孔曉瑤，袁松梅，朱光遠，張文杰

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191;2.北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100191）

鈦合金作為航空航天工業(yè)中使用的重要結(jié)構(gòu)材料具有比強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕，機械性能好等特點[1]。然而由于其彈性模量小、摩擦系數(shù)大、導熱系數(shù)低，在切削加工中容易造成切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴重、刀具易磨損等現(xiàn)象，使鈦合金成為了一種典型難加工材料[2]。微量潤滑(Minimum quantity lubrication，MQL)切削技術(shù)作為一種新型的綠色冷卻潤滑方式，與其他潤滑方式相比優(yōu)勢明顯，具有較強的滲透吸附能力，能夠有效改善鈦合金切削加工過程中的冷卻潤滑條件，提高加工精度、減小刀具磨損[3–5]。

目前，國內(nèi)外學者對微量潤滑銑削加工工藝開展了大量研究，主要集中于對比不同冷卻潤滑方式對切削力、表面質(zhì)量以及刀具磨損情況的影響規(guī)律研究。Benjamin等[6]通過開展鈦合金低溫微量潤滑銑削試驗，發(fā)現(xiàn)低溫微量潤滑切削能夠減小材料和刀具間摩擦系數(shù)，有效降低切削力和切削溫度，有助于提高加工過程中鈦合金的斷屑性能。陳博川等[7]研究了不同冷卻潤滑方式對鈦合金銑削加工的作用效果，結(jié)果表明在MQL條件下的切削力小，工件表面質(zhì)量好，且刀具磨損程度小于傳統(tǒng)澆注式和干式切削，更適用于鈦合金銑削的精加工。在微量潤滑技術(shù)的實際應用中，切削參數(shù)與冷卻潤滑參數(shù)的選擇對切削加工效果的影響極為關(guān)鍵，Mia等[8]對AISI 4140鋼的微量潤滑銑削加工工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，結(jié)果表明進給速度對切削力的影響最大，表面質(zhì)量主要受切削液用量大小的影響。Do等[9]采用正交試驗法對AISI H13鋼銑削加工微量潤滑系統(tǒng)工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，切削液用量在50mL/h，空氣壓力為3kg/cm2時能夠獲得較好的加工效果。李強等[10]以主軸線速度、每齒進給量、切削液流速、空氣壓強以及水油流量比為變量，對銑削參數(shù)和MQL冷卻參數(shù)的交互效應機理進行了深入分析，研究表明空氣壓強直接影響切削液的霧化程度以及流速，每齒進給量和切削液流量對表面粗糙度的影響存在顯著交互作用。MQL系統(tǒng)工藝參數(shù)影響著切削液的霧化質(zhì)量、液滴的噴射速度以及切削界面間霧粒的滲透效果，是實現(xiàn)微量冷卻潤滑作用效果的關(guān)鍵。

在切削加工中要想獲得良好的加工效果需要科學合理地選擇試驗方法進行參數(shù)優(yōu)化，綜合考慮工藝參數(shù)對切削力、表面質(zhì)量、刀具磨損等的影響規(guī)律。李志山等[11]基于灰色關(guān)聯(lián)分析法確定了鈦合金盤銑開槽工藝參數(shù)優(yōu)化方案。李體仁等[12]采用正交試驗法研究了切削參數(shù)對高速銑削鈦合金切削力的影響規(guī)律，并基于Pareto遺傳算法對切削參數(shù)進行了優(yōu)化。Tosun等[13]開展了不同冷卻潤滑方式下的鋁合金銑削試驗，基于灰色關(guān)聯(lián)法對表面粗糙度和材料去除率進行了多目標優(yōu)化。Khan等[14]采用響應曲面法對AISI D2鋼MQL銑削溫度和表面粗糙度進行了多目標參數(shù)優(yōu)化并建立了預測模型。在進行工藝參數(shù)優(yōu)化時多目標優(yōu)化能夠綜合考慮各因素對試驗指標的影響，與單目標優(yōu)化相比更加科學合理，能夠滿足實際生產(chǎn)需求?；疑P(guān)聯(lián)分析作為一種多目標優(yōu)化方法可實現(xiàn)多個試驗指標的協(xié)同優(yōu)化，因而得到了廣泛的應用。

本文為研究MQL系統(tǒng)工藝參數(shù)對鈦合金常規(guī)銑削加工性能的影響規(guī)律，以切削力和表面粗糙度為優(yōu)化目標，基于灰色關(guān)聯(lián)和主成分分析法對水基切削液濃度、空氣流量以及切削液用量進行多目標參數(shù)優(yōu)化。

1 試驗及方法

1.1 試驗設備與材料

試驗以TC4 （Ti–6Al–4V）為研究對象，該材料是一種（α+β）兩相鈦合金，試驗樣件尺寸為90mm×90mm×20mm，其化學成分及力學性能見表1和2。

采用某企業(yè)鈦合金銑削加工常用的切削參數(shù)，機夾式銑刀以及硬質(zhì)合金涂層刀片在哈斯立式加工中心上進行槽銑試驗，為保證加工質(zhì)量以及刀具壽命采用順銑的加工方式，銑削示意圖如圖1所示，參數(shù)設置如表3所示。試驗所用微量潤滑裝置為課題組自主研制的MQL系統(tǒng)，可實現(xiàn)切削液用量在0~360mL/h范圍內(nèi)的精確控制，加工現(xiàn)場噴嘴方位的設置以及試驗平臺的搭建如圖2所示。為研究切削液濃度對鈦合金微量潤滑銑削加工的作用效果，將去離子水與水基切削液原液按照不同質(zhì)量比進行混合，配制成不同濃度的水基微量潤滑切削液。

切削力測量系統(tǒng)由Kistler 9257B測力儀、5070A型電荷放大器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，在切削過程中，測力儀系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集Fx、Fy、Fz3向銑削力信號，利用MATLAB軟件對切削過程中連續(xù)穩(wěn)定階段的切削力信號進行濾波分析，輸出Fx、Fy、Fz3向銑削力峰值的平均值，由式（1）可以得到銑削力合力F，每組試驗參數(shù)均進行3次切削試驗，將銑削力合力的平均值作為最終的測試結(jié)果。

表1 TC4化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition of TC4 (mass fraction) %

表2 TC4力學性能Table 2 Mechanical properties of TC4

表面粗糙度Ra通過手持式表面粗糙度儀TR200進行檢測，為避免引入試驗誤差，測量位置選在切削寬度的中間部分，避開切入、切出區(qū)域，在每組試驗參數(shù)下均沿著進給方向等距選取5個點測量，取每組測量結(jié)果的平均值作為試驗數(shù)據(jù)。

1.2 試驗方案

為探究微量潤滑系統(tǒng)工作參數(shù)對鈦合金銑削效果的影響規(guī)律，試驗以切削液濃度、空氣流量、切削液用量為變量，以切削力和表面粗糙度Ra為指標進行三因素四水平的正交試驗L16(43)，根據(jù)前期預試驗結(jié)果以及微量潤滑裝置實際工作性能進行參數(shù)選取，正交試驗參數(shù)與水平設置如表4所示。

2 結(jié)果與討論

為使得試驗安排更加科學合理，按照正交試驗表的統(tǒng)計學要求共進行了16組鈦合金銑削試驗。具體試驗順序與結(jié)果如表5所示，其中A、B、C分別表示切削液濃度、空氣流量和切削液用量，1、2、3、4分別代表不同因素的不同工藝參數(shù)水平。

圖1 銑削示意圖Fig.1 Schematic diagram of milling

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

2.1.1 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

（1）評價指標矩陣。

在灰色關(guān)聯(lián)法中，假設評價系統(tǒng)中有n個評價指標，m個試驗方案，則評價指標矩陣A為：

（2）數(shù)據(jù)無量綱化。

由于試驗中各因素的物理意義不同，數(shù)據(jù)的量綱也不盡相同，為實現(xiàn)對切削力和表面粗糙度的綜合處理，需要進行試驗指標的無量綱化。切削力和表面粗糙度Ra值越小表明切削效果越好，可根據(jù)式（3）對表5中的數(shù)據(jù)進行無量綱處理[13]：其中，xi（k）為無量綱處理后的數(shù)列；ai（k）為原始數(shù)列；i為試驗次數(shù)；k為優(yōu)化目標，即表面粗糙度和切削力；i為試驗次數(shù)，i=1，2，3，…，m。

表3 切削加工參數(shù)Table 3 Machining parameters

圖2 試驗設備及現(xiàn)場設置Fig.2 Experimental equipment and setup of experimental site

（3）灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

計算評價指標矩陣對應元素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ：

其中，x0(k)為參考數(shù)列，表面粗糙度和切削力經(jīng)無量綱處理后的最優(yōu)值均為1，故參考數(shù)列取[1，1]；xi（k）為經(jīng)無量綱化處理后的數(shù)據(jù)，i=1，2，3，…，m；ρ為分辨系數(shù)，0<ρ<1，ρ越小，關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越大，區(qū)分能力越強，通常取ρ為0.5。試驗指標原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表6所示。

表4 正交試驗因素與水平Table 4 Taguchi experiment factors and levels

2.1.2 權(quán)重計算

通過主成分分析法可以確定切削力和表面粗糙度對灰色關(guān)聯(lián)度的影響權(quán)重，具體計算步驟如下[11]：

（1）建立原始數(shù)列Y。

其中，m為試驗次數(shù)；n為試驗指標；y為每個指標所對應的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，本文m=16，n=2。

（2）計算相關(guān)系數(shù)矩陣R。

其中，rij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）表示原變量yi與yj的相關(guān)系數(shù)，rij=rji，計算公式為：

表5 正交試驗結(jié)果Table 5 Taguchi experimental results

（3）計算特征值與特征向量。

根據(jù)特征方程（8）求解出特征值λk及其對應的特征向量μk，k=1，2，…，n，并將特征值按照從大到小的順序排列λ1≥λ2≥…≥λn。

（4）計算主成分貢獻率及累計貢獻率。

貢獻率αi：

前p個主成分的累計貢獻率Np：

當累計貢獻率Np≥85%時，特征值λ1，λ2，…，λp即為第1，第2，…，第p主成分。主成分分析結(jié)果如表7所示，表面粗糙度的貢獻率為77.25%，切削力的貢獻率為22.75%。從上述結(jié)果可知，表面粗糙度對關(guān)聯(lián)度的影響最大，而切削力的影響相對較小，對MQL系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化能夠有效提高鈦合金銑削加工的表面質(zhì)量。

2.1.3 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度是灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)和，灰色關(guān)聯(lián)度越大說明目標響應越好，計算公式如下[10]：

其中，γ（xo*,xi*）代表xi*對xo*的灰色關(guān)聯(lián)度；βk為第k個輸出特性的權(quán)重。各試驗指標的灰色關(guān)聯(lián)度如表6所示，其中第15組試驗的關(guān)聯(lián)度最大，對應的目標響應越好。

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

2.2.1 極差與方差分析

在正交試驗中，常采用極差R來反映各因素的水平變動對試驗結(jié)果的影響大小，極差越大表示該因素的水平變動對結(jié)果的影響越大。利用Minitab軟件對灰色關(guān)聯(lián)度進行極差分析，結(jié)果如表8所示，切削液濃度對關(guān)聯(lián)度的影響最大，其次是空氣流量和切削液用量。誤差在整個試驗中對關(guān)聯(lián)度的影響最小，說明各因素間的交互作用很小，可忽略不計，試驗結(jié)果是由各因素的水平變化而導致的，并非試驗的隨機波動。

灰色關(guān)聯(lián)度越大代表試驗指標的響應越好，根據(jù)這一原則可知，在正交試驗中最大灰色關(guān)聯(lián)度對應的水平即為最優(yōu)參數(shù)。因此，在本試驗條件下鈦合金微量潤滑銑削加工系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)為A4B3C1，即水基切削液濃度70%、空氣流量90L/min、切削液用量15mL/h。

為進一步研究各因素對試驗結(jié)果的影響程度，在正交試驗的基礎上對灰色關(guān)聯(lián)度進行了方差分析，結(jié)果如表9所示。切削液濃度和空氣流量在α=0.05水平下對關(guān)聯(lián)度的影響顯著，其貢獻率分別為51.16%、27.81%，而切削液用量對試驗結(jié)果的影響相對較小，與極差分析所得的結(jié)果相一致。在鈦合金銑削加工中，切削液的冷卻潤滑效果對改善刀具–工件間的摩擦狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用，切削液濃度的改變會對液體的黏度、表面張力以及噴嘴內(nèi)部的流動速率產(chǎn)生影響，進而影響著液體的霧化效果以及刀具表面的油滴覆蓋率，因此，切削液的選取是影響MQL冷卻潤滑效果最重要的因素?？諝饬髁孔鳛殪F化的媒介決定著液滴的尺寸分布和運動速度，影響著刀具–工件、刀具–切屑接觸面間液滴的滲透和吸附效果，此外較大的空氣流量能夠加強對流換熱效果，帶走加工過程中更多的切削熱，有效降低切削溫度。

表6 試驗指標數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 6 Data processing results of experimental indicators

2.2.2 影響規(guī)律分析

利用主效應法分析微量潤滑系統(tǒng)工藝參數(shù)對表面粗糙度、鈦合金銑削力以及關(guān)聯(lián)度的影響規(guī)律，如圖3、4、5所示，X軸表示不同工藝水平，Y軸表示信噪比均值響應，信噪比越大所對應的試驗指標越好。

由圖3（a）可知，表面粗糙度對應的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)隨著切削液濃度的增加而增大。切削液濃度較低時，液滴攜帶的潤滑油成分極少，難以形成油膜附水滴顆粒，而在加工過程中切削區(qū)溫度可達到幾百℃，當液滴接觸到加工區(qū)時會迅速蒸發(fā)，無法形成完整的潤滑油膜。切削液濃度越高液體黏度越大，液滴在刀具和工件表面的吸附性能越強，使得切削界面間潤滑效果增強，工件表面質(zhì)量得到提高。而切削力對應的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)隨著濃度的增加而減小，這是由于低濃度的切削液水含量高，與高濃度切削液相比換熱效果更強，能有效降低切削區(qū)溫度，在一定程度上能夠起到降低切削力的作用，如圖4（a）所示?；疑P(guān)聯(lián)度是各試驗指標所對應關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)和，由圖5（a）綜合分析可知最佳切削液濃度為70%。

長期以來微量潤滑切削機理是基于毛細管滲透理論，切削表面的微通道尺寸在5~10μm，在MQL切削加工過程中直徑較小的液滴能夠有效滲透到切削區(qū)起到良好的冷卻潤滑作用?？諝饬髁孔鳛榍邢饕红F化的媒介，其流量大小不僅會影響液體霧化性能，還將決定霧粒是否具有足夠的動能到達切削加工區(qū)，改善界面間的冷卻潤滑條件。由圖3（b）、圖4（b）可知灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)隨著空氣流量的增加而增大，當空氣流量超過90L/min時增加幅度減緩，甚至會有所減小。一方面是由于空氣流量的增大對切削液的擾動作用增強，使得表面波的振幅逐漸變大，促使液體能夠更好地霧化成小液滴，有利于切削液對界面微通道的充分、快速填充[15]。另一方面，空氣流量的增加可以加快切削區(qū)熱量的交換，能夠在一定程度上起到降低切削區(qū)溫度的作用，提高工件表面質(zhì)量。與此同時，隨著空氣流量的增加單個液滴獲得的動能變大，當液滴撞擊到刀具表面的速度過大時會產(chǎn)生液滴回彈現(xiàn)象[16]，不利于形成穩(wěn)定的潤滑油膜，因此，當空氣流量增加到一定程度以后，其冷卻潤滑作用將有所減小。由圖5（b）綜合分析空氣流量對表面粗糙度和切削力的影響規(guī)律可知，灰色關(guān)聯(lián)度隨著空氣流量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在本試驗條件下，90L/min為最佳空氣流量值。

表7 主成分特征值及貢獻率Table 7 Principal component characteristic value and contribution rate

表8 灰色關(guān)聯(lián)度均值響應Table 8 Mean response of grey relation grade

表9 灰色關(guān)聯(lián)度方差分析結(jié)果Table 9 Analysis of variance of grey relational grade

與切削液濃度和空氣流量相比，切削液用量對試驗結(jié)果的影響非常小，灰色關(guān)聯(lián)度整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，如圖5（c）所示。從霧化的角度來說，微量潤滑切削加工中切削液的使用量極小，液體流量小范圍的改變對液滴直徑和尺寸分布的影響較小，因此，僅改變切削液用量對試驗結(jié)果的影響不大。此外，當切削液用量處于一定范圍內(nèi)時，刀具表面的油膜邊界比較穩(wěn)定，切削液用量的增加并不一定會提高MQL的冷卻潤滑性能[17]。在一定程度上，當空氣流量保持恒定，較低的切削液用量可以使液體霧化得相對充分，液滴獲得的動能增大，有利于霧粒在切削界面間的滲透吸附。

圖3 表面粗糙度灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)信噪比均值響應圖Fig.3 Signal-to-noise ratio mean response of gray relation coefficient of surface roughness

圖4 切削力灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)信噪比均值響應圖Fig.4 Signal-to-noise ratio mean response of gray relation coefficient of cutting force

圖5 灰色關(guān)聯(lián)度信噪比均值響應圖Fig.5 Signal-to-noise ratio mean response of gray relation grade

2.3 試驗驗證

根據(jù)試驗結(jié)果確定的最佳系統(tǒng)工藝參數(shù)組合為：切削液濃度70%、空氣流量90L/min、切削液用量15mL/h，開展最優(yōu)工藝參數(shù)驗證試驗，將正交試驗中的最大關(guān)聯(lián)度組合第15組參數(shù)作為對照組。經(jīng)驗證，在最佳工藝參數(shù)組合下，鈦合金微量潤滑銑削加工的表面粗糙度Ra為0.26μm，切削力為335.15N，灰色關(guān)聯(lián)度為0.8908，與對照組相比表面粗糙度降低了10%。

3 結(jié)論

（1）針對鈦合金銑削微量潤滑系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化問題，在正交試驗的基礎上，采用灰色關(guān)聯(lián)與主成分分析法相結(jié)合的方式可實現(xiàn)對多個試驗指標的協(xié)同優(yōu)化，為實際生產(chǎn)中微量潤滑系統(tǒng)工藝參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)和優(yōu)化方法。

（2）采用主成分分析法確定了在鈦合金微量潤滑銑削加工中表面粗糙度Ra和切削力對灰色關(guān)聯(lián)度的影響權(quán)重分別為77.25%、22.75%，通過對MQL系統(tǒng)進行工藝參數(shù)優(yōu)化可有效提高鈦合金銑削加工的表面質(zhì)量。

（3）在本試驗選定的刀具和銑削參數(shù)條件下，切削液濃度對試驗結(jié)果的影響最大，其次是空氣流量，而切削液用量的影響相對較小，根據(jù)實際工況合理選擇切削液類型是有效提高鈦合金微量潤滑銑削加工質(zhì)量的前提。

（4）在本試驗條件下，鈦合金微量潤滑銑削加工的最佳系統(tǒng)工藝參數(shù)組合為切削液濃度70%、空氣流量90L/min、切削液用量15mL/h，經(jīng)驗證，該條件下表面粗糙度Ra為0.26μm、切削力為335.15N，灰色關(guān)聯(lián)度為0.8908。