無心車床車削鈦合金棒材工藝參數(shù)與表面粗糙度關(guān)系研究*

豆衛(wèi)濤 史麗晨 盧竹青 韓嘉彧 賈永康

(①西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院，陜西 西安 710089；②西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055；③西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司質(zhì)量部，陜西 西安710018；④西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

無心車床是對(duì)管、棒、盤圓等長(zhǎng)圓金屬除去表面氧化層、裂紋，生產(chǎn)表面無缺陷的、具有較高尺寸精度和較低表面粗糙度的光亮圓材的理想設(shè)備，其工藝可替代傳統(tǒng)酸洗工藝、普通車床與磨削加工等落后生產(chǎn)工藝，環(huán)保高效。

無心車床主要由空心主軸、前夾送裝置、前導(dǎo)向、中后導(dǎo)機(jī)構(gòu)、牽引小車組成，結(jié)構(gòu)組成如圖1。無心車床的主要工作原理是：工作時(shí)，主軸帶動(dòng)前端的刀盤(刀盤軸向均布4把刀具)高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)剝皮；主軸前部的前夾送裝置(圖中的 V 型槽滾輪)將棒料送入空心主軸，當(dāng)工件脫離前夾送裝置后，后部的牽引小車提前夾住工件，確保工件做持續(xù)的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[1]。

鈦及鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種重要金屬，具有比強(qiáng)度高、中溫性能好、耐腐蝕、無磁及焊接性能好等特點(diǎn)，一直是航空航天工業(yè)的“脊柱”之一，市場(chǎng)需求巨大。但是一般鈦材在軋制、拉絲及擠壓等工序過程中會(huì)存在表面裂紋、折疊等缺陷，有的棒材放置后會(huì)出現(xiàn)生銹、腐蝕，表面會(huì)有氧化皮，這些都極大地影響了鈦材的表面質(zhì)量，很難達(dá)到行業(yè)需求，因此需要對(duì)坯料的表面進(jìn)行處理，無心車床便是鈦合金棒料表面處理的理想設(shè)備。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于加工工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響規(guī)律研究較多，研究多是針對(duì)普通車削或銑削工藝展開的。楊振朝[2]等采用單個(gè)盤銑刀對(duì)時(shí)效處理后的超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)，分析了切削工藝參數(shù)對(duì)表面完整性的影響，結(jié)果表明表面粗糙度隨銑削速度和每齒進(jìn)給量增大而增大，隨銑削深度的增大，呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，通過各因素不同水平對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律圖，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。易湘斌[3]等對(duì)不同冷卻潤(rùn)滑條件下TB6鈦合金高速切削表面完整性進(jìn)行了研究，探討了冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)加工表面形貌和表面變質(zhì)層的影響，結(jié)果表明微油霧潤(rùn)滑加工時(shí)鈦合金表面粗糙度低，且表面無明顯晶粒變形，表明加工表面塑性變形是影響粗糙度的主要因素。羅智文[4]等采用正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)58SiMn 高強(qiáng)度鋼車削表面完整性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明降低進(jìn)給速度是減小工件表面粗糙度最直接有效的方法，提高切削速度并不能使表面粗糙度明顯減小。許金凱[5]等對(duì)TC4微銑削表面完整性研究，通過極差分析得出主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度對(duì)表面粗糙度值與殘余應(yīng)力值影響的變化規(guī)律及主次順序，得出了最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)果表明，在高轉(zhuǎn)速、中低進(jìn)給速度和切削深度的加工條件下表面粗糙度值可以達(dá)到比較理想狀態(tài)。Safarih[6]等采用銑削、干切削冷卻方式在對(duì)TC4的表面粗糙度進(jìn)行研究時(shí)，得到切削速度由100 m/min增大到300 m/min時(shí)，粗糙度會(huì)增大55%；在切削速度為100 m/min時(shí)，粗糙度會(huì)隨著進(jìn)給量的增大而降低40%。Park[7]以鈦合金(Ti-6Al-4V)為研究對(duì)象，從刀具磨損和切削力兩個(gè)方面對(duì)其表面完整性性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

以上研究均是針對(duì)具有常規(guī)表面的材料進(jìn)行的，但是當(dāng)被加工表面具有初始缺陷時(shí)，所得到規(guī)律是否適用，還需深入研究。本文針對(duì)無心車床對(duì)帶有金屬氧化皮的TC4棒材進(jìn)行表面處理時(shí)，進(jìn)行其工藝參數(shù)研究。采用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)法研究了對(duì)TC4表面處理過程中工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響規(guī)律；采用響應(yīng)面法建立表面粗糙度對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度的待優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，再進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，從而確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，以達(dá)到生產(chǎn)要求。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中采用自主生產(chǎn)制造安裝的XF-WXC無心車床，通過無心車床操作臺(tái)來改變工藝參數(shù)，可以準(zhǔn)確快速地設(shè)置試驗(yàn)所需參數(shù)組合。刀片基體采用韓國(guó)進(jìn)口原料超微納米顆粒，該刀具為無心車床專用九邊三角刀具，具有良好的韌性和耐磨性。修光刀采用R過渡，可有效提高刀片的耐用度和提高工件表面粗糙度。工件材料為Ti6-Al-4V，又稱 TC4，其相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)材料TC4相關(guān)參數(shù)

為揭示切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度和加工精度偏差的影響規(guī)律，選用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)法(central composite design，CCD)為車削工藝實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，旋轉(zhuǎn)系數(shù)為1.682，中心點(diǎn)個(gè)數(shù)為6。無心車床在進(jìn)行表面處理時(shí)，進(jìn)給量一般比較大，主軸轉(zhuǎn)速和吃刀量較小，再結(jié)合材料的難加工性、刀具特性以及試驗(yàn)條件等多方面因素，將待優(yōu)化的工藝參數(shù)分別設(shè)為：切削速度的零水平確定為600 r/min，切削深度ap的零水平確定為0.7 mm，進(jìn)給量f的零水平確定為1 100 mm/min，分別對(duì) 3 個(gè)自變量進(jìn)行編碼，得到如表2所示的各因素水平。其中，切削速度V的最大、最小值分別為400 r/min 和 800 r/min，切削深度ap的最大、最小值分別為0.5 mm和0.9 mm, 進(jìn)給量f的最大、最小值分別為900 mm/min 和1 300 mm/min。為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，實(shí)際的試件長(zhǎng)度大于試驗(yàn)所用的試件長(zhǎng)度300 mm，在裝夾好試件后，先在多出的試件長(zhǎng)度上進(jìn)行車削加工，再進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)加工。

表2 待優(yōu)化車削工藝參數(shù)及編碼

2 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型

2.1 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的建立

表面粗糙度的檢測(cè)儀為TIME TR200粗糙度儀，每次實(shí)驗(yàn)的試件長(zhǎng)度為1 m，并在每組參數(shù)試驗(yàn)加工后的表面，隨機(jī)選取3個(gè)不同位置的點(diǎn)檢測(cè)其粗糙度，取平均值作為該組參數(shù)下所對(duì)應(yīng)的表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)安排和結(jié)果如表3所示。

表3 粗糙度Ra的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為獲得自變量(車削工藝參數(shù))對(duì)因變量(表面粗糙度)影響規(guī)律，需構(gòu)建響應(yīng)曲面法中的目標(biāo)響應(yīng)和工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)回歸模型。為了確定數(shù)學(xué)回歸模型的類型，根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到表4中對(duì)4種回歸方程類型的分析結(jié)果，其中Sequential p-value(回歸方程的連續(xù)性)值代表回歸方程類型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配度，而完全二次的回歸方程顯著度小于0.000 1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.05，所以確定表面粗糙度與工藝參數(shù)之間的回歸模型為完全二次回歸模型，則設(shè)Ra為響應(yīng)輸出值y(x)，切削速度V、切削深度ap、進(jìn)給量f分別為輸入因子x1、x2、x3，則二階數(shù)學(xué)回歸模型方程式如下：

表4 回歸方程類型分析結(jié)果

(1)

式中：α為模型系數(shù)，ε為誤差。

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用MINITAB對(duì)其進(jìn)行非線性回歸后，可以得到表面粗糙度與工藝參數(shù)之間的多元二階回歸模型：

(2)

2.2 表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型方差分析

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，所得數(shù)據(jù)見表5。由表5數(shù)據(jù)可知，主軸轉(zhuǎn)速的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于置信系數(shù)0.000 1，且回歸模型的F=57.28> 2.424 4，所以對(duì)模型的回歸較為準(zhǔn)確。

表5 表面粗糙度與工藝參數(shù)的回歸模型方差分析結(jié)果

圖2為回歸模型的殘差正態(tài)分布圖，響應(yīng)為Ra，其中大部分真實(shí)值都落在預(yù)測(cè)值上，少部分真實(shí)值也是對(duì)稱分布在預(yù)測(cè)值兩側(cè)，表明該模型與實(shí)際結(jié)果擬合較好。因此，該回歸模型顯著，可成為表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型。

3 影響規(guī)律分析

3.1 單因素影響規(guī)律分析

由表2可知，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、吃刀量的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于置信系數(shù)0.000 1，且F值大于F0.05(9,10)=3.020，所以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、吃刀量對(duì)表面處理時(shí)的粗糙度均有影響，同時(shí)由Fap>Ff>FV可知，吃刀量是影響表面粗糙度的主要因素，進(jìn)給量次之，最后是主軸轉(zhuǎn)速。

圖3為表面粗糙度的主效應(yīng)圖，圖中分別描述了各工藝參數(shù)在5個(gè)水平下，對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。其中A區(qū)為主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度的影響，B區(qū)為進(jìn)給量對(duì)粗糙度的影響，C區(qū)為吃刀量對(duì)粗糙度的影響。

觀察A區(qū)的圖線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在400～600 r/min增大的過程中，表面粗糙度呈減小的趨勢(shì)，在600 r/min時(shí)達(dá)到最小，在600～800 r/min，表面粗糙度急劇增大。因?yàn)闊o心車床的主軸和電機(jī)之間的傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于600 r/min時(shí)，帶傳動(dòng)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致主軸的顫振，引起表面粗糙度的增大。

觀察B區(qū)的圖線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給速度在900～1 100 mm/min增大的過程中，表面粗糙度呈減小趨勢(shì)，在進(jìn)給速度較慢時(shí)，刀具和被加工材料之間的摩擦和擠壓更劇烈，且單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱停留在被加工表面的時(shí)間會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)，從而更容易使被加工件產(chǎn)生塑性變形，甚至粘附在刀具的切削刃上，從而導(dǎo)致表面質(zhì)量變差；在1 100～1 300 mm/min時(shí)，表面粗糙度又開始增大，在進(jìn)給速度增大時(shí)，會(huì)迅速提高切削溫度、加劇了刀具的磨損，同時(shí)表面的殘留高度也會(huì)隨之增加，從而導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。

觀察C區(qū)的圖線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吃刀量開始增加時(shí)，表面粗糙度急劇增大，在0.5～0.58 mm以及0.7～0.82 mm兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，表面粗糙度呈急劇增大的趨勢(shì)，吃刀量增加，會(huì)導(dǎo)致切削力增大，切削的過程中也會(huì)加劇刀具的振動(dòng)，表面質(zhì)量也會(huì)變差。

3.2 交互影響規(guī)律分析

根據(jù)建立的表面粗糙度與工藝參數(shù)之間的二階預(yù)測(cè)回歸方程，在確定某一因素的水平之后，可得到其余兩因素之間交互作用對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律?，F(xiàn)確定V=600 r/min、f=1 100 mm/min、ap=0.7 mm，來分別討論工藝參數(shù)之間的交互作用對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。

由圖4可知，當(dāng)ap=0.7 mm時(shí)，Ra隨V的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)V大于600 r/min時(shí)，Ra開始增大，增大的幅值較小。Ra隨f的增大先減小后增大，當(dāng)f大于1 100 mm/min時(shí)，Ra開始增大，增大的幅值較大。從而說明，進(jìn)給速度對(duì)Ra的影響要顯著于主軸轉(zhuǎn)速對(duì)Ra的影響且當(dāng)吃刀量一定時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度不能過快也不能過慢。

由圖5可知，在f=1 100 mm/min條件下，隨著吃刀量的增加，表面粗糙度呈增大趨勢(shì)，當(dāng)吃刀量ap大于0.7 mm時(shí)，Ra急劇增大；主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min開始增大到600 r/min時(shí)，表面粗糙度先是呈現(xiàn)緩慢的減小的趨勢(shì)，當(dāng)在600～800 r/min增大的過程中，表面粗糙度增大，且增大的幅值較大，這就說明在進(jìn)給速度一定時(shí)，吃刀量和主軸轉(zhuǎn)速的交互作用要顯著于在吃刀量一定時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)Ra的影響。

由圖6可知，在V=600 r/min條件下，Ra隨著吃刀量的增大而增大，隨著進(jìn)給量的增大先減小后增大。曲面圖出現(xiàn)了較高的峰值，說明了吃刀量和進(jìn)給量的交互作用相比于主軸轉(zhuǎn)速-進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速-吃刀量，對(duì)于Ra的影響是最為顯著的。在主軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，選擇中速的進(jìn)給量和最小的吃刀量，可獲得較好的表面質(zhì)量。具體在所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由圖6可知，圖中央凹陷，這就說明，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，進(jìn)給速度和吃刀量應(yīng)該取中間值，而不應(yīng)最大和最小值，如果要兼顧工作效率，推薦進(jìn)給速度取1 100 mm/min。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際加工過程中，對(duì)于不同直徑要求的棒材進(jìn)行表面處理時(shí)，要不斷地調(diào)整吃刀量。通過上述分析，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度在吃刀量確定的情況下是有影響的，其中主軸轉(zhuǎn)速影響較為顯著。所以，在實(shí)際加工過程中，在對(duì)不同直徑要求下的棒材進(jìn)行表面處理時(shí)，在選取好吃刀量之后，進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速也需要確定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，確保表面粗糙度的值在要求范圍內(nèi)。根據(jù)圖4～6分析，在確定吃刀量水平的情況下，選取主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的范圍，為實(shí)際的加工提供參考，見表6。

表6 無心車床車削鈦合金棒料優(yōu)化工藝參數(shù)參考區(qū)間

圖7為在工藝參數(shù)優(yōu)化后，對(duì)鈦合金棒材表面處理時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果見表7。

表7 無心車床車削鈦合金棒料實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

4 結(jié)語

本文采用了響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)法中的中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究了無心車床對(duì)鈦合金車削進(jìn)行表面處理時(shí)工藝參數(shù)對(duì)其面粗糙度的影響規(guī)律，建立了表面粗糙度的待優(yōu)化模型，給出了工藝參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，得出以下結(jié)論：

(1)基于響應(yīng)曲面法得到的無心車床車削鈦合金棒料時(shí)的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)值誤差范圍在1.66%～3.33%，模型預(yù)測(cè)精度較高。

(2)在單因素作用時(shí)，無心車床車削鈦合金棒料時(shí)工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響次序?yàn)椋篴p>f>V。影響規(guī)律為，Ra隨主軸轉(zhuǎn)速V和進(jìn)給速度f的增大先減小后增大，隨吃刀量ap的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其中吃刀量ap大于0.8 mm時(shí)，得到的表面粗糙度不滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在多因素交互作用時(shí)，f-ap的交互作用對(duì)表面粗糙度的影響最顯著。在表面氧化皮完全去除的前提下，采用中主軸轉(zhuǎn)速、中進(jìn)給速度、減小切削深度可降低表面粗糙度值。

(4)確定了無心車床車削鈦合金棒料時(shí)優(yōu)化的工藝參數(shù)選擇域，以達(dá)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，能保證被加工棒料表面粗糙度低于0.8 mm，也是對(duì)加工成本的降低和車床的保護(hù)。