基于鎳基合金車(chē)削粗糙度與金屬切除量研究

佟政陽(yáng)，陳剛，陳冒風(fēng)，李家萌

（安徽天航機(jī)電有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

高溫合金最早出現(xiàn)在美國(guó)，主要應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，距現(xiàn)在已經(jīng)有60多年的時(shí)間，高溫合金因種類(lèi)繁多，具有優(yōu)良的耐腐蝕、熱穩(wěn)定等力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密制造等領(lǐng)域[1]。由于鎳基高溫合金GH4169的特殊性能，在零件加工過(guò)程中變得更加復(fù)雜，對(duì)刀具磨損嚴(yán)重，很難保證零件的表面粗糙度。

當(dāng)前有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)GH4169的高速加工進(jìn)行研究，對(duì)切削的刀具、切削液、切削應(yīng)力、切削溫度及切屑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。I. A. Choudhury等[2]主要從刀具的材料方面對(duì)GH4169進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)切削用量及切削力進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。E. O. Ezugwu等[3]運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)不同的刀具建模，模擬切削液、切削三要素對(duì)鎳基高溫合金表面加工的影響。在國(guó)內(nèi)，劉維偉等[4]對(duì)GH4169加工表面進(jìn)行研究，對(duì)表面粗糙度、殘余應(yīng)力及硬度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析并推導(dǎo)出理論預(yù)測(cè)模型。梁作斌[5]對(duì)車(chē)削溫度及車(chē)削力進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證仿真的正確性。

本文先根據(jù)材料表面粗糙度的形成進(jìn)行分析，運(yùn)用正交試驗(yàn)對(duì)GH4169材料進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)，測(cè)出材料的表面粗糙度，分析切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度大小的影響，并建立表面粗糙度、金屬切除量與切削參數(shù)之間的預(yù)測(cè)模型，為后續(xù)的研究提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及理論參考。

1 零件表面粗糙度與金屬切除量形成

1.1 表面粗糙度

通過(guò)對(duì)車(chē)床工作原理的分析，在零件車(chē)削過(guò)程中，車(chē)刀切削刃相對(duì)于回轉(zhuǎn)體零件螺旋運(yùn)動(dòng)，零件表面有部分金屬未加工形成切屑，在零件表面形成了“殘留面積”。如圖1所示，它的理論高度值Rmax是由f、Kr、Kr′及刀尖圓弧半徑r等參數(shù)計(jì)算出：

圖1 殘留面積高度

式中，Rmax≤r，所以Rmax=f2/8r。

1.2 金屬切除量

在切削過(guò)程中，材料的金屬切除量是衡量加工零件精度的一個(gè)重要因素，與設(shè)備的精度、切削三要素、人員操作及外部環(huán)境等原因有關(guān)，現(xiàn)主要研究金屬切除量與切削三要素之間的關(guān)系。金屬切除量公式[6]為

2 正交實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)器材主要為：圓柱形高溫合金GH4169，型號(hào)為CXT510的車(chē)床，山特維克DNMG150608-SM-S05F刀具，MarSurf-SD-26粗糙度測(cè)量?jī)x。圖2所示為零件的加工現(xiàn)場(chǎng)。如圖3所示，采用粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量零件的表面粗糙度。

圖2 零件的加工現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量零件的表面粗糙度

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)切削要素與零件特性進(jìn)行分析，現(xiàn)設(shè)計(jì)出三因素四水平的正交試驗(yàn)，對(duì)零件表面粗糙度進(jìn)行研究，選用切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量作為本次實(shí)驗(yàn)的3個(gè)要素，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平表

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)的原理，分為16次進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，考慮到裝夾的需要，將實(shí)驗(yàn)分為4組，每組零件的長(zhǎng)度為50 mm進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。為了減小測(cè)量誤差并保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每加工一組零件后更換一次刀具，再運(yùn)用粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)每組零件進(jìn)行3次測(cè)量，然后取其平均值作為零件的表面粗糙度。由于設(shè)備精度等問(wèn)題，在切削過(guò)程中理論切削深度與設(shè)備實(shí)際切削深度之間有誤差，運(yùn)用數(shù)顯卡尺測(cè)量出實(shí)際的切削深度，計(jì)算出實(shí)際金屬切除量。表2為正交實(shí)驗(yàn)所得到的零件表面粗糙度與金屬切除量的參數(shù)數(shù)值。

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極差分析

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到零件表面的粗糙度與金屬切除量參數(shù)數(shù)據(jù)，運(yùn)用極差分析法可以判斷出各因素對(duì)高溫合金GH4169 零件表面粗糙度與金屬切除量影響的大小。從表3與圖4中可以分別得到：進(jìn)給量對(duì)零件表面粗糙度影響最大，切削速度次之，背吃刀量影響最??；進(jìn)給量對(duì)金屬切除量影響最大，背吃刀量次之，切削速度影響最小。

表3 表面粗糙度極差分析表

3.2 車(chē)削參數(shù)對(duì)粗糙度與金屬切除量的影響

不同的切削參數(shù)分別對(duì)零件表面粗糙度及金屬切除量產(chǎn)生不同的影響，圖4～圖6為切削參數(shù)對(duì)零件表面粗糙度的影響規(guī)律，圖7～圖9為切削參數(shù)對(duì)金屬切除量的影響規(guī)律。在本次實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)可以得到，表面粗糙度隨著進(jìn)給量的增加而增大，增加進(jìn)給量，單位時(shí)間內(nèi)GH4169金屬表面的塑形變形增加，由于切屑的容留空間有限，而大量切屑從刀具的副切削刃排出，造成堵屑現(xiàn)象，導(dǎo)致零件表面的粗糙度增大。表面粗糙度隨著切削轉(zhuǎn)速的增加而減小，由于切削轉(zhuǎn)速增加，切削溫度升高，零件表面的摩擦因數(shù)降低，表面粗糙度降低。背吃刀量增加，零件表面的振動(dòng)增大，使零件表面粗糙度隨之增大。金屬切除量隨著進(jìn)給量與切削速度的增加而增大，切削速度對(duì)金屬切除量的影響成非線性關(guān)系，主要由于設(shè)備在加工過(guò)程中主軸的抖動(dòng)及不穩(wěn)定性等因素影響。

圖4 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

圖5 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖6 背吃刀量對(duì)表面粗糙度的影響

圖7 進(jìn)給量對(duì)金屬切除量的影響

圖8 切削速度對(duì)金屬切除量的影響

圖9 背吃刀量對(duì)金屬切除量的影響

3.3 方差分析

方差是分析正交實(shí)驗(yàn)最基本、最重要的方法之一，主要是研究正交試驗(yàn)中一些因素對(duì)變量是否產(chǎn)生顯著作用。根據(jù)方差公式計(jì)算可得到表面粗糙度與金屬切除量的方差值F0.01（3，6）=9.78，F(xiàn)0.05（3，6）=4.76。通過(guò)方差分析可知：進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度影響最顯著，可信度達(dá)到99%；進(jìn)給速度影響次之，可信度達(dá)到95%；背吃刀量對(duì)表面粗糙度影響不顯著；進(jìn)給量與背吃刀量對(duì)金屬切除量的影響最為顯著，可信度達(dá)到99%，進(jìn)給速度對(duì)金屬切除量的影響不顯著。

3.4 模型建立

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，在鎳基高溫合金GH4169的高速切削過(guò)程中，切削三要素與表面粗糙度有相互約束的關(guān)系，采用正交回歸統(tǒng)計(jì)法對(duì)切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量與表面粗糙度建立一定的預(yù)測(cè)模型[7]：

表5 表面粗糙度方差分析表

表6 金屬切除量方差分析表

對(duì)表面粗糙度與金屬切除量的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，兩個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9560和0.9951，可得到預(yù)測(cè)模型可信。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)GH4169鎳基合金車(chē)削的表面粗糙度與金屬切除量研究可得出如下結(jié)論：1）運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出零件表面的粗糙度與金屬切除量。2）運(yùn)用極差與方差分別判斷出進(jìn)給量對(duì)零件表面粗糙度的影響最為顯著，切削速度次之，背吃刀量的影響最小。進(jìn)給量與背吃刀量對(duì)金屬切除量的影響最為顯著，切削速度的影響最小。3）分析車(chē)削三要素對(duì)零件表面粗糙度與金屬切除量的影響規(guī)律，分析其原因，并預(yù)測(cè)出其模型，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。