響應(yīng)曲面法優(yōu)化鈦合金TA19銑削參數(shù)的研究

余澤利,房永強(qiáng),楊軍紅,,余 森,張 兵,張藝新

(1.西安漢唐分析檢測(cè)有限公司,陜西 西安 710201) (2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

鈦合金TA19是一種近α型合金,具有較高的比強(qiáng)度、熱強(qiáng)度和抗腐蝕性能,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車制造等領(lǐng)域。因其室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均大于TC4,是較難加工的材料,因此也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

鈦合金TA19加工過(guò)程中容易造成刀具磨損,存在加工精度低、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。為了提高鈦合金加工質(zhì)量,國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金加工技術(shù)已經(jīng)有了大量的研究[1-2]。沈雪紅等[3]研究了鈦合金切削參數(shù)、加工條件、刀具特征對(duì)切削力、切削溫度、表面完整性特征的影響規(guī)律,結(jié)果表明,切削力對(duì)工藝參數(shù)的敏感性依次為切削深度、進(jìn)給量、切削寬度和切削速度;對(duì)鈦合金切削溫度影響最顯著的因素是切削速度和進(jìn)給量,其次是切削深度,最后為切削寬度。呂楊[4]通過(guò)仿真技術(shù)研究了高速切削時(shí)切削溫度、刀具角度、鋸齒狀切屑對(duì)TC4鈦合金切削力的影響規(guī)律,結(jié)果表明,刀具磨損對(duì)切削力影響最大,可以通過(guò)觀察切削力的變化監(jiān)控刀具磨損量。王永鑫等[5]通過(guò)車削三要素對(duì)鈦合金TC18進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了正交試驗(yàn),結(jié)果表明,切削深度對(duì)切削力影響最大。黃蓓[6]對(duì)鈦合金切削過(guò)程中的表面完整性、高效切削加工質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了深入研究,結(jié)果表明,切削用量中進(jìn)給量對(duì)粗糙度影響最大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TC牌號(hào)鈦合金研究較多,主要以切削力作為響應(yīng)值,研究了各切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律,結(jié)果均表明切削深度對(duì)切削力影響最大。截至目前,國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)對(duì)鈦合金TA19最優(yōu)銑削參數(shù)的相關(guān)研究。本文以鈦合金TA19為研究對(duì)象,采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)進(jìn)行正交試驗(yàn),以表面粗糙度作為響應(yīng)值,研究了切削速度、切削深度、切削寬度、每齒進(jìn)給量4個(gè)因素對(duì)加工試樣表面粗糙度的影響,通過(guò)響應(yīng)曲面法建立了表面粗糙度數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化了銑削參數(shù),提高了加工精度和加工質(zhì)量,本文研究結(jié)果為鈦合金TA19銑削參數(shù)的優(yōu)化選擇提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響鈦合金加工試樣表面粗糙度的因素較多,綜合考慮,本文以切削速度θc、切削深度ap、切削寬度aw、每齒進(jìn)給量fz4個(gè)銑削參數(shù)為可控因素,設(shè)計(jì)四因素五水平正交試驗(yàn),在不同銑削參數(shù)組合下,對(duì)被加工試樣表面粗糙度Ra進(jìn)行測(cè)量。

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)加工材料選用強(qiáng)度較高的鈦合金TA19,其室溫物理性能見(jiàn)表1。工件材料幾何尺寸為160 mm×40 mm×40 mm。

表1 TA19鈦合金室溫物理性能

選用型號(hào)為XQ6232的萬(wàn)能回轉(zhuǎn)頭立式銑床,直徑為20 mm的2齒硬質(zhì)合金立銑刀,銑削方式選擇順銑,切削液選擇乳化液,試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用日本三豐SJ-210粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量被加工材料表面粗糙度Ra。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.2 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)曲面法是一種表面質(zhì)量建模及過(guò)程參數(shù)優(yōu)化常用的方法,于20世紀(jì)50年代提出[7-8],可以建立的復(fù)雜多維空間曲面較接近實(shí)際情況,具有試驗(yàn)組數(shù)相對(duì)較少、數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于表面粗糙度預(yù)測(cè)模型及參數(shù)優(yōu)化中[9]。試驗(yàn)采用中心組合設(shè)計(jì)的響應(yīng)曲面法[10-11],通過(guò)Design-Expert 8.0軟件中Central Composite Design(CCD)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,將表面粗糙度與切削速度、切削深度、切削寬度、每齒進(jìn)給量4個(gè)因素的關(guān)系映射成數(shù)學(xué)模型,分析各因素對(duì)表面粗糙度的影響。使用該方法可以減少試驗(yàn)次數(shù),降低試驗(yàn)成本。試驗(yàn)自變量的編碼及水平見(jiàn)表2,其中0代表中心點(diǎn),-1和1代表因子點(diǎn),-2和2代表軸向點(diǎn),進(jìn)行四因素五水平正交試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)自變量的編碼及水平

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面粗糙度數(shù)學(xué)模型

為了更好地預(yù)測(cè)表面粗糙度,確定表面粗糙度與切削速度、切削深度、切削寬度、每齒進(jìn)給量之間的關(guān)系,本文以鈦合金TA19為研究對(duì)象,對(duì)加工試樣表面粗糙度進(jìn)行分析,建立函數(shù)關(guān)系式,如式(1)所示。

y=φ(x1,x2,x3,x4)+ε

(1)

式中:y為試樣表面粗糙度,φ為響應(yīng)曲面函數(shù),x1為切削速度,x2為切削深度,x3為切削寬度,x4為每齒進(jìn)給量,ε為隨機(jī)誤差。

為了評(píng)估各因素對(duì)表面粗糙度的影響,根據(jù)表3測(cè)試數(shù)據(jù),使用Design-Expert 8.0軟件,設(shè)定因子的顯著性判據(jù)P<0.05,采用逐步回歸分析法得到表面粗糙度預(yù)測(cè)模型(公式(2)),表面粗糙度實(shí)際模型(公式(3))。

y=0.54-0.058x1+0.065x2+0.029x3+0.070x4-0.011x1x2-0.019x1x3+5.875×10-3x1x4-0.012x2x3-1.250×10-4x2x4+0.017x3x4+0.022x12+0.027x22+3.063×10-3x32+0.022x42

(2)

y=0.712 43-3.780 56×10-3x1-0.058 333x2+0.103 50x3-7.566 67x4-1.812 50×10-3x1x2-1.266 67×10-3x1x3+9.791 67×10-3x1x4-0.117 50x2x3-0.031 250x2x4+1.70x3x4+2.437 5×10-5x12+0.667 19x22+0.012 25x32+55.781 25x42

(3)

2.2 模型的顯著性檢驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)響應(yīng)曲面模型擬合的有效性和可靠性,對(duì)二次回歸模型進(jìn)行了方差分析和顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模型的方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,表面粗糙度回歸模型的F值為49.26,對(duì)應(yīng)的概率P<0.000 1,P值滿足給定的顯著性水平判據(jù),表明所建二次回歸模型是顯著的。失擬對(duì)應(yīng)的F值為0.90,P=0.588 8>0.05,表明預(yù)測(cè)模型與實(shí)際模型中隨機(jī)誤差所占比例較小,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值擬合度良好。

殘差的正態(tài)概率分布如圖2所示,數(shù)據(jù)擬合的曲線非常近似一條直線,表明預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值吻合度較高。從總體上來(lái)看,用該二次回歸模型推測(cè)總體預(yù)測(cè)值是有效的。

圖2 殘差正態(tài)概率分布圖

2.3 表面粗糙度響應(yīng)曲面分析

采用響應(yīng)曲面法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以判斷切削速度、切削深度、切削寬度、每齒進(jìn)給量各因素對(duì)試樣表面粗糙度的影響程度,得到最優(yōu)的銑削參數(shù)組合。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制各銑削參數(shù)的響應(yīng)曲面圖和等值線圖,如圖3～圖5所示。

圖3 θc和ap對(duì)Ra的影響(aw=2.0 mm,fz=0.06 mm/z)

從圖3(a)可以看出,Ra隨著θc的增加逐漸減小,隨著ap的增加逐漸增大。主要是由于銑削速度的增加使得切削溫度升高,導(dǎo)致試樣表面發(fā)生熱軟化,降低了切削阻力,故而Ra減小;當(dāng)ap增加時(shí),增加了銑削接觸面積,銑削阻力增大,容易造成鋸齒形切削,故而Ra增大。當(dāng)ap很小時(shí),試樣表面粗糙度受切削速度的影響較小,但隨著ap的增大,試樣表面粗糙度受切削速度的影響變得顯著,因此切削深度對(duì)試樣表面粗糙度的影響較切削速度更為顯著。

從圖3(b)可以看出,在aw=2.0 mm、fz=0.06 mm/z條件下,當(dāng)切削速度為103～160 m/min、切削深度為0.22～0.56 mm時(shí),表面粗糙度Ra≤0.5 μm。

從圖4(a)可以看出,ap和aw對(duì)Ra的影響均為正相關(guān),當(dāng)ap和aw增加時(shí),銑削接觸面積也隨著增大,導(dǎo)致試樣和刀具之間的交互作用增大,故而表面粗糙度增大。

圖4 ap和aw對(duì)Ra的影響(θc=100 m/min,fz=0.06 mm/z)

從圖4(b)可以看出,在θc=100 m/min、fz=0.06 mm/z條件下,當(dāng)切削寬度為1.0～1.8 mm、切削深度為0.2～0.6 mm時(shí),表面粗糙度Ra≤0.5 μm。

從圖5(a)可以看出,試樣表面粗糙度隨著fz和aw的增加明顯增大,這是因?yàn)楸患庸ぴ嚇颖砻鏆埩裘娣e高度會(huì)影響進(jìn)給方向的表面粗糙度,殘留面積最大高度與每齒進(jìn)給量的平方近似成正比。當(dāng)fz很小時(shí),aw對(duì)Ra的影響較小,但隨著fz的增大,aw對(duì)Ra的影響變得顯著,所以fz對(duì)Ra的影響較aw更為顯著。

從圖5(b)可以看出,在θc=100 m/min、ap=0.6 mm條件下,當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.020～0.028 mm/z、切削寬度為1.0～1.6 mm時(shí),表面粗糙度Ra≤0.5 μm。

3 參數(shù)優(yōu)選

在鈦合金TA19銑削加工過(guò)程中,為了提高加工精度和加工質(zhì)量,獲得較小的表面粗糙度,需要對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

假設(shè)將表面粗糙度目標(biāo)值設(shè)定為Ra≤0.5 μm,使用Design-Expert 8.0軟件優(yōu)化鈦合金TA19銑削參數(shù),可得到滿足要求的最優(yōu)銑削參數(shù)為:每齒進(jìn)給量0.03 mm/z,切削速度133.39 m/min,切削深度0.37 mm,切削寬度1.88 mm。

4 結(jié)論

1)采用響應(yīng)曲面法建立的鈦合金TA19表面粗糙度預(yù)測(cè)模型,經(jīng)方差分析和顯著性檢驗(yàn),結(jié)果顯示該模型顯著性較高,模型可靠、有效,可為生產(chǎn)實(shí)踐中鈦合金TA19銑削參數(shù)優(yōu)化選擇提供一定的理論指導(dǎo)。

2)表面粗糙度隨著切削速度的增大逐漸減小,隨著每齒進(jìn)給量、切削深度、切削寬度的增大逐漸增大。

3)鈦合金TA19銑削參數(shù)中,每齒進(jìn)給量和切削深度對(duì)試樣表面粗糙度的影響最大,切削深度和切削速度的交互作用對(duì)試樣表面粗糙度的影響最為顯著。

4)使用Design-Expert 8.0軟件,以最小表面粗糙度為目標(biāo)優(yōu)化鈦合金TA19銑削參數(shù),得到最優(yōu)銑削參數(shù)為:每齒進(jìn)給量0.03 mm/z,切削速度133.39 m/min,切削深度0.37 mm,切削寬度1.88 mm。