蓋立武，吳查穆，張克棟

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2. 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

Inconel 718鎳基合金因具有工作溫度高、抗氧化性和抗熱腐蝕性好等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，是制造航空航天渦輪發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、工作葉片、導(dǎo)向熱片和燃燒室等重要零部件的材料[1-6]。但從切削性能來看，Inconel 718鎳基合金的切削性能較差，是典型的難切削材料，在切削加工中存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、排屑困難等特點，零件的表面質(zhì)量較難保證[7-9]。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對鎳基合金材料的表面質(zhì)量要求越來越高，研究如何改善Inconel 718鎳基合金零件的表面質(zhì)量是一個重要的課題[10-12]。

本文采用正交試驗和極差分析法研究了高速銑削鎳基合金時切削速度V、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae等4個銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，運用多元線性回歸分析的方法建立了表面粗糙度的預(yù)測模型，并通過殘差圖和實際切削對預(yù)測模型進(jìn)行了雙重檢驗，為實際生產(chǎn)中高速、高效加工Inconel 718鎳基合金提供依據(jù)。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

Inconel 718鎳基合金材料試樣的尺寸規(guī)格為80 mm×80 mm×60 mm。其化學(xué)成分和機(jī)械加工性能如表1和表2所示。

表1 Inconel 718主要化學(xué)成分

表2 Inconel 718的機(jī)械加工性能

1.2 試驗設(shè)備

試驗在HassVF-3立式鏜銑加工中心上進(jìn)行，該機(jī)床是美國哈斯自動化公司生產(chǎn)的高精度立式鏜銑加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，定位精度為0.005 mm,X、Y、Z行程為1016×508×635,主電動機(jī)功率為22.4 kW。試驗刀具采用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的Tialn涂層硬質(zhì)合金銑刀，刀具為整體立銑刀，刀齒為4齒，直徑為12 mm，螺旋角為30°，刃長為30 mm，刀齒為尖角保護(hù)性。試驗結(jié)果的測量采用北京時代之峰科技有限公司生產(chǎn)的的手持式TR110袖珍式粗糙度儀，行程長度6 mm，取樣長度2.5 mm，測量范圍(μm)Ra0.05～Ra10.0,示值誤差±15%,示值變動性<12%。

2 試驗方案

試驗過程中采用順銑、干式切削，研究并分析銑削參數(shù)對Inconel 718鎳基合金已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。選取切削速度V、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae這4個銑削參數(shù)建立因素水平表如表3所示，表3的值由實際加工經(jīng)驗和試驗刀具的切削性能估算。從表3可以看出各銑削用量的取值范圍涵蓋了粗加工、半精加工、精加工，可以比較全面的研究銑削鎳基合金材料時表面粗糙度隨著銑削參數(shù)改變的變化規(guī)律。試驗方案采用正交試驗設(shè)計。正交試驗表L16(44)和實驗結(jié)果(每組試驗測量3次，取平均值)，如表4所示。

表3 試驗因素和水平

表4 正交試驗方案和試驗結(jié)果

3 銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響

根據(jù)表4求出各因素對應(yīng)的極差值，結(jié)果見表5所示。

表5 表面粗糙度極差表

從表5可以看出，表面粗糙度受銑削參數(shù)的影響程度的大小依次是fz、ap、ae、V。僅考慮減小工件已加工表面粗糙度，較優(yōu)的參數(shù)組為：V=140 m/min,fz=0.015 mm/z,ap=0.25 mm,ae=1 mm。為了更直觀顯示表面粗糙度受銑削參數(shù)的變化程度，做出相應(yīng)的指標(biāo)因素影響圖，如圖1～圖4所示。

從圖1中可以看出，隨著銑削速度的增加，表面粗糙度先快速的下降，接著呈遞增趨勢。銑削速度在140 m/min時，表面粗糙度達(dá)到最小，這是因為隨著銑削速度的提高，銑削溫度也隨之提高，溫度高會使材料發(fā)生軟化，使得銑削加工變得容易，刀具磨損變小，更容易獲得光滑的加工表面。但切削溫度增大到一定程度，會使刀刃變軟，刀具硬度降低，反而會加快刀具的磨損，刀具磨損后刃口變得凸凹不平，使得表面粗糙度變差。因此在切削Inconel 718鎳基合金材料時，適當(dāng)提高切削速度會獲得較好的表面質(zhì)量，但切削速度的提高要控制在一定的范圍內(nèi)。

圖1 切削速度對表面粗糙度的影響趨勢圖

從圖2可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度值也是隨著遞增的，因為隨著每齒進(jìn)給量的增加，刀具每齒之間的切削距離也隨著增加，使得切削輪廓間距變大，進(jìn)而使得表面粗糙度增大，因此在切削Inconel 718鎳基合金材料時，為了獲得較好的表面粗糙度應(yīng)適當(dāng)減小每齒進(jìn)給量。圖中折線的陡峭度也顯示每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響較大。

圖2 每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響趨勢圖

從圖3可以看出,隨著切削深度的增加，表面粗糙度先是逐漸下降一段，接著極劇上升，最后上升速度又變慢。這是因為Inconel 718鎳基合金材料硬度較高，當(dāng)切削深度過小時，刀刃與已加工表面間的震動較大，使得表面粗糙度變差，隨著切削深度的增加，切削變得平穩(wěn)，表面粗糙度隨之下降，當(dāng)切削深度繼續(xù)增加時，切削力增加迅速，使得刀刃容易發(fā)生崩刃，刀具磨損迅速，表面粗糙度也跟著急劇上升。當(dāng)切削深度再繼續(xù)增加時，由于磨損后的刀刃對已加工表面起到一定的修光作用，使得表面粗糙度增速變慢。

圖3 切削深度對表面粗糙度的影響趨勢圖

從圖4可以看出,在切削寬度小于3 mm時，它的表面粗糙度值的變化幅度不大，變化趨勢較平緩，當(dāng)切削寬度大于3 mm時它的粗糙度值呈明顯上升趨勢。這是因為當(dāng)切削寬度較小時，切削力和切削溫度的增加不是很明顯，對表面粗糙度的影響較小。當(dāng)切削寬度增加到一定范圍后，使得主切削刃與切屑的接觸面積變大，主切削刃處的散熱條件變差，在切削溫度的影響下，刀具的耐用度下降很快，切削刃發(fā)生劇烈磨損，致使表面粗糙度迅速增加。

圖4 切削寬度對表面粗糙度的影響趨勢圖

4 多元線性回歸分析

4.1 預(yù)測模型的建立

建立表面粗糙度預(yù)測模型，可對工件加工前的表面粗糙度進(jìn)行有效預(yù)測，對銑削用量參數(shù)的設(shè)定和刀具耐用度的估算都有著重要的幫助作用。由于工件的表面粗糙度與切削速度V、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度ae存在指數(shù)關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗公式建立如式(1)的表面粗糙度預(yù)測模型。

Ra=CVb1fzb2apb3aeb4

(1)

其中,C是加工材料、銑削條件的系數(shù)，b1,b2,b3,b4分別為指數(shù)。

式(1)兩邊分別取對數(shù)得到：

lgRa=lgC+b1lgV+b2lgfz+b3lgap+b4lgae

(2)

將切削參數(shù)及試驗測得的結(jié)果代入式(2)中，采用最小二乘估計，得到的參數(shù)估計值為：

C=17.100;b1=-0.106 2;b2=0.829 5;
b3=0.540 4;b4=0.216 2

從而得到切削速度V，進(jìn)給量fz，切削深度ap，切削寬度ae之間的線性回歸模型見式(3)：

Ra=17.100V-0.106 2fz0.829 5ap0.540 4ae0.216 2

(3)

4.2 預(yù)測模型顯著性檢驗

預(yù)測模型是基于假設(shè)及試驗數(shù)據(jù)對位置參數(shù)的估計，因此為了檢驗預(yù)測模型的可靠性需要對(3)式進(jìn)行顯著性檢驗，這里使用MATLAB軟件生成的殘差圖進(jìn)行假設(shè)檢驗。

使用MATLAB軟件進(jìn)行最小二乘法運算，得到回歸系數(shù)并進(jìn)行多元線性回歸分析時，得出檢驗參數(shù)和系數(shù)(r2、F、P)。r2為多元線性回歸的相關(guān)系數(shù)，且要|r2|≤1，當(dāng)r2越接近于1時，說明擬合程度越好。F為統(tǒng)計量，F(xiàn)檢驗的值越大回歸方程越顯著。P為誤差方差估計值。

如圖5的殘差杠桿圖。當(dāng)可信度95%，且R2=0.750 6，F(xiàn)統(tǒng)計量=8.278 4>0，p=0.023 5<0．05，說明回歸方程中每個自變量選取較好，擬合效果良好，回歸方程顯著，所建立的預(yù)測模型能夠很好地模擬實際加工情況。

圖5 表面粗糙度預(yù)測模型殘差圖

5 預(yù)測模型切削驗證

在采用殘差圖檢驗的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步檢驗預(yù)測模型的預(yù)測精度，在機(jī)床、刀具、測量儀器不變的情況下，隨機(jī)選取10組不同的切削參數(shù)對試件進(jìn)行銑削加工，加工后的測量值與預(yù)測值的誤差比如表6所示。

表6 切削驗證數(shù)據(jù)表

從表6可以看出預(yù)測誤差范圍在2.1%～7.5%之間，經(jīng)計算綜合預(yù)測誤差為5.1%，證明建立的Inconel 718鎳基合金加工表面粗糙度預(yù)測模型具有較高的預(yù)測精度，可以用來預(yù)測銑削鎳基合金Inconel 718的加工表面粗糙度，以及表面粗糙度隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律。

6 結(jié)論

利用Tialn涂層銑刀對Inconel 718鎳基合金材料進(jìn)行切削試驗，研究切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，通過理論總結(jié)和試驗結(jié)果分析得到如下結(jié)論：

(1)通過正交試驗和極差分析法得出表面粗糙度受銑削參數(shù)的影響程度的大小依次為：fz、ap、ae、V，僅考慮減小工件已加工表面粗糙度，得出較優(yōu)參數(shù)組為：V=140 m/mm,fz=0.015 mm/z,ap=0.25 mm,ae=1 mm。

(2)根據(jù)經(jīng)驗公式建立了表面粗糙度預(yù)測模型，經(jīng)過殘差杠桿圖的驗證，證實該模型具有較高的顯著性。

(3)通過隨機(jī)選取10組不同的銑削參數(shù)對表面粗糙度預(yù)測模型進(jìn)行加工驗證，計算出綜合預(yù)測誤差大約為5.1%，證實了建立的Inconel 718鎳基合金加工表面粗糙度預(yù)測模型具有較高的預(yù)測精度，可以用來預(yù)測銑削Inconel 718鎳基合金的加工表面粗糙度，以及表面粗糙度隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律。