黃曉明，孫 杰

（山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061）

7050-T7451鋁合金屬于 Al-Zn-Mg-Cu系列合金，具有強度高、斷裂韌度大、抗應力腐蝕性能好等優(yōu)點，能有效提高飛機結構件的強度與剛度，降低飛機的空重，是航空航天工業(yè)應用最廣泛的鋁合金材料之一，廣泛應用于現(xiàn)代飛機整體框、梁、壁板、長緣條等整體結構件［1－2］.

高速銑削能獲得較高的材料去除率、很高的加工精度和良好的加工表面質(zhì)量，因此在現(xiàn)代制造業(yè)中受到普遍重視［3］.表面粗糙度輪廓算數(shù)平均偏差（Ra）是高速精加工表面質(zhì)量指標中的一個重要評價參數(shù)，粗糙度值的大小直接影響著零件的耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性，同時也影響著零件的裝配精度和質(zhì)量.影響表面粗糙度的因素很多，其中切削用量的選取是主要因素，特別是各切削用量值之間的匹配關系對加工表面粗糙度尤為重要.目前因銑削工藝參數(shù)選擇不當而造成零件加工質(zhì)量較差、加工效率較低的情況還比較嚴重，因此如何選擇合理的銑削參數(shù)以降低鋁合金的加工表面粗糙度，保證加工質(zhì)量就顯得尤為重要.

本文通過正交試驗研究分析銑削參數(shù)對7050－T7451鋁合金表面粗糙度的影響規(guī)律，為實現(xiàn)鋁合金航空材料的高效、經(jīng)濟加工提供可靠的依據(jù).

1 R a經(jīng)驗公式系數(shù)的確定

在高速銑削加工中，切削參數(shù)主要有：切削速度、進給量、軸向切削深度和徑向切削深度.根據(jù)金屬切削原理研究，在機床特征和刀具幾何參數(shù)確定的前提條件下，表面粗糙度與切削參數(shù)之間存在復雜的指數(shù)關系［4－5］，設定本試驗的銑削表面粗糙度經(jīng)驗公式的通用形式為

式中：C為取決于加工材料、切削條件的修正系數(shù)；v為切削速度；fz為進給量；ae為徑向切寬；ap為軸向切深；b1，b2，b3，b4為待定系數(shù).

為了建立預測模型，進行數(shù)學回歸分析，須將非線性方程轉化為線性方程.在式（1）兩邊分別取對數(shù)使之變換成線性函數(shù)，得：

令y＝lgRa，b0＝lgC，x1＝lgv，x2＝lgfz，x3＝lgae，x4＝lgap.

則

建立多元線性回歸方程，采用矩陣形式表示為

式中：β0，β1，β2，β3，β4為變量x對應統(tǒng)計參數(shù)，b0為參數(shù)β0的最小二乘估計回歸系數(shù)；εi（i＝1，2，…，16）為試驗隨機變量誤差.

2 試驗方法

2.1 試驗材料與設備

試驗材料選用美國Kaiser Aluminum ＆Chemical Corp.公司生產(chǎn)的7050-T7451預拉伸毛坯件，其主要力學性能如表1所示.

表1 7050-T7451鋁合金力學性能Tab.1 Mechanical properties of 7050-T7451

試驗是在五軸高速加工中心DMU-70V上進行的，其主軸最高轉速18 000 r·min－1，最大功率為15 kW.刀具選用三齒硬質(zhì)合金整體立銑刀，刀具幾何結構為：前角19°，后角10°，直徑為20 mm，刀尖圓弧半徑1 mm.工件加工面為平面，銑削方式為順銑，切削環(huán)境為干切削.

本試驗采用Wyko NT9300光學輪廓儀測量工件表面形貌和粗糙度.為減小測量誤差，在同一工件表面上選取5個測量點，取平均值作為試驗值.

2.2 試驗參數(shù)的選取及結果

在高速精加工中，切削用量的匹配對表面粗糙度值的大小影響很大，對于不同材料、不同精度要求的工件，需要進行大量的試切試驗來確定.為減少試驗次數(shù)，提高預測模型的準確性，采用4水平4因素正交回歸試驗的方法.按照高速精銑的要求，參考實際生產(chǎn)工況選取切削參數(shù)，同時適當擴大主軸轉速的范圍.試驗方案、切削參數(shù)及試驗結果如表2所示.

圖1 實驗設置Fig.1 Experimental set-up

圖2是v＝502 m·min－1，fz＝0.14 mm，ap＝6 mm，ae＝6 mm加工參數(shù)下的表面形貌測試結果.從圖中可以看到明顯的交叉織網(wǎng)狀形貌，這是由于銑削時銑刀前一齒與后一齒之間會有殘留高度，每條均勻間隔突起的棱脊位移量等于銑削參數(shù)中的fz，反映出了銑刀切削刃的運動軌跡.

表2 正交銑削試驗參數(shù)及結果Tab.2 Orthogonal experiment schemes and experiment results

3 分析與討論

3.1 正交試驗銑削參數(shù)的極差分析

圖2 7050-T7451鋁合金銑削表面Fig.2 Surface of 7050-T7451 aluminum alloy

根據(jù)表2的粗糙度測試結果，做出正交試驗極差分析圖，如圖3所示.從圖3可以直觀地看出各切削參數(shù)對表面粗糙度的影響程度及變化趨勢.軸向切削深度ap和每齒進給量fz增大使表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢，并且fz的影響程度比較明顯；而隨著切削速度v的提高，粗糙度值則減小；切削寬度ae對表面粗糙度的影響不明顯.因此，在實際生產(chǎn)中選取切削用量時，從減小表面粗糙度值的角度出發(fā)，在刀具壽命允許的條件下，建議采用較高主軸轉速、較低進給率和軸向切削深度.

圖3 銑削參數(shù)對表面粗糙度影響的極差分析Fig.3 Range analysis of milling parameters on R a

3.2 經(jīng)驗模型及檢驗

根據(jù)表面粗糙度經(jīng)驗公式中常系數(shù)的確定方法，對表2中的各數(shù)據(jù)進行多元線性回歸計算，建立7050－T7451高速銑削時的表面粗糙度的經(jīng)驗公式：

由于表面粗糙度模型只是一種假設，要判斷模型的擬合程度，必須對其進行檢驗.根據(jù)經(jīng)驗公式（5），計算不同加工參數(shù)組合下，7050-T7451鋁合金表面粗糙度，將計算數(shù)值與試驗值進行對比，如圖4所示.從圖4可以看出，所建預測模型呈高度顯著狀態(tài)，與實際情況擬合得很好，所以用本模型預測該鋁合金的表面粗糙度具有較高的可信度.

圖4 預測模型值與試驗測量值對比圖Fig.4 Scatterplot of the measured Ra and the predicted R a of the prediction model

3.3 方差分析

由以上分析可以得出，回歸方程是高度顯著的.為了研究自變量對因變量作用的顯著程度，對試驗結果進行方差分析.方差分析是將因變量y的總變異分解成歸因于不同變異原因x的分量，研究各種分量對總變異的重要性.采用F檢驗，與給定顯著水平的標準（F0.05（3，3）＝9.28）相比較，F(xiàn)值越大說明銑削參數(shù)對表面粗糙度影響越明顯.從表3中可以看出，各個銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響顯著性排序為：fz＞v＞ap＞ae.進給速度和主軸轉速的影響顯著，是影響表面粗糙度的主要因素，而其他兩個參數(shù)的影響較小.

4 結語

通過對航空鋁合金7050-T7451材料進行高速切削試驗，利用多元回歸正交分析法建立其表面粗糙度預測模型，使用本模型進行表面粗糙度值的計算，可以減少試驗次數(shù)，具有很高的可信度.銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響顯著性排序為：fz＞v＞ap＞ae.每齒進給量和切削深度的增大使粗糙度值呈現(xiàn)增大的趨勢，而隨著切削速度的提高，粗糙度值則減小.

表3 表面粗糙度加工參數(shù)顯著性檢驗分析表Tab.3 Significance testing of the machining parameters on R a

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