刃口半徑rε依次減弱，這與極差分析和方差分析的結(jié)論是一致的。

表2　表面粗糙度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表

圖1　計(jì)算粗糙度與實(shí)際粗糙度值的比較

4　結(jié)論

綜上所述，本文將刀具刃口半徑rε引入到了高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V表面粗糙度模型，建立了兩種基于刃口半徑的表面粗糙度模型，即切削力相關(guān)粗糙度模型與表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停没貧w計(jì)算法擬合了模型中的參數(shù)，并將模型與高速銑削實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種考慮刃口半徑的表面高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V表面粗糙度模型均具有良好的計(jì)算精度，可用來預(yù)測(cè)高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V的已加工表面粗糙度。

參考文獻(xiàn)：

［1］C.H.Che-Haron.Tool life and surface integrity in turn?ing titanium alloy［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001（118）：231-237.

［2］Y.B.Guo，W.Li.surce integrity char?acterization and prediction in ma?chining of hardened and difficult-to machine alloys：a state-of-art re?search review and analysis［J］.Ma?chining Science and Technology，2009（13）：437-470.

［3］韓滿林，李一民，趙威.高速切削Ti6Al4V鈦合金時(shí)切削溫度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工具技術(shù)，2008，42（6）：10-13.

［4］陳果，葉明.基于斜射式散射法的曲表面粗糙度原理及其系統(tǒng)研究［J］.機(jī)電工程，2014（12）：1535-1540.

［5］劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬熠，艾興.高速銑削過程中表面粗糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2002（12）：10-11.

(編輯：阮毅)

Effects of the High Speed Milling Ti-6Al-4V Model on Surface Integrity

LIU Li-juan，WU Wen-ge
（School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan030051，China）

Abstract:There are several influencing factors.The purpose of the study is to investigate the effects of the edge radius on surface integrity of Ti-6Al-4V.The paper builds model based cutting force and the empirical model.Experimental results show that machined surface integrity of Ti-6Al-4V is sensitive to the variations of the edge radius.The method is effective and can provide a guidance to optimize edge radius.It has realized higher-accuracy prediction of surface integrality in precision high speed milling with one of the models and improves surface roughness quality of the work-piece.

Key words:high speed milling；model；the edge radius；surface roughness；cutting force

作者簡(jiǎn)介：第一劉麗娟，女，1975年生，山西人，碩士，博士。研究領(lǐng)域：先進(jìn)制造技術(shù)。已發(fā)表論文17篇。

收稿日期：2015－03－13

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.07.001

文章編號(hào)：1009－9492 (2015 ) 07－0001－03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG702