TC4鈦合金銑削溫度預(yù)測(cè)的試驗(yàn)及響應(yīng)面法研究

鄧星，邵明輝，李順才，胡雨婷

(江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 前言

TC4鈦合金是一種典型α+β鈦合金，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度高及焊接性好等優(yōu)良特性，在航空航天、醫(yī)療器械、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是由于TC4鈦合金導(dǎo)熱率低、屈強(qiáng)比高、塑性變形范圍窄小等性能特點(diǎn)，導(dǎo)致在鈦合金材料銑削加工過(guò)程中，在刀具刃口附近積聚的銑削熱不易散失，容易造成嚴(yán)重的刀具磨損，導(dǎo)致零件加工效率低、加工成本高、加工質(zhì)量難以保證。因此，研究TC4鈦合金銑削加工時(shí)的表面溫度特性，對(duì)進(jìn)一步了解TC4鈦合金的加工性能，優(yōu)化銑削參數(shù)，提高加工效率等方面具有重要意義。黃揚(yáng)研究了鈦合金切削加工過(guò)程中刀具溫度場(chǎng)的建模、測(cè)量與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多工況下切削力、切削形態(tài)和界面熱源的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。李寶棟等進(jìn)行了鈦合金2D切削溫度仿真，建立了切削溫度的二次響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型，最后進(jìn)行了切削溫度試驗(yàn)驗(yàn)證。王沁軍和孫杰研究了高速銑削條件下工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金切削力、切削振動(dòng)等的影響規(guī)律。李占杰等采用紅外測(cè)溫儀研究了干式高速銑削參數(shù)對(duì)錫鉍合金工件切削溫度的影響。米少偉等采用人工熱電偶法研究了無(wú)涂層刀具和涂層刀具高速銑削過(guò)程中銑削參數(shù)對(duì)刀具溫度分布的影響。陶亮等人采用不同冷卻方式對(duì)鈦合金切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，揭示了不同冷卻方式對(duì)鈦合金切削過(guò)程的影響規(guī)律。王晨羽和李金泉基于動(dòng)態(tài)力學(xué)模型研究了鈦合金切削過(guò)程進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律。劉亞軍等開(kāi)展了鈦合金疊層構(gòu)件螺旋銑孔界面切削熱研究。向瑩和張祺開(kāi)展了切削力預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型研究。趙雪峰等研究了刀具鈍化非對(duì)稱刃口對(duì)銑削溫度場(chǎng)的影響，研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)刀具鈍化刃口優(yōu)化，提高加工水平具有重要意義。劉具龍等建立刀具/工件接觸區(qū)域溫度預(yù)測(cè)模型，通過(guò)半人工熱電偶測(cè)溫試驗(yàn)對(duì)模型的可行性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。馮答從理論模型、仿真分析及橢圓振動(dòng)輔助車削試驗(yàn)方面對(duì) EVC 切削溫度進(jìn)行了研究。沈雪紅和王哲運(yùn)用ABAQUS仿真理論，模擬車削加工過(guò)程中的切削力和切削溫度場(chǎng)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

目前，雖然已有許多學(xué)者開(kāi)展了鈦合金加工性能的研究，但由于加工設(shè)備、工藝、材料以及試驗(yàn)設(shè)備、方法的不同，針對(duì)TC4鈦合金銑削加工表面溫度的研究仍不夠深入，尤其缺少針對(duì)鈦合金銑削最高溫度的預(yù)測(cè)模型。本文作者通過(guò)單因素試驗(yàn)，利用紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集銑削刀具與工件接觸區(qū)域溫度的動(dòng)態(tài)信號(hào)，研究不同銑削參數(shù)下TC4鈦合金銑削區(qū)域最高溫度的變化特征；建立鈦合金銑削最高溫度與銑削參數(shù)的關(guān)系模型，為鈦合金切削熱的理論與數(shù)值模擬研究提供參考。

1 試樣材料及設(shè)備

TC4鈦合金試件尺寸為218 mm×201 mm×40 mm，其化學(xué)成分如表1所示。采用北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的XKA714系列數(shù)控立式銑床，配合BT40刀柄，選用國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具，型號(hào)為KATO XOEX120404FR。采用FLIR E60系列非接觸式紅外熱像儀和安裝FLIR Tools采集軟件的計(jì)算機(jī)組成銑削溫度測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集刀尖與工件接觸處的銑削溫度。試驗(yàn)時(shí)采用順銑，干銑削條件。試驗(yàn)系統(tǒng)、設(shè)備及材料如圖1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備及材料

2 試驗(yàn)方案

FLIR紅外熱像儀定位刀尖與工件接觸處區(qū)域，利用其配套的溫度采集與分析軟件，實(shí)時(shí)采集TC4鈦合金被加工區(qū)域的最高溫度、最低溫度及平均溫度，采樣頻率為15 Hz，每次采樣時(shí)間為60 s。此次試驗(yàn)主要研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度對(duì)銑削溫度的影響規(guī)律，每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平,分別為 700、850、1 000、1 150 r/min，分別為8、10、12、14 mm/min，分別為1、2、3、4 mm。試驗(yàn)流程如圖2所示。為防止試驗(yàn)失誤造成數(shù)據(jù)缺失，在相同的銑削參數(shù)下進(jìn)行2次銑削試驗(yàn)，后文可根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性及分析需要選取單數(shù)或雙數(shù)編號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 試驗(yàn)流程

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 銑削區(qū)溫度特征值的時(shí)間歷程曲線

銑削試驗(yàn)結(jié)束后，由FLIR Tools采集軟件可以導(dǎo)出熱像儀定位測(cè)溫區(qū)域的最高溫度、平均溫度、最低溫度，從而得到相應(yīng)的溫度時(shí)間歷程曲線。圖3所示為不同銑削參數(shù)下測(cè)溫區(qū)域最高溫度的時(shí)間曲線。

由圖3可知：(1)銑削區(qū)最高溫度隨時(shí)間的變化曲線大致可分為2個(gè)階段:快速下降階段、比較平穩(wěn)的波動(dòng)階段;(2)銑削參數(shù)值越低，銑削溫度越低，但隨著銑削參數(shù)的增大，并非單調(diào)增加，如圖3(a)中=1 150 r/min時(shí)的比=850 r/min時(shí)的低,圖3(b)及圖3(c)中也出現(xiàn)類似的情況。

圖3 不同銑削參數(shù)下測(cè)溫區(qū)域Tmax的時(shí)間歷程曲線

3.2 溫度特征值隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律

基于紅外熱像儀FLIR Tools軟件依次提取各次試驗(yàn)中的最大溫度，研究單因素銑削參數(shù)對(duì)測(cè)溫區(qū)域的影響，繪制隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及銑削深度的變化曲線如圖4所示。

圖4 Tmax隨銑削參數(shù)的變化曲線

由圖4可知：在3個(gè)銑削參數(shù)中，當(dāng)其他2個(gè)銑削參數(shù)不變時(shí)，隨著第3個(gè)銑削參數(shù)的增加，總體呈上升趨勢(shì)。因?yàn)殡S著切削參數(shù)的增大，刀具克服金屬?gòu)?、塑性變形抗力所做的功和克服摩擦力所做的功增加，產(chǎn)生的切削熱也顯著增加，故總體呈上升趨勢(shì)，但個(gè)別曲線出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象。

3.3 銑削溫度關(guān)于銑削參數(shù)的三元二次多項(xiàng)式回歸模型

由上述分析可知，銑削參數(shù)變化對(duì)TC4鈦合金的銑削溫度有明顯影響。為進(jìn)一步探究銑削參數(shù)對(duì)銑削區(qū)域溫度的影響，預(yù)測(cè)不同銑削參數(shù)下的銑削溫度，基于表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Design-Expert軟件里的Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度分別為因素A、B、C及以最大溫度為響應(yīng)值的響應(yīng)面優(yōu)化法試驗(yàn)，建立銑削區(qū)域最大溫度關(guān)于銑削參數(shù)的三元二次多項(xiàng)式回歸模型，并對(duì)銑削溫度進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，得到3個(gè)銑削參數(shù)的最佳值。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的三元二次多項(xiàng)式回歸模型如下：

=39270 8-0030 848+5352 78+

42886 70+0006 37·-0000 11·+

表3 方差分析

圖5 最大實(shí)測(cè)值Tmax與溫度擬合值的對(duì)比曲線

利用該軟件為響應(yīng)值設(shè)置最小化目標(biāo)，得到的最佳條件為=700 r/min、=8 mm/min、=1 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者以TC4鈦合金為試驗(yàn)材料，用紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集銑削區(qū)域的溫度，研究不同銑削參數(shù)下TC4鈦合金試樣的溫度變化，并用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了響應(yīng)面分析，建立了三元二次多項(xiàng)式模型,得到響應(yīng)值最大溫度最小化的最佳條件。結(jié)果表明：(1)隨著切削參數(shù)的增大，刀具克服金屬?gòu)?、塑性變形抗力所做的功和克服摩擦力所做的功增加，產(chǎn)生的切削熱也顯著增加；(2)建立的回歸模型可靠，可以較好地預(yù)測(cè)給定銑削參數(shù)下的最大溫度；(3)得到硬質(zhì)合金刀具銑削TC4鈦合金時(shí)使為最小時(shí)的最佳銑削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速=700 r/min、進(jìn)給速度=8 mm/min、銑削深度=1 mm。