硬質(zhì)合金刀具高速切削7075鋁合金表面粗糙度預(yù)測(cè)模型

謝林濤， 張 雁， 馬春露， 王春宇， 趙雙悅， 魯政熙

(長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

Al7075-T6是一種冷處理鍛壓合金，是商用最強(qiáng)力合金之一；具有強(qiáng)度和硬度高、密度小、抗腐蝕性好等優(yōu)異的綜合性能，已成為制造飛機(jī)蒙皮、壁板、肋和桁條等結(jié)構(gòu)零部件的材料[1-2]。但是其熱脹系數(shù)大，切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱易引起工件熱變形，且在切削時(shí)，易在刀刃形成熔焊現(xiàn)象[3]，影響加工精度和表面粗糙度，因此引起許多學(xué)者的關(guān)注并對(duì)其進(jìn)行研究。

李立軍等[4]研究了刀具刀尖圓弧、前角及副偏角對(duì)銑削鋁合金表面粗糙度的影響規(guī)律以及影響權(quán)重；王一卓等[5]分析了轉(zhuǎn)速、背吃刀量以及刀具前角對(duì)切削鋁合金工件殘余應(yīng)力的影響。羅西等[6]對(duì)PCD刀具在不同切削參數(shù)下鈍化對(duì)切削鋁合金表面粗糙度的影響進(jìn)行了研究；姚煬等[7]利用DEFORM-3D有限元仿真軟件對(duì)PCD刀具高速切削鋁合金的切削力進(jìn)行了仿真研究，為其切削參數(shù)的優(yōu)選提供了理論依據(jù)。伍文進(jìn)等[8]基于正交試驗(yàn)對(duì)6061鋁合金進(jìn)行了研究，分析了各個(gè)因素對(duì)粗糙度的影響規(guī)律及成因，通過極差和方差最終確定粗糙度的最優(yōu)組合。

雖然很多學(xué)者對(duì)切削鋁合金進(jìn)行了研究，但是在高速切削情況下，對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金后工件表面質(zhì)量研究還是較少。課題組通過改變刀尖圓弧半徑、切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量，利用正交試驗(yàn)法，用硬質(zhì)合金刀具對(duì)鋁合金材料進(jìn)行大量高速切削試驗(yàn)，測(cè)量其表面粗糙度；研究切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為未來(lái)Al7075-T6的高速切削參數(shù)的優(yōu)化提供一種研究方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

1.1 工件材料

工件材料為Al7075-T6鋁合金，其規(guī)格為?50 mm×300 mm，由產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告得知Al7075-T6鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能[9]如表1和表2所示。

表1 Al7075-T6鋁合金化學(xué)成分表

表2 Al7075-T6鋁合金力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)床為東昱精機(jī)CNL-100AL機(jī)床，如圖1所示，切削方式為干式切削，刀具采用株洲鉆石公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金刀具，其型號(hào)為CNMG120408，牌號(hào)為YCB011，如圖2所示。

圖1 東昱精機(jī)機(jī)床Figure 1 Dongyu precision machine tool

1.3 正交試驗(yàn)方案

為了研究各個(gè)因素對(duì)鋁合金表面粗糙度的影響，設(shè)計(jì)了以硬質(zhì)合金刀具的刀尖圓弧半徑和切削三要素的4因素正交試驗(yàn)，具體的因素水平表如表3所示。按照正交試驗(yàn)方案進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)后冷卻12 h；然后使用WYKO N7910光學(xué)輪廓儀測(cè)量已加工表面的表面粗糙度，同一條件下，每段取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得粗糙度后取其粗糙度的平均值，測(cè)量的結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素水平表

圖3 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響曲線Figure 3 Influence curve of cutting parameters on surface roughness

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

極差分析法是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法[10]，擁有計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀易懂等優(yōu)點(diǎn)。以加工表面的粗糙度作為試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行極差分析，借此確定各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。極差分析計(jì)算結(jié)果如表5所示,其中ki(i=1，2，3)表示各因素影響切削結(jié)果的均值。由表5可知，在高速切削鋁合金試驗(yàn)中各個(gè)因素對(duì)表面粗糙度的影響的顯著性由高到低分別是進(jìn)給量f、刀尖圓弧半徑R、切削速度vc和背吃刀量αp，即f>R>vc>αp。

表5 表面粗糙度極差分析表

由圖3(a)可知，隨著刀尖圓弧半徑R的增加，鋁合金表面粗糙度呈先增大后減小趨勢(shì)，這是由于在實(shí)際切削過程中，刀尖圓弧半徑R的增大使得刀尖與工件接觸面積增大,使得切削力增大, 造成切削材料振動(dòng)趨勢(shì)增大；同時(shí)因?yàn)殇X合金熔點(diǎn)較低，從而使得切屑附著在刀具表面，導(dǎo)致刀具切削質(zhì)量下降，工件表面粗糙度增大；而在刀尖圓弧增加到一定程度后，隨之增大的切屑便不易附著在刀具表面，使得工件表面粗糙度有些許下降。

由圖3(b)可知，隨著切削速度vc的增大，工件表面粗糙度逐漸下降。在實(shí)際切削過程中，切削速度vc越大，切削變形越不充分，表面粗糙度越小；此外由于切削速度較高，不易產(chǎn)生積切屑瘤和鱗刺，所以切削速度增大，工件表面粗糙度減小。試驗(yàn)中如采用較高的切削速度能得到較高的表面質(zhì)量。

觀察圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給量f同工件表面粗糙度呈正相關(guān)，表面粗糙度隨著進(jìn)給量的增加而增大，與理論粗糙度公式[11]Ra?f2/32R相符。在實(shí)際切削加工過程中，進(jìn)給量的大小影響著工件上殘余幾何面積的大小，當(dāng)f增大時(shí)，會(huì)增大殘留面積的高度，同時(shí)會(huì)增大切削力和摩擦力，進(jìn)而會(huì)對(duì)表面粗糙度Ra產(chǎn)生影響，呈現(xiàn)出明顯變大的趨勢(shì)。

由圖3(d)可知背吃刀量αp越大工件表面的粗糙度越低。背吃刀量是通過切削刃基點(diǎn)并垂直于工作平面的方向上測(cè)量的吃刀量[12]，是每次進(jìn)給時(shí)車刀切入工件的深度。在切削過程中，隨著背吃刀量的增加，切削深度隨之增大，引起了工件塑性變形增大而利于切削，此時(shí)表面粗糙度降低。

2 多元回歸模型預(yù)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)有的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立鋁合金的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)硬質(zhì)合金加工7075鋁合金時(shí)對(duì)切削參數(shù)的選擇和調(diào)整，進(jìn)而提高硬質(zhì)合金加工效率和提升7075鋁合金表面質(zhì)量。由于工件表面粗糙度同刀尖圓弧半徑R、切削速度vc、進(jìn)給量f及背吃刀量αp沒有明顯的線性關(guān)系，遂假設(shè)其服從指數(shù)曲線分布，根據(jù)多元非線性回歸方程建立表面粗糙度模型，得方程式：

Ra=KRC1vcC2fC3apC4。

(1)

式中：K為工件表面粗糙度的影響系數(shù)；R為刀尖圓弧半徑；vc為切削速度；f為進(jìn)給量；αp為背吃刀量；C1,C2,C3和C4為回歸系數(shù)。

將式(1)轉(zhuǎn)化成多元線性回歸方程；對(duì)其兩邊取對(duì)數(shù)得：

lnRa=lnK+C1lnR+C2lnvc+C3lnf+C4lnap。

(2)

令lnRa=y；lnK=C0；lnR=x1;lnvc=x2;lnf=x3；lnap=x4;則

y=C0+C1x1+C2x2+C3x3+C4x4。

(3)

式中：x1,x2,…,…,xn為回歸變量。

C1,C2,…,…,Cn為回歸系數(shù),設(shè)(xi1,xi2,xi3,xi4,yi)T(i=1,2,…,9)是9個(gè)觀測(cè)值，將其轉(zhuǎn)化成矩陣形式：

也可表達(dá)為：

y=XC+ε。

(4)

式中ε為試驗(yàn)誤差。

(5)

將表4中的數(shù)據(jù)代入式(3)得：

將X和y值代入公式中(5)可得

將所得數(shù)值代入式(1)中，可得Al7075-T6鋁合金的表面粗糙度模型為：

(6)

3 粗糙度預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 粗糙度預(yù)測(cè)模型顯著性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證所建立的表面粗糙模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行離差平方和計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

(9)

RSS=TSS-ESS=2.263 937。

(10)

(11)

取工件表面粗糙度模型置信度為95%,即α=0.05，查F界值表可得F0.05(4,4)=6.39，F(xiàn)為2個(gè)均方的比值，通過式(11)計(jì)算得F=7.180 119 093>F0.005(4,4)，表明該預(yù)測(cè)模型是高度顯著，數(shù)據(jù)擬合情況較好，擁有較高的可信度，可以通過切削參數(shù)進(jìn)行鋁合金表面粗糙度預(yù)測(cè)。

3.2 粗糙度模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的工件表面粗糙程度模型的準(zhǔn)確性，對(duì)Al7075-T6進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，在切削完成后,每一段取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量粗糙度值，并取其平均值。

將表6中各個(gè)參數(shù)代入式(6)的預(yù)測(cè)模型之中，計(jì)算出其表面粗糙度。將預(yù)測(cè)結(jié)果同實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出表面粗糙度預(yù)測(cè)值同實(shí)際測(cè)量值的差值小于0.07 μm；觀察圖5可知，其誤差率在2%～6%之間，該模型預(yù)測(cè)誤差率最大不超過6%，可以達(dá)到硬質(zhì)合金高速切削表面粗糙度的預(yù)測(cè)要求。

圖4 鋁合金表面粗糙度測(cè)量值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Figure 4 Comparison of measured and predicted values of aluminum alloys surface roughness

表6 切削試驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 鋁合金表面粗糙度預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的誤差率Figure 5 Comparison of error rate between predicted value and measured value of aluminum alloy surface roughness

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)金屬切削中的切削參數(shù)選擇及表面質(zhì)量問題，課題組通過對(duì)刀尖圓弧R、切削速度vc、進(jìn)給量f及背吃刀量αp對(duì)加工后工件表面質(zhì)量的影響進(jìn)行研究分析，建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)：在使用硬質(zhì)合金高速切削Al7075-T6鋁合金時(shí),對(duì)表面粗糙度影響最大的主要是切削速度和進(jìn)給量，若采用高速、低進(jìn)給可以獲得較好的表面質(zhì)量；建立的預(yù)測(cè)模型試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差率在2%～6%之間，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)表面粗糙度，具有較高可信度；通過預(yù)測(cè)模型可分析切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，為Al7075-T6的高速切削參數(shù)的合理選擇提供參考依據(jù)。