基于正交試驗的Invar36合金銑削切削參數(shù)優(yōu)化

肖忠躍，劉朝暉

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基于正交試驗的Invar36合金銑削切削參數(shù)優(yōu)化

*肖忠躍，劉朝暉

（井岡山大學(xué)機電工程學(xué)院，江西，吉安343009）

為了研究采用硬質(zhì)合金刀具加工Invar36合金時切削參數(shù)對零件加工表面質(zhì)量的影響，本文采用正交試驗法，設(shè)計了以徑向切深、主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給速度作為主要因素的3因素3水平正交試驗表，并通過極差分析法得到影響表面質(zhì)量的切削參數(shù)最優(yōu)組合和本試驗方案的最優(yōu)水平，最后采用了方差分析法和F-檢驗分析切削參數(shù)影響表面粗糙度的顯著關(guān)系，并驗證了進給速度的變化對零件的表面粗糙度有顯著影響。

Invar36合金；銑削加工；正交試驗；切削參數(shù)優(yōu)化

0 引言

隨著航空、航天、微電子、儀器儀表等高端技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，Invar合金的應(yīng)用越來越廣泛，在某些特殊領(lǐng)域中，如精密儀器、精密模具、精密加工設(shè)備和武器裝備等領(lǐng)域甚至已無可取代[1]。如今，以Invar36合金為代表的低膨脹合金的生產(chǎn)能力也已作為衡量企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的一項重要指標，由于Invar36合金是一種最常用的低膨脹材料[2]，它在物理特性、機械性能等方面與普通合金差別較大，在進行機械加工時存在切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴重、易產(chǎn)生粘刀、擠屑等缺陷使加工表面完整性差且加工殘余應(yīng)力大，屬于典型的難加工材料。然而，由于Invar36合金特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，國外對其研究成果都進行嚴格控制，由于技術(shù)封鎖，可查閱到的國外關(guān)于Invar36合金加工技術(shù)方面可供參考的文獻十分稀少，且都是些簡單介紹[3]；國內(nèi)關(guān)于Invar36合金加工工藝與技術(shù)方面的研究工作也不全面，缺乏系統(tǒng)性，相關(guān)技術(shù)資料不多，主要基于車削與磨削加工工藝性與表面完整性的研究，如邢紹美[4]研究了難切削材料4J32低膨脹合金在機械切削加工過程中的工藝過程及其改變切削性能的熱處理方法；佟曉靜[5]結(jié)合熱處理工藝研究了Invar36低膨脹合金材料的車削加工工藝；牟森[6]研究了Invar36合金的磨削加工性和表面完整性，并做了初步評價，而喬玉鵬[7-8]則進一步研究了Invar36合金的低應(yīng)力情況下的磨削加工性能和車削加工性能；李文[9]對高溫低膨脹super-invar合金薄壁筒件的車削加工變形控制進行了研究，并提出了減少加工變形的方法。而有關(guān)Invar36合金的銑削加工工藝性能的研究就更少，主要有南京航空航天大學(xué)營國福[10]等研究了Invar36合金的端面銑削工藝參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，并對切削參數(shù)對切削力影響的顯著性進行了分析。

綜合上述文獻資料，前人主要研究了Invar合金的機械加工工藝性能及其相應(yīng)的熱處理方法，Invar合金的磨削加工性能與車削加工性能及其變形控制和銑削工藝參數(shù)對銑削力的影響規(guī)律。因此，本文從加工表面質(zhì)量出發(fā)，研究Invar36合金銑削過程中切削工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并提出采用正交試驗的方法建立3因素3水平銑削試驗方案，并通過極差分析法分析得到Invar36合金影響加工表面質(zhì)量的銑削工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，在此基礎(chǔ)上，運用方差分析法對切削參數(shù)影響表面質(zhì)量的顯著性進行了分析。

1 試驗條件和試驗方案

1.1 試驗條件

試驗采用硬質(zhì)合金YL10.2刀具，刀具規(guī)格型號：4F-12 mm×30C×12×75 L，在VMC850立式加工中心上進行，加工表面質(zhì)量采用Mahr數(shù)顯粗糙度儀進行檢測，工件材料為Invar36低膨脹合金，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2所示。

表1 Invar36合金的化學(xué)成分 %

表2 Invar36合金的主要力學(xué)性能

1.2 試驗方案

為了減少試驗次數(shù)和節(jié)約試驗成本，并保證較高的試驗精度，本文采用正交試驗法，以便同時安排多個因素進行實驗。根據(jù)正交試驗均衡分散的性質(zhì)和試驗中每一因素的不同水平的試驗次數(shù)相同，且不同因素的各水平相遇幾率相等的特點，為了揭示銑削參數(shù)影響工件加工表面質(zhì)量的內(nèi)在規(guī)律，在實驗中，選擇將徑向切深(ae)、主軸轉(zhuǎn)速(S)、每齒進給速度(fz)作為主要因素，且每個因素選擇3個水平，如表3所示，在此基礎(chǔ)上，建立3因素3水平的正交表試驗方案，如表4所示。試驗時，銑削加工采用逆銑加工方式、干切法。

表3 試驗切削參數(shù)水平表

表4切削參數(shù)優(yōu)化試驗方案

Table 4 Cutting parameter optimization test program

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 極差分析法

為了減少偶然因素引起的誤差，在進行粗糙度測量時，每組試驗重復(fù)三次，每次測得兩個數(shù)據(jù)點，再取平均值，試驗結(jié)果表5所示。

由表5可以看出，各因素對試驗結(jié)果的影響是不相同的，它們的影響順序：每齒進給速度fz>徑向切深ae>主軸轉(zhuǎn)速S；但對于提高零件加工質(zhì)量降低表面粗糙度來說，主軸轉(zhuǎn)速S、徑向切深ae和進給速度fz三因素的優(yōu)水平應(yīng)該分別取1200 r/min、0.7 mm和0.05 mm/r，且為最優(yōu)組合。

為了驗證上述結(jié)論的真實性，進一步建立各因素水平對零件加工表面粗糙度值的影響趨勢圖，如圖1所示，從趨勢圖可看出，采用極差分析法得到的三因素的優(yōu)水平是正確的。

表5 表面粗糙度試驗結(jié)果及極差分析

圖1 各因素水平對粗糙度值的影響趨勢圖

通過趨勢分析圖可知，隨著切削深度的增加，表面粗糙度值會有所下降但隨后又迅速升高，這是因為這是由于隨著切削深度的增加，Invar36合金加工過程中產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致切削區(qū)的金屬變軟（硬度降低），刀具與已加工表面間產(chǎn)生嚴重的擠屑現(xiàn)象，從而導(dǎo)致表面粗糙度值升高。

2.2 方差分析法

綜合上述極差分析法的結(jié)果，可以直觀的判斷出切削用量對表面粗糙度的影響，極差越大，該切削用量對表面粗糙度的影響越大，但不能估計誤差的大小。為了消除誤差，采用方差分析和F檢驗可以進一步判斷切削用量對表面粗糙度影響的顯著關(guān)系，精確估計各因素的試驗結(jié)果影響的重要程度，需進一步對試驗結(jié)果進行方差分析，如表6。

表6 方差分析

為了增大誤差自由度，提高檢驗的靈敏度，在進行顯著性檢驗時，對于一般工程問題，顯著水平性取0.01~0.1，通過查檢驗表可得，0.01(2,6)=10.92，0.05(2,6)=5.14，0.10(2,6)=3.46。顯然ae和S均小于臨界值，說明徑向切深ae和主軸轉(zhuǎn)速S對零件的表面粗糙度無顯著影響；而fz大于臨界值，說明每齒進給速度z對零件的表面粗糙度有顯著影響，此結(jié)論進一步驗證了極差分析法的正確性。

3 結(jié)論

通過銑削Invar36合金試驗研究了切削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律可知，對加工表面粗糙度影響大小依次為每齒進給速度、徑向切深和主軸轉(zhuǎn)速，隨著每齒進給速度的增大，加工表面粗糙度值趁逐步增大的趨勢，而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大時，加工表面粗糙度值趁逐步減小趨勢。并通過方差分析法和檢驗判斷切削用量與表面粗糙度影響的顯著關(guān)系，證明了進給速度z的變化對零件的表面粗糙度有顯著影響。本文的研究方法可以推廣用于刀具磨損研究，以及用于其它難加工材料切削加工性能研究也具有一定借鑒作用。

參考文獻：

[1] 劉振興,吳金聲,劉克佩.膨脹合金手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1979.

[2] 沈婕,王曉軍,夏天東.因瓦效應(yīng)及因瓦合金的研究現(xiàn)狀[J].功能材料,2008,38(A08): 3198-3201.

[3] Qiao Y P, Kang R K, Jin Z J, et al. The Thermal Characteristics of Invar 36 Alloy during Plane Grinding[C].Advanced Materials Research. 2010, 97: 918-921.

[4] 邢紹美. 4J32 低膨脹合金的應(yīng)用與切削加工及熱處理[J]. 航天返回與遙感, 1998, 19(3): 37-40.

[5] 佟曉靜.4J36低膨脹合金及其工藝性[J].機械, 2002,29 (Z1): 205-207.

[6] 牟森.低膨脹合金構(gòu)件變形及磨削性能的試驗研究[D].大連:大連理工大學(xué),2005

[7] 喬玉鵬,康仁科,金洙吉.精密磨削Invar36合金時的磨料選擇[J].金剛石與磨料磨具工程, 2009 (6): 8-10.

[8] 喬玉鵬. Invar36 合金的加工性及低應(yīng)力加工工藝 [D].大連: 大連理工大學(xué), 2010.

[9] 李文,周燕飛.超因瓦合金薄壁筒件的加工變形控制研究[J].機械與電子, 2008(5): 14-16.

[10] 營國福,陳燕,傅玉燦,等.Invar36合金端面銑削力研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014,46(5):713-719.

MILLING PARAMETERS OPTIMIZATION OF Invar36 BASED ON ORTHOGONAL EXPERIMENT

*XIAO Zhong-yue, LIU Zhao-hui

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

To study the influence of cutting parameters on surface quality of the parts in the Invar36 alloy milling with the carbide tool, orthogonal experiment table was designed on the basic of the radial depth of cut, spindle speed and feed per tooth as the main factor of three factors and three levels. The optimal combination of cutting parameters and the optimal level is obtained by range analysis. Finally, Variance Analysis Method and F-test was used to analyze the significant relationship between the cutting parameters and surface roughness. We also verify the change of the feed rate has a significant effect on the surface roughness of the part.

Invar36 alloy; milling; orthogonal test; cutting parameter optimization

1674-8085(2015)06-0075-04

TG54

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.06.016

2015-07-05；修改日期：2015-09-22

江西省教育廳科技計劃項目(GJJ14568)；吉安市科技計劃項目(吉市科計字[2014]4號)

*肖忠躍(1974-)，男，江西吉安人，副教授，碩士，主要從事機械制造、數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用研究(E-mail:xiao.zhongyue@163.com);

劉朝暉(197-)，男，江西吉安人，副教授，碩士，主要從事機械制造研究(E-mail: 306490389@163.com).