球頭銑刀銑削TC4鈦合金銑削參數(shù)的研究*

李亞平，趙先鋒，李長虹，李榮隆

(貴州大學 機械工程學院，貴陽　550025)

球頭銑刀銑削TC4鈦合金銑削參數(shù)的研究*

李亞平，趙先鋒，李長虹，李榮隆

(貴州大學 機械工程學院，貴陽550025)

摘要：針對TC4鈦合金的銑削加工，為了獲得合理的銑削參數(shù)，利用專用刀具軟件Third Wave AdvantEdge建立銑削模型，采用四因素五水平正交試驗設計方法對球頭銑刀銑削TC4鈦合金進行銑削試驗。運用極差分析法確定轉速、進給量、切削寬度及切削深度對銑削力的影響，并建立銑削力的預測模型，為刀具參數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)。研究表明: 對銑削合力影響最顯著的因素為進給量，其次是切削寬度和切削深度，最不顯著的因素是轉速。

關鍵詞：Third Wave AdvantEdge；正交試驗；極差分析；預測模型

0引言

目前，鈦合金被廣泛應用于各個領域主要是因為其具有強度高,耐蝕性好和耐熱性高等特點[1-2]。其中TC4鈦合金是最早研制成功、應用時間最長、技術最成熟、應用最廣泛的一種典型的鈦合金材料。它屬于高溫鈦合金系列，它所具有的鈦合金的優(yōu)點使其成為航天、航空等領域應用最多的合金。TC4鈦合金又因具有導熱系數(shù)低，化學活性大及刀具磨損嚴重等問題，屬于難加工材料[3]。國內外研究集中在銑削參數(shù)對銑削力的影響，未建立銑削力的預測模型[4-9]。

因此，本文以銑削力為目標進行參數(shù)優(yōu)化，通過對不同銑削參數(shù)的研究，得到轉速、進給量、切削寬度及切削深度等因素對切削力的影響，建立切削力的預測模型，為TC4的銑削加工提供理論依據(jù)。

1試驗設計

1.1工件材料

TC4鈦合金的組成為Ti-6Al-4V，屬于 (α+β) 相鈦合金。如表1所示為TC4 鈦合金的機械性能表。

表1　TC4鈦合金的機械性能表

在有限元分析的高應變率中,運用可靠的材料流動應力模型描述工件的本構行為是保證模擬結果正確性的基礎[10]。其本構模型的冪指數(shù)形式在AdvantEdge軟件中表示為：

(1)

1.2試驗方案

刀具采用具有TiC涂層(厚度為0.005μm)的K類硬質合金整體式球頭立銑刀，刀具的幾何參數(shù)如表2所示。

表2　刀具詳細參數(shù)

在工件材料和刀具參數(shù)確定的情況下，切削力與切削參數(shù)具有繁雜的指數(shù)關系。銑削力經(jīng)驗公式的通用形式為：

(2)

由公式(2)可知，影響銑削力的因素主要有主軸轉速n、每齒進給量fz、切削深度ap、切削寬度ae、銑刀直徑d0和銑刀齒數(shù)z0。其中，銑刀直徑d0、銑刀齒數(shù)z0和修正系數(shù)kF取定值。因此，本文將重點研究硬質合金球頭立銑刀銑削TC4時，主軸轉速n、每齒進給量fz、切削深度ap、切削寬度ae對銑削力的影響。銑削方式采用順銑，干切削。

設計四因素五水平L25(54)正交銑削仿真實驗來研究TC4鈦合金的加工特性，如表3為其因素水平表。使用刀具分析軟件Third Wave Advantedge來進行模擬加工，根據(jù)試驗的設計輸入相關參數(shù)，運用Advantedge 默認的網(wǎng)格劃分方法對工件和刀具的網(wǎng)格進行劃分和重劃分。

表3　因素水平表

2試驗結果與分析

根據(jù)正交試驗的參數(shù)選擇，試驗結果如表4所示。運用極差分析的方法對試驗結果進行分析。極差分析可以得到三方面的結果：試驗指標隨每個因素的變化趨勢；每個因素對試驗指標的影響主次排序；因素和水平的最優(yōu)組合。

表4　各因素對銑削合力Fr的分析表

續(xù)表

2.1銑削力預測模型的建立

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，銑削力的預測模型采用多元線性回歸的方法建立。

根據(jù)廣義的泰勒公式,銑削合力與銑削參數(shù)之間是指數(shù)關系,可以近似用公式(3)表示:

(3)

在公式(3)中C為系數(shù)(系數(shù)與機床、刀具、工件有關系)；b1、b2、b3、b4分別為主軸轉速、進給量、銑削深度和銑削寬度對銑削合力的影響指數(shù)。

將式(3)兩邊取對數(shù),得到以下方程:

lnFr=lnC+b1lnn+b2lnfz+b3lnap+b4lnae

(4)

y1=lnFr,x1=lnn,x2=lnfz,x3=lnap,x4=lnae,b0=lnC,則將式(4)變換后的常用多元回歸方程形式為:

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4

(5)

根據(jù)此建立銑削力的多元回歸方程組:

y1=β0+β1x11+β2x12+β3x13+β4x14+ε1

y2=β0+β1x21+β2x22+β3x23+β4x24+ε2

………

y25=β0+β1x25-1+β2x25-2+β3x25-3+β4x25-4+ε25

(6)

其中,εi為試驗隨機變量誤差。

采用最小二乘法,設b0、b1、b2、b3、b4分別為參數(shù)β0、β1、β2、β3、β4的最小二乘估計,則回歸方程為:

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4

(7)

式(7)中,y為統(tǒng)計量,b0、b1、b2、b3、b4為回歸系數(shù),則

b=(X/X)-1X/Y

(8)

根據(jù)正交試驗表，將參數(shù)及試驗結果輸入EXECL，算出b，最后可得到Fr的經(jīng)驗公式。

(9)

由公式(9)可知，銑削合力對于進給量的變化最敏感，對轉速的變化最不敏感。

2.2分析結果

仿真加工參數(shù) (轉速、進給量、切削深度、切削寬度)對銑削力的影響趨勢如圖 1 所示。

圖1　銑削合力Fr在不同銑削參數(shù)下的趨勢圖

由圖1a可知：隨轉速的增大，銑削合力大體上呈現(xiàn)減小的趨勢，主要是因為轉速增大，導致切削溫度變高，使工件材料發(fā)生軟化，以至于切削力減小。增大轉速不僅可以減小銑削力，還可以縮短加工時間，提高效率，因此在條件允許的情況下應盡可能提高銑削速度。

由圖1b和圖1c可知:隨著進給量和切削深度的增加，銑削合力增大。因為進給量和切削深度的增加導致切削面積增大，而變形系數(shù)在切削深度增大時保持不變，進而導致切削力成比例增大，隨著進給量變大，彈塑性變形及摩擦力也隨之增大，進而導致切削力增大?？梢姰斍邢髅娣e相同時，為減小切削力宜采用較小的進給量和切削深度。

由圖1d可知:隨著切削寬度的增大，銑削合力基本上是增大的趨勢。

根據(jù)表4的極差結果，可以看出各切削參數(shù)對銑削力的影響程度。在硬質合金球頭立銑刀銑削TC4時，對銑削力影響最顯著的因素為進給量，最不顯著的因素是轉速。

綜合以上各因素對銑削合力的影響，推薦銑削參數(shù)為:轉速=5000r/min，進給量=0.02mm/z，切削深度=0.5mm，切削寬度=3mm。

3結束語

運用正交仿真試驗，研究了銑削TC4鈦合金的銑削力。研究表明:

(1)對銑削合力影響最顯著的因素為進給量，其次是切削寬度和切削深度，最不顯著的因素是轉速；

(2)從切削力的角度考慮，切削參數(shù)可優(yōu)化為：較大的轉速、適當?shù)那邢魃疃群颓邢鲗挾燃拜^小的進給量，并建立了切削力的經(jīng)驗公式；

(3)推薦銑削參數(shù)為:轉速=5000r/min，進給量=0.02mm/z，切削深度=0.5mm，切削寬度=3mm。

本論文主要進行了有限元仿真分析，后續(xù)工作將進行TC4的切削試驗驗證仿真分析的結果，修正切削力預測模型的參數(shù)，為實際生產(chǎn)提供指導。

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(編輯趙蓉)

Research of Milling Parameters of TC4 Titanium Alloyabout Ball End Mill

LI Ya-ping，ZHAO Xian-feng，LI Chang-hong，LI Rong-long

(College of Mechanical Engineering,Guizhou University，Guiyang 550025,China)

Abstract：In view of the milling TC4 titanium alloy, in order to achieve reasonable milling parameters,milling model is been built by using Third Wave AdvantEdge.Four factors and five levels orthogonal experiment method is used to simulate the process of milling TC4 titanium alloy using the ball end mill. Using the range analysis method to determine the speed, feed and cutting depth, cutting width effects on milling force. The prediction model of the milling forceis established, to provide theoretical basis for the reasonable selection for cutting tool parameter. Research shows that: the most significant factor is feedforthe milling force influence, followed by cutting width and cutting depth, the least significant factor is the speed.

Key words：Third Wave AdvantEdge； orthogonal experiment;；range analysis；prediction model

文章編號：1001-2265(2016)06-0118-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.031

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-08-03

*基金項目：國家自然科學基金項目(51265005)

作者簡介：李亞平(1989—)，女，湖北襄陽人，貴州大學碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代制造工藝及裝備，(E-mail)408692073@qq.com；通訊作者：李長虹(1957—)，女，河北豐潤人，貴州大學教授，碩士生導師，研究方向為機械制造、CAD技術和傳動控制技術，(E-mail)lichho9@163.com。

中圖分類號：TH162;TG702

文獻標識碼：A