LF6鋁合金細(xì)長軸對(duì)稱車削加工參數(shù)優(yōu)化*

孫捷夫,孔繁霽,楊 巍

(1.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽 110000；2.哈爾濱工程大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150000)

0 引言

LF6鋁合金屬于防銹鋁合金，具有輕質(zhì)高韌等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)LF6鋁合金還具有良好的焊接性[1]，在航空制造領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于制造細(xì)長軸類連接桿零件，起到傳動(dòng)和減重作用，一般對(duì)細(xì)長軸類連接桿零件的尺寸精度和表面質(zhì)量均有較高要求。LF6鋁合金細(xì)長軸類零件的加工一直是航空制造領(lǐng)域的難點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)角度分析，細(xì)長軸類零件剛性差導(dǎo)致加工極易變形；從材料角度分析，LF6鋁合金塑性大導(dǎo)致表面粗糙度難以控制，同時(shí)硬度低進(jìn)一步加劇加工變形；從工藝角度分析，LF6鋁合金屬于有色金屬，不適于磨削類精加工，只能在數(shù)控車床上完成最終狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。

目前關(guān)于LF6鋁合金細(xì)長軸類零件車削加工的研究成果尚無報(bào)道，但國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于細(xì)長軸類零件車削加工取得一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[2-6]主要通過設(shè)計(jì)專用裝夾定位裝置提高細(xì)長軸零件加工質(zhì)量，但需改造機(jī)床，縮小機(jī)床使用范圍；文獻(xiàn)[7-11]以誤差補(bǔ)償為主要方法降低切削力等因素的影響，在一定程度上有助于提高細(xì)長軸加工質(zhì)量，但需要額外的動(dòng)力裝置，普遍具有成本高、通用性差等特點(diǎn)；文獻(xiàn)[12-17]基于力學(xué)分析或車削原理分析優(yōu)化現(xiàn)有工藝過程提高細(xì)長軸車削質(zhì)量，在理論上具有可行性，但與實(shí)際工程應(yīng)用尚有差距。

基于對(duì)現(xiàn)有研究成果的分析，大部分研究成果具有需要專用裝置或?qū)Ｓ迷O(shè)備、研究目標(biāo)單一、缺少實(shí)際加工基礎(chǔ)等特點(diǎn)，且沒有針對(duì)LF6鋁合金材料細(xì)長軸的相關(guān)研究，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。本文以LF6鋁合金細(xì)長軸的車削加工為研究對(duì)象，提出基于專用車夾的對(duì)稱車削工藝，對(duì)車削過程中彎曲變形和表面粗糙度的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，鎖定加工參數(shù)是影響加工質(zhì)量的核心因素，基于中心復(fù)合法的車削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行影響規(guī)律分析，基于響應(yīng)面法進(jìn)行多目標(biāo)加工參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證其正確性和可行性。

1 對(duì)稱車削加工模型及理論分析

1.1 加工模型及專用車夾

傳統(tǒng)細(xì)長軸車削裝夾方式一般采用“一夾一頂”、“一夾一拉”“雙頂”等，采用上述裝夾方式車削加工的本質(zhì)是通過增加對(duì)細(xì)長軸的約束提高工藝系統(tǒng)的剛性，但需基于特定機(jī)床或?qū)Ｓ脢A具，尤其對(duì)于端面無加工余量或無裝夾面積的細(xì)長軸零件，上述裝夾方法均難以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)稱車削加工是將細(xì)長軸在常規(guī)數(shù)控車床上裝夾定位，通過將兩把車刀以細(xì)長軸中心線180°對(duì)稱分布，基于力學(xué)平衡思想提高工藝系統(tǒng)的剛性，進(jìn)而提高加工精度和表面質(zhì)量。由于無需額外頂尖尾座，對(duì)零件端面結(jié)構(gòu)無特殊限制，對(duì)機(jī)床選擇和細(xì)長軸結(jié)構(gòu)形式具有更優(yōu)的普適性。對(duì)稱車削模型如圖1所示。

圖1 對(duì)稱車削模型示意圖

對(duì)稱車削實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素是兩把車刀對(duì)稱分布且同向同速進(jìn)給完成車削加工。為在常規(guī)數(shù)控車床基礎(chǔ)上無需任何額外設(shè)備改造實(shí)現(xiàn)對(duì)稱車削，設(shè)計(jì)并制造專用車夾，將機(jī)床、車刀和零件相連接組成對(duì)稱車削工藝系統(tǒng)。專用車夾整體結(jié)構(gòu)為階梯形，端面有刀槽用于放置兩把車刀，刀槽內(nèi)有一中心孔，其孔徑大于待加工細(xì)長軸零件成品直徑，兩側(cè)面有螺紋孔，緊固螺栓穿過螺紋孔固定車刀。專用車夾結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 專用車夾實(shí)物

基于專用車夾的對(duì)稱車削按如下步驟操作：

步驟1：調(diào)整車夾：在車削加工前，將兩把車刀對(duì)稱安裝在專用車夾的刀槽中，按待加工細(xì)長軸尺寸調(diào)整兩把車刀相對(duì)專用車夾中心孔的位置后，擰緊調(diào)整螺栓；

步驟2：安裝車夾：將安裝好的專用車夾安裝在機(jī)床刀塔上；

步驟3：車削加工：通過對(duì)刀試切，保證專用車夾中心孔與待加工細(xì)長軸中心對(duì)應(yīng)，兩把車刀隨刀塔按預(yù)先設(shè)定好的數(shù)控程序做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)稱車削加工；

步驟4：退刀拆卸：專用車架隨刀塔沿機(jī)床Z軸正方向水平移動(dòng)至安全位置，完成加工后拆卸專用車夾。

圖3 采用專用車夾的對(duì)稱車削加工

1.2 彎曲變形力學(xué)分析

細(xì)長軸的對(duì)稱車削加工采用三爪卡盤定位夾緊，無頂尖輔助定位的裝夾方法。將三爪卡盤一端簡(jiǎn)化為固定端并限制細(xì)長軸全部自由度，對(duì)細(xì)長軸的約束可簡(jiǎn)化為軸向力FAx、徑向力FAy和彎矩MA，刀具1和刀具2的車削運(yùn)動(dòng)分別對(duì)細(xì)長軸產(chǎn)生軸向切削力F1x和F2x、徑向切削力F1y和F2y、主切削力F1z和F2z，考慮各切削力對(duì)細(xì)長軸加工變形的影響程度，將切削過程中產(chǎn)生的的切削力分解為徑向切削力和軸向切削力，而忽略主切削力對(duì)變形的影響以簡(jiǎn)化模型。根據(jù)模型約束情況，將細(xì)長軸受力模型轉(zhuǎn)化為工程上的超靜定梁?jiǎn)栴}，力學(xué)模型如圖3所示。

圖4 對(duì)稱車削力學(xué)模型

車刀1刀尖點(diǎn)距三爪卡盤端面距離為a，考慮到實(shí)際車刀安裝誤差，設(shè)定車刀1和車刀2在細(xì)長軸的軸線方向位移差為Δx，則根據(jù)靜力平衡方程∑MA=0，可得：

MA=F1ya-F2y(a+Δx)

(1)

考慮到實(shí)際車刀安裝誤差，車刀1和車刀2的車削運(yùn)動(dòng)分別對(duì)細(xì)長軸產(chǎn)生徑向切削力F1y和F2y之間必然會(huì)存在一定差值，設(shè)該差值分別為ΔFy則：

F1y=F2y+ΔFy

(2)

根據(jù)力學(xué)模型邊界約束條件，在三爪卡盤裝夾處細(xì)長軸撓度為零，則可得出細(xì)長軸在對(duì)稱車削時(shí)任意一點(diǎn)的撓度曲線近似微分方程：

(3)

式中，EI為細(xì)長軸的彎曲剛度，對(duì)上式微分方程進(jìn)行求解，可得出任意點(diǎn)的撓度y的表達(dá)式為：

(4)

其中，

基于上述分析，細(xì)長軸在對(duì)稱車削過程中的彎曲變形形態(tài)主要取決于兩把車刀刀尖的軸向位移Δx，而彎曲變形量大小主要取決于兩把車刀的徑向切削力的差值ΔFy，通過所設(shè)計(jì)的專用車夾可保證兩把車刀的相對(duì)位置，使軸向位移Δx、徑向切削力的差值ΔFy均趨近于零，使兩把車刀的徑向切削力大小近似相等、方向相反，在數(shù)值上相互抵消，同時(shí)可互相作為輔助支撐增強(qiáng)細(xì)長軸的剛性，減小切削過程中其他因素產(chǎn)生的彎曲變形。

因此，基于專用車夾的對(duì)稱車削細(xì)長軸的彎曲變形主要受兩把車刀軸向切削力疊加效應(yīng)和徑向切削微小差值的影響，而在零件材料、刀具參數(shù)、加工環(huán)境既定的情況下，軸向切削力和徑向切削力的大小主要取決于加工參數(shù)。

1.3 表面粗糙度影響因素分析

細(xì)長軸零件表面粗糙度的形成機(jī)理可歸結(jié)為三方面：①車刀切削刃與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)所形成的幾何不平度；②切削力作用下產(chǎn)生的塑性變形或其他物理因素所附加的表面微觀不平度；③工藝系統(tǒng)振動(dòng)所產(chǎn)生的表面振紋。

由對(duì)稱車削的力學(xué)分析可知，兩把車刀產(chǎn)生的徑向力相互抵消，并互相作為輔助支撐可有效提高工藝系統(tǒng)的剛性，有效避免由振動(dòng)導(dǎo)致表面粗糙度的形成，而幾何不平度和塑性變形是車削加工中無法避免的，僅能通過合理方法使之減小，根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知，通過優(yōu)化加工參數(shù)、切削刀具、切削環(huán)境等因素在不同程度上可有效控制零件表面粗糙度，其中加工參的選擇對(duì)表面粗糙度的影響最大，也是可控性最好的因素。

基于對(duì)細(xì)長軸零件車削彎曲變形和表面粗糙度分析可知，加工參數(shù)的選擇對(duì)上述兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均有決定性影響，為對(duì)減小細(xì)長桿零件車削彎曲變形和表面粗糙度，基于實(shí)際切削試驗(yàn)優(yōu)化細(xì)長軸的對(duì)稱車削加工參數(shù)。

2 對(duì)稱車削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件

試料信息：試料材料牌號(hào)LF6，材料狀態(tài)R狀態(tài)，加工前試料直徑20 mm，總長度200 mm。

設(shè)備信息：機(jī)床選用哈挺GS200型號(hào)數(shù)控車床，裝夾方式為三爪卡盤，冷卻方式為乳化液冷卻。

刀具信息：刀具材料高速鋼，兩把刀具的前角8°、后角6°、主偏角85°、副偏角2°、刃傾角12°、刀尖圓弧半徑0.2 mm。

加工要求：切削長度150 mm，加工后直徑4 mm，最大彎曲變形量小于0.15 mm，表面粗糙度小于Ra0.8 μm。

測(cè)量方法：最大彎曲變形量由螺旋測(cè)微器在已加工表面的端面為起點(diǎn)，在軸向方向上以10 mm為間距均勻取14個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，如圖5中實(shí)線箭頭位置，所有測(cè)量數(shù)據(jù)與公稱直徑之差最大值為最大彎曲變形量；表面粗糙度由表面粗糙度測(cè)量?jī)x在已加工表面的端點(diǎn)為起點(diǎn)，取樣長度為2 mm，在軸向方向上以30 mm為間距均勻取5個(gè)測(cè)量區(qū)域，并在每個(gè)測(cè)量區(qū)域圓周均布3個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，所有測(cè)量數(shù)據(jù)均值為細(xì)長軸表面粗糙度，如圖5中虛線位置。

圖5 最大彎曲變形量和表面粗糙度測(cè)量方法

2.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

基于對(duì)稱車削的原理分析，綜合考慮車刀性能和機(jī)床參數(shù)，初步限定切削速度V的取值范圍為200～300 m/min、進(jìn)給量f的取值范圍為0.03～0.1 mm/r、背吃刀量ap的取值范圍為0.5～3 mm。

細(xì)長軸對(duì)稱車削試驗(yàn)選用中心復(fù)合法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，中心復(fù)合試驗(yàn)法相對(duì)傳統(tǒng)的正交試驗(yàn)法對(duì)變量因子與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的非線性關(guān)系描述更精確，且中心復(fù)合試驗(yàn)法引入旋轉(zhuǎn)因子概念，可突破變量因子的設(shè)定界限，能夠探究更多的優(yōu)化解。本試驗(yàn)設(shè)定旋轉(zhuǎn)因子為1.287，中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)為2次，試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果

表1中模式列“+”“-”分別代表每個(gè)因子的立方點(diǎn)，“A”“a”分別代表每個(gè)因子的軸向點(diǎn)，“0”代表每個(gè)因子的中心點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果Δy表示最大彎曲變形量，Ra表示單次試驗(yàn)平均表面粗糙度?；诒?的試驗(yàn)結(jié)果，繪制各加工參數(shù)不同水平下的最大彎曲變形量和表面粗糙度趨勢(shì)圖。

由圖6可知，最大彎曲變形量受切削速度影響最大，呈正相關(guān)；其次受進(jìn)給量影響較大，呈負(fù)相關(guān)；受背吃刀量影響較小。由圖7可知，表面粗糙度受進(jìn)給量影響最大，呈正相關(guān)；其次受切削速度影響較大，呈負(fù)相關(guān)；受背吃刀量影響較小。

圖6 不同水平下最大彎曲變形量趨勢(shì)圖

圖7 不同水平下表面粗糙度趨勢(shì)圖

上述現(xiàn)象是由于細(xì)長軸剛性差，隨著切削速度增大，細(xì)長軸自轉(zhuǎn)離心力和切削力綜合作用增強(qiáng)，加劇彎曲變形，但切削速度的提高可有效避免刀具表面積屑瘤等現(xiàn)象，有利于表面粗糙度的減?。桓鶕?jù)金屬切削原理可知，進(jìn)給量增大使切削厚度相應(yīng)增大，切屑變形系數(shù)減小，整體切削力降低，有利于抑制彎曲變形，但增大進(jìn)給量會(huì)使刀具與細(xì)長軸之間切削運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，增大切削幾何不平度，進(jìn)而提高表面粗糙度；由于對(duì)稱車削的雙刀具互相補(bǔ)償效應(yīng)，降低背吃刀量對(duì)切削力的影響，進(jìn)而弱化對(duì)彎曲變形和表面粗糙度的影響。

3 基于響應(yīng)面法的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

響應(yīng)面法是基于多元二次回歸方程擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)兼顧因素之間的耦合影響，具有良好的實(shí)際工程應(yīng)用背景[19]?；贘MP軟件采用響應(yīng)面法對(duì)表1中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，擬合模型結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 最大彎曲變形量擬合模型“預(yù)測(cè)值-實(shí)際值”圖

圖9 表面粗糙度擬合模型“預(yù)測(cè)值-實(shí)際值”圖

由圖8和圖9可知，最大彎曲變形量和表面粗糙度“預(yù)測(cè)值-實(shí)際值”模型圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)均緊密分布于對(duì)角線附近，最大彎曲變形量模型R方為0.986，調(diào)整R方為0.957,均方根誤差為0.042；表面粗糙度模型R方為0.986，調(diào)整R方為0.957,均方根誤差為0.042，兩組模型擬合精度均滿足實(shí)際工程需要，均具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖10和圖11分別是基于響應(yīng)面法擬合后最大彎曲變形量和表面粗糙度的各切削用量的各階變量參數(shù)估計(jì)值，其中“概率>丨t丨”的值越小表明該因子對(duì)結(jié)果影響越大，可以看出基于響應(yīng)面法得出的各加工參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響程度規(guī)律與極差法所得一致。由圖10～圖12可知，背吃刀量無論是單因子還是與其他變量的交互相應(yīng)對(duì)最大彎曲變形量和表面粗糙度的影響均不顯著。

圖10 最大彎曲變形量各階變量參數(shù)估計(jì)值

圖11 表面粗糙度各階變量參數(shù)估計(jì)值

圖12 最大彎曲變形量和表面粗糙度綜合匯總效應(yīng)

3.2 加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

在實(shí)際工程中，對(duì)細(xì)長軸的最大彎曲變形量和表面粗糙度均有要求，以直徑4 mm、加工長度150 mm的試料為例，要求最大彎曲變量0.15 mm，表面粗糙度不大于Ra0.8 μm，遵循加工經(jīng)濟(jì)性原則，將最大彎曲變量下限設(shè)為0.1 mm，表面粗糙度下限設(shè)為Ra0.7 μm。

根據(jù)上述分析，背吃刀量對(duì)最大彎曲變形量和表面粗糙度的影響均不顯著，考慮實(shí)際加工效率需求，將背吃刀量設(shè)定為3 mm，并基于最大彎曲變形量和表面粗糙度的響應(yīng)面擬合模型，在JMP軟件中利用等高線刻畫器模塊對(duì)切削速度和進(jìn)給量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，如圖13所示。

圖13 切削速度和進(jìn)給量的等高線刻畫器

圖中紅色虛線是最大彎曲變形量為0.15 mm的等高線，紅色區(qū)域?yàn)樽畲髲澢冃瘟看笥?.15 mm或小于0.1 mm的變量取值區(qū)域；藍(lán)色虛線是表面粗糙度Ra0.8 μm的等高線，藍(lán)色區(qū)域是表面粗糙度大于Ra0.8 μm或小于Ra0.7 μm的變量取值區(qū)域；白色部分為同時(shí)滿足最大彎曲變形量和表面粗糙度要求的變量取值區(qū)域，考慮實(shí)際加工穩(wěn)定性和加工效率，在白色區(qū)域中心靠右上方處取值，如圖13中十字線交匯處，得出最優(yōu)加工參數(shù)為V=225 m/min、f=0.085 mm/r、ap=3 mm，此時(shí)預(yù)測(cè)最大彎曲變形量為0.13 mm，表面粗糙度為Ra0.75 μm。

3.3 實(shí)際加工對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于響應(yīng)面法所得的最優(yōu)對(duì)稱車削參數(shù)準(zhǔn)確性，進(jìn)行實(shí)際切削加工驗(yàn)證，并分別將圖6和圖7基于極值法的單目標(biāo)最優(yōu)加工參數(shù)、以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)作為對(duì)比加工驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。

表2 最優(yōu)參數(shù)實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)過實(shí)際加工驗(yàn)證結(jié)果可知，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的最大彎曲變形量和表面粗糙度均不滿足要求，而基于極值法單目標(biāo)加工參數(shù)僅能滿足單一目標(biāo)需求，而響應(yīng)面法實(shí)際加工結(jié)果與預(yù)測(cè)值非常相近，且能同時(shí)滿足兩個(gè)目標(biāo)加工需求。

4 結(jié)論

(1)通過設(shè)計(jì)專用車夾實(shí)現(xiàn)LF6鋁合金細(xì)長軸的對(duì)稱車削加工，基于對(duì)稱車削力學(xué)模型分析和粗糙度形成機(jī)理分析，得出：提高LF6鋁合金細(xì)長軸加工質(zhì)量的關(guān)鍵是優(yōu)化對(duì)稱車削加工參數(shù)。

(2)為優(yōu)化對(duì)稱車削加工參數(shù)，基于中心復(fù)合法建立切削試驗(yàn)矩陣，分別利用極值法和響應(yīng)面法探究加工參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響規(guī)律，得出：最大彎曲變形量受切削速度影響最大呈正相關(guān)，其次受進(jìn)給量影響較大呈負(fù)相關(guān)；表面粗糙度受進(jìn)給量影響最大呈正相關(guān)，其次受切削速度影響較大呈負(fù)相關(guān)；背吃刀量對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)影響均布顯著。

(3)綜合考慮加工質(zhì)量、加工效率和加工穩(wěn)定性，在JMP軟件中對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出最優(yōu)加工參數(shù)V=225 m/min、f=0.085 mm/r、ap=3 mm，并將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證，測(cè)得最大彎曲變形量為0.14 mm、表面粗糙度為Ra0.72 μm，同時(shí)滿足最大彎曲變形量和表面粗糙度要求。本文提出的細(xì)長軸對(duì)稱車削工藝可有效指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。