趙 靜，周培培，王晨羽

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

0 引言

影響已加工表面粗糙度的因素有刀具的幾何參數(shù)、切削用量、切屑的形態(tài)和刀具的振動(dòng)等。對(duì)于加工表面粗糙度國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[1-6]通過(guò)超硬鋁合金7A04及鈦合金TC4的高速車(chē)銑削實(shí)驗(yàn)，研究了鋸齒形切屑等切屑形態(tài)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,表面粗糙度隨切削速度的提高而降低，但隨著切削速度的提高，切屑鋸齒化程度加大，會(huì)引起切削力的高頻振動(dòng)，加劇刀具磨損，使加工表面質(zhì)量惡化。因此，在實(shí)際加工生產(chǎn)中要選擇合適的切削用量，防止鋸齒形切屑對(duì)已加工表面粗糙度的影響。文獻(xiàn)[7]采用遺傳算法預(yù)測(cè)了超精密切削加工表面的粗糙度，通過(guò)對(duì)切削用量的優(yōu)化研究了切削速度、切削深度及進(jìn)給量等切削用量對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了指導(dǎo)。鈦合金在航天和汽車(chē)制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但目前對(duì)于鈦合金加工表面粗糙度的研究還不完善。本文針對(duì)鈦合金TA15，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)法研究切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為切削加工生產(chǎn)實(shí)際提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備材料及方案

1.1 材料和刀具

(1) 實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)所選用的工件材料為 TA15棒料，直徑Φ66 mm，長(zhǎng)度300 mm。其材料成分如表1所示。

(2) 刀具參數(shù):實(shí)驗(yàn)選用SANDVIK公司生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鈦合金棒料的車(chē)削。刀片牌號(hào)為CCMT09T3 08-MF1105，刀桿牌號(hào)為SCLCR2525M09，刀具主偏角Kr=90°，刃傾角λs=0°，前角γ0=0°，后角α0=7°，刀尖圓弧半徑=0.8 mm。

表1 TA15材料成分

1.2 實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備和測(cè)量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用CA6140A普通機(jī)床進(jìn)行干式車(chē)削實(shí)驗(yàn)，表面粗糙度采用手持式表面粗糙度測(cè)量?jī)xTR100進(jìn)行測(cè)量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1) 采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，研究切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響情況，切削參數(shù)包括切削速度vc、進(jìn)給量f和切削深度ap，表面粗糙度測(cè)量值見(jiàn)表2。

(2) 根據(jù)切削用量設(shè)計(jì)了三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)方案，并測(cè)量了表面粗糙度值，如表3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)表2的單因素1～6組實(shí)驗(yàn),其中f=0.2 mm/r和ap=0.2 mm保持不變，改變vc的大小，繪出表面粗糙度隨切削速度的變化曲線(xiàn)，如圖1所示。由圖1可知：①切削速度在30.42 m/min～49.76 m/min范圍內(nèi)，隨著切削速度的增大，表面粗糙度急劇降低，切削速度在49.76 m/min～138.23 m/min范圍內(nèi)，隨著切削速度的逐漸增加，表面粗糙度的變化規(guī)律為先增加后逐漸減小又增加，分析其原因可能是起初由于振動(dòng)的影響，表面粗糙度值相對(duì)較大，隨著切削速度的增加，表面粗糙度值變小,當(dāng)切削速度達(dá)到49.76 m/min時(shí)，由于振動(dòng)的影響，表面粗糙度開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)的波動(dòng),切削速度在49.76 m/min～77.4 m/min范圍內(nèi)，隨切削速度的增加，表面粗糙度也隨之出現(xiàn)增加，這是由于鈦合金屬于塑性材料，在中速條件容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，并且由于振動(dòng)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致表面粗糙度增加；②切削速度在77.4 m/min～124.41 m/min范圍內(nèi)，隨著切削速度的增加，表面粗糙度有所下降，這是由于隨著切削速度繼續(xù)增加，積屑瘤和鱗刺隨之減少，并且切削速度增加，切削溫度增加，刀具工件的摩擦系數(shù)變小，切削力減小，振動(dòng)變小，從而表面粗糙度降低，并且鋸齒形切屑形成瞬間有助于材料的斷屑，從而減小切削變形程度，進(jìn)而降低表面粗糙度，因此，會(huì)產(chǎn)生在切削速度77.4 m/min時(shí)表面粗糙度下降的現(xiàn)象；③切削速度在124.41 m/min～138.23 m/min范圍內(nèi)，隨著切削速度的增加，表面粗糙度不再減小又逐漸增大，究其原因一方面如果繼續(xù)再提高切削的速度，切削溫度會(huì)逐步增加，切削力和振動(dòng)增加,另一方面，隨著切削速度的進(jìn)一步提高，切削溫度增加，熱軟化作用增強(qiáng)，絕熱剪切現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率變大,切屑的鋸齒化程度越來(lái)越大，會(huì)使得已加工表面產(chǎn)生劃痕，使得表面粗糙度增大。綜合分析可知，由于切削過(guò)程中進(jìn)給量、切削深度、刀具幾何參數(shù)均不變，理論上工件表面殘留高度是不會(huì)隨著切削速度的變化而變化的，表面粗糙度也不會(huì)改變，因此，表面粗糙度的變化是切削速度和振動(dòng)共同作用的結(jié)果。

2.1.2 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)表2鈦合金TA15單因素7～11組實(shí)驗(yàn)，切削速度vc=98.14 m/min和切削深度ap=0.2 mm不變，而改變進(jìn)給量，繪出表面粗糙度隨進(jìn)給量的變化曲線(xiàn)，如圖2所示。由圖2可知：進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響比較明顯，伴隨著進(jìn)給量的增加，表面粗糙度整體有增大趨向；起初，隨著進(jìn)給量增加，表面粗糙度增加比較緩慢，但當(dāng)進(jìn)給量增加到0.25 mm/r時(shí)，表面粗糙度增加較快。這是由于剛開(kāi)始進(jìn)給量比較小，切削厚度和工件殘留高度都比較小，因此，剛開(kāi)始表面粗糙度增加得比較緩慢；但隨著進(jìn)給量的繼續(xù)增加，切削厚度和工件表面殘留高度也逐漸增加。

2.1.3 切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

圖3為表2中鈦合金TA15的單因素12～16組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)應(yīng)的表面粗糙度，其中切削速度vc=98.14 m/min和進(jìn)給量f=0.2 mm/r不變，只改變切削深度繪出表面粗糙度隨切削深度的變化曲線(xiàn),如圖3所示。由圖3可知：伴隨著切削深度的增大，表面粗糙度整體呈增大趨勢(shì)，當(dāng)切削深度在0.15 mm～0.3 mm范圍內(nèi)時(shí)，表面粗糙度由0.77 μm增加到0.81 μm，增幅僅為0.04 μm；而當(dāng)切削深度由0.3 mm增加到0.4 mm時(shí)，表面粗糙度增幅為0.05 μm，增長(zhǎng)幅度較大。這是由于起初切削深度比較小，對(duì)應(yīng)的切削厚度也比較小，因此，剛開(kāi)始表面粗糙度平穩(wěn)地增加，隨著切削深度增大，切削面積也隨之增大，單位時(shí)間內(nèi)切除的工件材料增加，導(dǎo)致切削力、振動(dòng)增大。綜合分析可知，由于切削過(guò)程中進(jìn)給量不變，理論上工件表面殘留高度是不會(huì)隨著切削深度的變化而變化的。在實(shí)際加工中，切削深度對(duì)表面粗糙度影響較小，選擇適當(dāng)?shù)那邢魃疃瓤山档陀烧駝?dòng)引起的表面粗糙度的增大。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)表及表面粗糙度

表3 TA15實(shí)驗(yàn)正交表及表面粗糙度

圖1 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律 圖2 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度影響規(guī)律 圖3 切削深度對(duì)表面粗糙度影響規(guī)律

2.2 極差分析

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表3)進(jìn)行極差分析。通過(guò)極差分析找出影響表面粗糙度的主要因素并確定最優(yōu)的切削參數(shù)組合。表4為T(mén)A15表面粗糙度值極差分析表，設(shè)kji為第j列上3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值，在任一列j上的極差Rj為kji之中的最大值減去最小值，即：

Rj=max{kj1,kj2,kj3}-min{kj1,kj2,kj3}.

(1)

極差R越大，表明該因素對(duì)表面粗糙度的影響越大。由表4極差值可知，對(duì)Ra影響因素的主次關(guān)系為f>ap>vc，因此，在實(shí)際加工時(shí)，首先選好進(jìn)給量的值。由極差分析可知，使表面粗糙度值最小的最優(yōu)參數(shù)是vc=98.14 m/min，f=0.15 mm/r，ap=0.2 mm。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)TA15進(jìn)行單因素和正交實(shí)驗(yàn)，研究切削用量對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1) 由TA15單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度增大，表面粗糙度產(chǎn)生波動(dòng)，在低速時(shí)，表面粗糙度比較大；起初，隨著進(jìn)給量增加，表面粗糙度增加比較緩慢，但當(dāng)進(jìn)給量增加到0.25 mm/r時(shí)，表面粗糙度增加較快；隨著切削深度的增加,表面粗糙度呈整體增大的變化趨勢(shì)，起初，切削深度增加時(shí)表面粗糙度增加程度平穩(wěn)，當(dāng)切削深度由0.3 mm增加到0.4 mm時(shí)，表面粗糙度增幅較大。因此在實(shí)際加工中，盡量選擇高速切削，進(jìn)給量不要超過(guò)0.25 mm/r，切削深度不要超過(guò)0.3 mm。

表4 TA15表面粗糙度值極差分析

(2) 根據(jù)TA15正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行極差分析得到：對(duì)Ra影響因素的主次關(guān)系為f>ap>vc。使表面粗糙度值最小的最優(yōu)參數(shù)是vc=98.14 m/min，f=0.15 mm/r，ap=0.3 mm。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉麗娟,呂明,武文革,等.高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V切屑形態(tài)實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015(3):196-205.

[2] 孫招來(lái).高速切削鋁合金7A04鋸齒狀切屑的幾何形狀預(yù)測(cè)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2013:1-10.

[3] 王素玉,趙軍,艾興,等.高速切削表面粗糙度理論研究綜述[J].機(jī)械工程師,2004(10):3-6.

[4] Gkler M,Ozanzgü A M.Experimental investigation of effects of cutting parameters on surface roughness in the WEDM process[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2000,40(13):1831-1848.

[5] Lee K Y,Kang M C,Jeong Y H,et al.Simulation of surface roughness and profile in high-speed end milling[J].Journal of Materials Processing Technology,2001,113(1-3):410-415.

[6] Baek D K,Ko T J,Kim H S.Optimization of feedrate in a face milling operation using a surface roughness model[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2001,41(3):451-462.

[7] 盧澤生,王明海.基于遺傳算法的超精密切削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型參數(shù)辨識(shí)及切削用量?jī)?yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,41(11):158-162.