方群兵，馬耀，汪振華，王躍，劉炳義

南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

隨著航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，對發(fā)動機(jī)材料要求不斷提高，需達(dá)到“更輕、更剛、更強(qiáng)和更耐熱”的特性[1]。目前很多航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的材料是鎳基高溫合金，如果用TiAl合金代替，可以使渦輪發(fā)動機(jī)的重量降低20%～30%[2]。除此之外，TiAl合金還具有耐高溫、抗蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn)，是下一代航空航天發(fā)動機(jī)葉片的首選材料之一[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對TiAl合金的銑削加工進(jìn)行了許多研究。Mantle A.L.等[4]發(fā)現(xiàn)，在高速銑削條件下，TiAl合金加工后的表面缺陷主要為表層材料被拔出，刀具后刀面磨損量和切削速度對表面殘余應(yīng)力影響很大。Hood R.等[5]研究發(fā)現(xiàn)，銑削TiAl合金槽時(shí)易產(chǎn)生邊緣斷裂和層片彎曲等缺陷。SaSaki T.等[6]通過觀察TiAl合金已加工表面材料拔出現(xiàn)象和微觀裂紋，認(rèn)為其原因是TiAl合金表層的層片結(jié)構(gòu)發(fā)生了層間撕裂。周麗等[7]運(yùn)用有限元軟件分析發(fā)現(xiàn)，在TiAl合金加工過程中裂紋或凹坑更容易出現(xiàn)在片層與片層之間，表面粗糙度隨切削深度的增加而增大，切削速度對其影響較小。S. Kolahdouz等[8]分析發(fā)現(xiàn)，低速切削加工TiAl合金時(shí)微量潤滑效果較好，高速時(shí)干切削效果較好。Yao C.等[9]使用不同圓角半徑的刀具銑削TiAl合金，發(fā)現(xiàn)采用圓角半徑小的刀具加工后，工件表面形貌較好。劉耀文等[10]發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)兩兩之間的交互作用對γ-TiAl合金的表面粗糙度影響不顯著。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對鈦鋁合金切削加工進(jìn)行了廣泛研究，但是對鈦鋁合金薄壁件切削加工的研究相對較少，張國軍[11]采用砂帶磨削TiAl合金薄壁件，發(fā)現(xiàn)粗糙度隨砂帶線速度的增加呈先增大后減小的趨勢，與工件進(jìn)給速度成正比。Paolo Claudio Priarone等[12]銑削加工鈦鋁合金薄壁件時(shí)發(fā)現(xiàn)，切削參數(shù)和潤滑條件與刀具磨損和粗糙度之間存在相關(guān)性，潤滑條件嚴(yán)重影響刀具磨損，微量潤滑被證明是延長刀具壽命的方法。

當(dāng)前TiAl合金主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)葉片，而葉片是典型的薄壁結(jié)構(gòu)件，薄壁件剛性很差，難以保證加工質(zhì)量。因此，本文通過采用球頭銑刀銑削加工TiAl合金薄壁件，分析切削參數(shù)對銑削TiAl合金薄壁件的切削力和粗糙度的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料與刀具

試樣材料為Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金，尺寸為80mm×20mm×3mm，試驗(yàn)機(jī)床為KVC1050N立式加工中心，刀具為φ6mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀，牌號為GM-2B-R3.0，刀齒數(shù)N=2，螺旋角β=35°，銑削方式為逆銑。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

使用日本基恩士公司生產(chǎn)的VK-XX100 Series激光顯微鏡測量粗糙度，在每個(gè)工件的已加工表面選取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)多次測量，取平均值作為該工件粗糙度的測量值。使用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的測力系統(tǒng)測量切削力，測力儀實(shí)際采集到的信號是周期性振蕩信號，而與加工相關(guān)的數(shù)據(jù)為信號的峰值，取平穩(wěn)狀態(tài)下周期性信號的峰值作包絡(luò)線，分別以各均值作為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個(gè)切削分力的數(shù)值，并求出切削力合力為

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2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

圖1為切削加工現(xiàn)場，工件懸臂長為40mm，加工區(qū)域長為10mm。為了研究主軸轉(zhuǎn)速n、軸向切深ap、每齒進(jìn)給量fz以及行距p對銑削加工TiAl合金薄壁件的切削力與表面粗糙度的影響，進(jìn)行四因素四水平的正交試驗(yàn)，表1為正交試驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，切削力FN的變化范圍為35.565～84.177N，輪廓算術(shù)平均偏差Ra的變化范圍為0.203～0.969μm，區(qū)域形貌算術(shù)平均偏差Sa的變化范圍為0.276～1.127μm。

表1 L16(45)正交試驗(yàn)結(jié)果

圖1 切削加工現(xiàn)場

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 切削力試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為切削力方差分析。可知，切削力重要影響因素的顯著性由大到小依次為軸向切深和每齒進(jìn)給量，而主軸轉(zhuǎn)速和行距對切削力的影響不顯著。

表2 切削力方差分析

圖2為切削力的主效應(yīng)圖?？芍?，切削力隨軸向切深和每齒進(jìn)給量的增大而增大。因?yàn)殡S著軸向切深和每齒進(jìn)給量的增加，刀具單位時(shí)間內(nèi)切除的材料增多，克服材料變形的阻力增大，從而導(dǎo)致切削力增大。切削力最小時(shí)的切削參數(shù)組合為n=6000r/min，ap=0.25mm，fz=0.01mm/z，p=0.05mm。

圖2 切削力FN的主效應(yīng)變化曲線

3.2 Ra試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為加工工件時(shí)產(chǎn)生的輪廓算術(shù)平均偏差Ra的方差分析。可知，Ra的重要影響因素的顯著性由大到小依次為行距和每齒進(jìn)給量，而主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深對Ra的影響不顯著。

表3 Ra方差分析

圖3為Ra的主效應(yīng)圖?？芍?，Ra隨著主軸轉(zhuǎn)速的增長呈現(xiàn)先增大后減小又繼續(xù)增大的趨勢。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較低時(shí)，材料的表面硬化效應(yīng)占主導(dǎo)地位，轉(zhuǎn)速增加使材料的表面更容易出現(xiàn)拔出現(xiàn)象與裂紋，導(dǎo)致粗糙度增大；隨著轉(zhuǎn)速的提高，切削溫度升高，導(dǎo)致切屑根部軟化，更易被切除，使工件表面粗糙度減??；隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加，刀具磨損對加工表面質(zhì)量的影響越來越大，使表面粗糙度增加。

圖3 Ra的主效應(yīng)變化曲線

圖4為行距方向的加工表面示意圖。當(dāng)行距小于刀具切削點(diǎn)直徑時(shí)，Ra隨著行距增大而增大。因?yàn)樵诘毒呒庸r(shí)，加工痕跡兩兩之間會形成殘留高峰，行距越小，殘留高峰高度越小，粗糙度也就越小。Ra最小時(shí)的切削參數(shù)組合為n=3000r/min，ap=0.25mm，fz=0.01mm/z，p=0.05mm。

圖4 行距方向的加工表面

3.3 Sa實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表4為加工工件時(shí)產(chǎn)生的區(qū)域形貌算術(shù)平均偏差Sa的方差分析。可知Sa的重要影響因素顯著性由大到小依次為行距和每齒進(jìn)給量，而主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深對Sa的影響不顯著。

表4 Sa方差分析

圖5為區(qū)域形貌算術(shù)平均偏差Sa的主效應(yīng)圖。當(dāng)軸向切深從0.25mm增加至0.5mm再增加到0.75mm時(shí)，Sa逐漸增大，從0.61μm增加至0.654μm再到0.735μm；當(dāng)軸向切深從0.75mm增加至1.0mm時(shí)，Sa只增加了0.008μm，增量較少，Sa呈平穩(wěn)變化趨勢。因?yàn)閯傞_始時(shí)，切深的增加使切削力增大，材料表面變形加大，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量變差。隨著切深進(jìn)一步增加，溫升使切屑根部軟化，更易去除，粗糙度逐漸平穩(wěn)。隨著每齒進(jìn)給量增大，表面粗糙度先減小后增大，整體呈上升趨勢。Sa最小時(shí)的切削參數(shù)組合為n=3000r/min，ap=0.25mm，fz=0.01mm/z，p=0.05mm。

圖5 Sa的主效應(yīng)變化曲線

4 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑴c檢驗(yàn)

根據(jù)表1的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立切削力和表面粗糙度的指數(shù)模型。使用Matlab軟件進(jìn)行擬合，得到切削力和表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式為

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FN，Ra，Sa的F值分別為25.12、7.7503以及7.7701，均大于F0.01(4，11)=5.67，所以三個(gè)方程的擬合度很高。表5為模型預(yù)測值和實(shí)測值對比?？梢钥闯?，切削力與表面粗糙度預(yù)測值和實(shí)測值相比最大誤差為11.297%，總體而言誤差比較小，表明該模型精度較好。另外表中的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處于正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的范圍外，可以認(rèn)為在切削加工TiAl合金薄壁件時(shí)，對范圍外的切削參數(shù)，該模型也能預(yù)測切削力與表面粗糙度。

表5 回歸方程實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)表

5 結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)研究切削參數(shù)對TiAl合金薄壁件切削力及表面粗糙度的影響，主要結(jié)論如下。

(1)影響切削力的重要因素由大到小依次為軸向切深、每齒進(jìn)給量，而主軸轉(zhuǎn)速和行距影響不顯著；影響Ra和Sa的重要因素由大到小依次為行距和每齒進(jìn)給量，而主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深影響不顯著。

(2)隨著軸向切深和每齒進(jìn)給量的增大，切削力逐漸增大，Ra和Sa隨主軸轉(zhuǎn)速的增長呈先增大后減小再繼續(xù)增大的趨勢，隨行距的增大而增大，隨軸向切深的增加呈先增大后平穩(wěn)的趨勢，隨每齒進(jìn)給量先減小后增大，但整體呈上升趨勢。

(3) 在本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)內(nèi)，在n=6000r/min，ap=0.25mm，fz=0.01mm/z，p=0.05mm時(shí)切削力最小。Ra和Sa最小時(shí)，切削參數(shù)組合為n=3000r/min，ap=0.25mm，fz=0.01mm/z，p=0.05mm。

(4)建立了切削力和表面粗糙度的指數(shù)預(yù)測模型，通過F檢驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，該模型可以有效地預(yù)測切削力和表面粗糙度。