李亞平，趙先鋒，李長(zhǎng)虹，李榮隆

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng)　550025)

球頭銑刀銑削TC4鈦合金銑削參數(shù)的研究*

李亞平，趙先鋒，李長(zhǎng)虹，李榮隆

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng)550025)

摘要：針對(duì)TC4鈦合金的銑削加工，為了獲得合理的銑削參數(shù)，利用專(zhuān)用刀具軟件Third Wave AdvantEdge建立銑削模型，采用四因素五水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)球頭銑刀銑削TC4鈦合金進(jìn)行銑削試驗(yàn)。運(yùn)用極差分析法確定轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削寬度及切削深度對(duì)銑削力的影響，并建立銑削力的預(yù)測(cè)模型，為刀具參數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)。研究表明: 對(duì)銑削合力影響最顯著的因素為進(jìn)給量，其次是切削寬度和切削深度，最不顯著的因素是轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞：Third Wave AdvantEdge；正交試驗(yàn)；極差分析；預(yù)測(cè)模型

0引言

目前，鈦合金被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域主要是因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)度高,耐蝕性好和耐熱性高等特點(diǎn)[1-2]。其中TC4鈦合金是最早研制成功、應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種典型的鈦合金材料。它屬于高溫鈦合金系列，它所具有的鈦合金的優(yōu)點(diǎn)使其成為航天、航空等領(lǐng)域應(yīng)用最多的合金。TC4鈦合金又因具有導(dǎo)熱系數(shù)低，化學(xué)活性大及刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題，屬于難加工材料[3]。國(guó)內(nèi)外研究集中在銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響，未建立銑削力的預(yù)測(cè)模型[4-9]。

因此，本文以銑削力為目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)對(duì)不同銑削參數(shù)的研究，得到轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削寬度及切削深度等因素對(duì)切削力的影響，建立切削力的預(yù)測(cè)模型，為T(mén)C4的銑削加工提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1工件材料

TC4鈦合金的組成為T(mén)i-6Al-4V，屬于 (α+β) 相鈦合金。如表1所示為T(mén)C4 鈦合金的機(jī)械性能表。

表1　TC4鈦合金的機(jī)械性能表

在有限元分析的高應(yīng)變率中,運(yùn)用可靠的材料流動(dòng)應(yīng)力模型描述工件的本構(gòu)行為是保證模擬結(jié)果正確性的基礎(chǔ)[10]。其本構(gòu)模型的冪指數(shù)形式在AdvantEdge軟件中表示為：

(1)

1.2試驗(yàn)方案

刀具采用具有TiC涂層(厚度為0.005μm)的K類(lèi)硬質(zhì)合金整體式球頭立銑刀，刀具的幾何參數(shù)如表2所示。

表2　刀具詳細(xì)參數(shù)

在工件材料和刀具參數(shù)確定的情況下，切削力與切削參數(shù)具有繁雜的指數(shù)關(guān)系。銑削力經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式為：

(2)

由公式(2)可知，影響銑削力的因素主要有主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae、銑刀直徑d0和銑刀齒數(shù)z0。其中，銑刀直徑d0、銑刀齒數(shù)z0和修正系數(shù)kF取定值。因此，本文將重點(diǎn)研究硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削TC4時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae對(duì)銑削力的影響。銑削方式采用順銑，干切削。

設(shè)計(jì)四因素五水平L25(54)正交銑削仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)研究TC4鈦合金的加工特性，如表3為其因素水平表。使用刀具分析軟件Third Wave Advantedge來(lái)進(jìn)行模擬加工，根據(jù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)輸入相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用Advantedge 默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方法對(duì)工件和刀具的網(wǎng)格進(jìn)行劃分和重劃分。

表3　因素水平表

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)正交試驗(yàn)的參數(shù)選擇，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。運(yùn)用極差分析的方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。極差分析可以得到三方面的結(jié)果：試驗(yàn)指標(biāo)隨每個(gè)因素的變化趨勢(shì)；每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次排序；因素和水平的最優(yōu)組合。

表4　各因素對(duì)銑削合力Fr的分析表

續(xù)表

2.1銑削力預(yù)測(cè)模型的建立

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，銑削力的預(yù)測(cè)模型采用多元線性回歸的方法建立。

根據(jù)廣義的泰勒公式,銑削合力與銑削參數(shù)之間是指數(shù)關(guān)系,可以近似用公式(3)表示:

(3)

在公式(3)中C為系數(shù)(系數(shù)與機(jī)床、刀具、工件有關(guān)系)；b1、b2、b3、b4分別為主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度對(duì)銑削合力的影響指數(shù)。

將式(3)兩邊取對(duì)數(shù),得到以下方程:

lnFr=lnC+b1lnn+b2lnfz+b3lnap+b4lnae

(4)

y1=lnFr,x1=lnn,x2=lnfz,x3=lnap,x4=lnae,b0=lnC,則將式(4)變換后的常用多元回歸方程形式為:

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4

(5)

根據(jù)此建立銑削力的多元回歸方程組:

y1=β0+β1x11+β2x12+β3x13+β4x14+ε1

y2=β0+β1x21+β2x22+β3x23+β4x24+ε2

………

y25=β0+β1x25-1+β2x25-2+β3x25-3+β4x25-4+ε25

(6)

其中,εi為試驗(yàn)隨機(jī)變量誤差。

采用最小二乘法,設(shè)b0、b1、b2、b3、b4分別為參數(shù)β0、β1、β2、β3、β4的最小二乘估計(jì),則回歸方程為:

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4

(7)

式(7)中,y為統(tǒng)計(jì)量,b0、b1、b2、b3、b4為回歸系數(shù),則

b=(X/X)-1X/Y

(8)

根據(jù)正交試驗(yàn)表，將參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果輸入EXECL，算出b，最后可得到Fr的經(jīng)驗(yàn)公式。

(9)

由公式(9)可知，銑削合力對(duì)于進(jìn)給量的變化最敏感，對(duì)轉(zhuǎn)速的變化最不敏感。

2.2分析結(jié)果

仿真加工參數(shù) (轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度、切削寬度)對(duì)銑削力的影響趨勢(shì)如圖 1 所示。

圖1　銑削合力Fr在不同銑削參數(shù)下的趨勢(shì)圖

由圖1a可知：隨轉(zhuǎn)速的增大，銑削合力大體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增大，導(dǎo)致切削溫度變高，使工件材料發(fā)生軟化，以至于切削力減小。增大轉(zhuǎn)速不僅可以減小銑削力，還可以縮短加工時(shí)間，提高效率，因此在條件允許的情況下應(yīng)盡可能提高銑削速度。

由圖1b和圖1c可知:隨著進(jìn)給量和切削深度的增加，銑削合力增大。因?yàn)檫M(jìn)給量和切削深度的增加導(dǎo)致切削面積增大，而變形系數(shù)在切削深度增大時(shí)保持不變，進(jìn)而導(dǎo)致切削力成比例增大，隨著進(jìn)給量變大，彈塑性變形及摩擦力也隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致切削力增大?？梢?jiàn)當(dāng)切削面積相同時(shí)，為減小切削力宜采用較小的進(jìn)給量和切削深度。

由圖1d可知:隨著切削寬度的增大，銑削合力基本上是增大的趨勢(shì)。

根據(jù)表4的極差結(jié)果，可以看出各切削參數(shù)對(duì)銑削力的影響程度。在硬質(zhì)合金球頭立銑刀銑削TC4時(shí)，對(duì)銑削力影響最顯著的因素為進(jìn)給量，最不顯著的因素是轉(zhuǎn)速。

綜合以上各因素對(duì)銑削合力的影響，推薦銑削參數(shù)為:轉(zhuǎn)速=5000r/min，進(jìn)給量=0.02mm/z，切削深度=0.5mm，切削寬度=3mm。

3結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用正交仿真試驗(yàn)，研究了銑削TC4鈦合金的銑削力。研究表明:

(1)對(duì)銑削合力影響最顯著的因素為進(jìn)給量，其次是切削寬度和切削深度，最不顯著的因素是轉(zhuǎn)速；

(2)從切削力的角度考慮，切削參數(shù)可優(yōu)化為：較大的轉(zhuǎn)速、適當(dāng)?shù)那邢魃疃群颓邢鲗挾燃拜^小的進(jìn)給量，并建立了切削力的經(jīng)驗(yàn)公式；

(3)推薦銑削參數(shù)為:轉(zhuǎn)速=5000r/min，進(jìn)給量=0.02mm/z，切削深度=0.5mm，切削寬度=3mm。

本論文主要進(jìn)行了有限元仿真分析，后續(xù)工作將進(jìn)行TC4的切削試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的結(jié)果，修正切削力預(yù)測(cè)模型的參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

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(編輯趙蓉)

Research of Milling Parameters of TC4 Titanium Alloyabout Ball End Mill

LI Ya-ping，ZHAO Xian-feng，LI Chang-hong，LI Rong-long

(College of Mechanical Engineering,Guizhou University，Guiyang 550025,China)

Abstract：In view of the milling TC4 titanium alloy, in order to achieve reasonable milling parameters,milling model is been built by using Third Wave AdvantEdge.Four factors and five levels orthogonal experiment method is used to simulate the process of milling TC4 titanium alloy using the ball end mill. Using the range analysis method to determine the speed, feed and cutting depth, cutting width effects on milling force. The prediction model of the milling forceis established, to provide theoretical basis for the reasonable selection for cutting tool parameter. Research shows that: the most significant factor is feedforthe milling force influence, followed by cutting width and cutting depth, the least significant factor is the speed.

Key words：Third Wave AdvantEdge； orthogonal experiment;；range analysis；prediction model

文章編號(hào)：1001-2265(2016)06-0118-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.031

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-08-03

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265005)

作者簡(jiǎn)介：李亞平(1989—)，女，湖北襄陽(yáng)人，貴州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代制造工藝及裝備，(E-mail)408692073@qq.com；通訊作者：李長(zhǎng)虹(1957—)，女，河北豐潤(rùn)人，貴州大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造、CAD技術(shù)和傳動(dòng)控制技術(shù)，(E-mail)lichho9@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162;TG702

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A