路坦，楊光，孫鳳，張爽

1沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心；2沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；3沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院

1 引言

隨著電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展，Al-Mg合金、Al-Cu合金等眾多鋁合金絲材被用作電弧增材材料。在眾多電弧增材鋁合金絲料中，Al-Mg合金由于良好的耐蝕性和可焊接性被大量應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。然而，經(jīng)過(guò)電弧增材制造的工件在成形精度和表面質(zhì)量等方面存在局限。為解決該問(wèn)題，一般都是增材制造后利用減材技術(shù)，使工件達(dá)到公差及表面質(zhì)量要求[2]。

目前，對(duì)于增減材復(fù)合制造技術(shù)，其加工工藝、理論以及方法等研究相對(duì)缺乏。因此優(yōu)化切削工藝參數(shù)組合，使電弧增材件經(jīng)銑削加工后達(dá)到最佳表面質(zhì)量亟待研究[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于切削工藝參數(shù)的優(yōu)化主要有兩種方法。一種是根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，利用算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，蔡旭林等[4]提出了基于云滴的粒子群切削工藝優(yōu)化算法，該算法在滿(mǎn)足機(jī)床性能、刀具壽命和加工要求的條件下得到工件的最佳加工參數(shù)；李?lèi)?ài)平等[5]利用優(yōu)化二分迭代算法優(yōu)化了切削加工的三要素，不僅可以提高工件表面質(zhì)量，而且還降低了工藝成本；李堯等[6]利用基因算法優(yōu)化了切削工藝參數(shù)，上述切削參數(shù)的優(yōu)化方法雖然可以進(jìn)行優(yōu)化求解，但是往往只考慮局部最優(yōu)參數(shù)。另一種常用方法是根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。Matienga P.T.等[7]在總結(jié)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在切削時(shí)直接查找優(yōu)化的工藝參數(shù)；Mvelchv S.等[8]利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)切削工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；Kant G.等[9]根據(jù)材料成分優(yōu)化工藝參數(shù)。這類(lèi)方法雖然分析較為精準(zhǔn)，但往往需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，且并未充分考慮各參數(shù)交互作用的影響。

本文對(duì)電弧增材鋁合金5B06銑削工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)得出該材料切削特性，根據(jù)切削特性利用曲面響應(yīng)法，以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度為優(yōu)化變量，以表面粗糙度最低為目標(biāo)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法得到高精度的回歸模型，在分析工藝參數(shù)顯著性以及交互影響基礎(chǔ)上得出切削電弧增材5B06鋁合金的最優(yōu)參數(shù)組合，有針對(duì)性地解決了增減材工藝轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)問(wèn)題，對(duì)增減材復(fù)合制造技術(shù)的發(fā)展提供了幫助。

2 試件制取及切削特性分析

2.1 電弧增材制造5B06鋁合金

電弧增材制造試驗(yàn)條件包括KUKAKR30HA機(jī)器人、Fronius CMT4000電源以及與電源配合并能根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行回抽操作的VR1550送絲機(jī)。電弧參數(shù)如表1所示，利用電弧增材制造技術(shù)將直徑1.6mm的5B06鋁合金焊絲制造出成形尺寸為200mm×25mm×80mm的5B06鋁合金，形貌見(jiàn)圖1。電弧增材工藝參數(shù)見(jiàn)表1，所用焊絲成分見(jiàn)表2，所用基板牌號(hào)為1060，狀態(tài)H112的純鋁板材，試驗(yàn)時(shí)以純度為99.99%氬氣作為保護(hù)氣。

圖1 電弧增材5B06鋁合金形貌

表1 電弧增材工藝參數(shù)

表2 5B06鋁合金焊絲成分 (%)

2.2 5B06鋁合金切削特性分析

利用線(xiàn)切割機(jī)床設(shè)備從電弧增材5B06鋁合金塊中切割出用于切削特性分析和銑削參數(shù)研究分析的試件，切削特性分析試件見(jiàn)圖2，取樣位置見(jiàn)圖3。硬度、拉伸強(qiáng)度及沖擊韌性試驗(yàn)方法和制樣符合國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 切削特性試驗(yàn)試件

圖3 切削特性試件取件

2.2.1 室溫硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)設(shè)備為HM200顯微維氏硬度試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)試件正面與側(cè)面進(jìn)行5次硬度測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)5B06鋁合金試件正面平均硬度為80HV，側(cè)面平均硬度為82HV，平均硬度值為81HV。

2.2.2 室溫拉伸性能試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)設(shè)備為SHT5305伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)橫向和縱向拉伸試件進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，5B06鋁合金試件經(jīng)縱向平均拉伸強(qiáng)度為312MPa，拉伸率為14%；橫向拉伸強(qiáng)度為271MPa，拉伸率為8.33%，平均拉伸強(qiáng)度為291.5MPa，平均拉伸率11.17%。

2.2.3 室溫沖擊韌性試驗(yàn)

沖擊韌性試驗(yàn)設(shè)備為JBH-300示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)橫向和縱向沖擊韌性試件進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，5B06鋁合金試件的縱向沖擊韌性為233.68J/m2，橫向沖擊韌性為224.67J/m2，平均沖擊韌性229.18J/m2。根據(jù)試驗(yàn)，電弧增材5B06鋁合金工件的加工性分級(jí)見(jiàn)表3，可見(jiàn)該材料屬于易切削材料，具有優(yōu)良切削性能。

表3 5B06鋁合金工件的加工性分級(jí)

分析材料切削特性以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)選用直徑8mm硬質(zhì)合金銑刀切削該材料時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速s的選擇范圍為1000～4000r/min，切削深度ap的選擇范圍為1～2mm，進(jìn)給速度f(wàn)的選擇范圍為100～300mm/min，切削寬度ae為刀具直徑的30%[10]。

3 基于中心組合設(shè)計(jì)的響應(yīng)面銑削試驗(yàn)

3.1 搭建試驗(yàn)平臺(tái)

利用線(xiàn)切割機(jī)床設(shè)備從電弧增材制造5B06鋁合金中切割出18塊60mm×25mm×5mm試樣用于參數(shù)研究試驗(yàn)(15塊用于試驗(yàn)分析研究，3塊用于試驗(yàn)驗(yàn)證)，通過(guò)專(zhuān)用工裝將試件固定在工作臺(tái)，刀具以設(shè)計(jì)的銑削形式和參數(shù)進(jìn)行銑削加工。銑削工藝參數(shù)研究試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖4。試驗(yàn)設(shè)備及刀具包括BM850T立式加工中心、φ8mm硬質(zhì)合金四刃銑刀和2206B表面粗糙度測(cè)試儀。

圖4 銑削工藝參數(shù)研究試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)響應(yīng)曲面法，以試件銑削后表面粗糙度為響應(yīng)值，主軸轉(zhuǎn)速s，進(jìn)給速度f(wàn)，切削深度ap為自變量(設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為x1，進(jìn)給速度為x2，切削深度為x3)。采用響應(yīng)面分析軟件Design Expert對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，首先對(duì)3個(gè)變量進(jìn)行編碼，水平編碼見(jiàn)表4。

表4 變量水平編碼

利用Design Expert軟件的Box-Behnken中心組合原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。方案選取1個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)和3個(gè)中心點(diǎn)，共15組試件[11]。在不同參數(shù)條件下，銑削后的電弧增材制造5B06鋁合金試件見(jiàn)圖5。利用粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量銑削后的表面粗糙度，測(cè)量方法按照GB/T 3505—1983標(biāo)準(zhǔn)，選擇取樣長(zhǎng)度為0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度為5倍取樣長(zhǎng)度，測(cè)量速度0.5mm/s，每個(gè)試件表面取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)并計(jì)算均值。表5為具體工藝參數(shù)組合及測(cè)量結(jié)果。

圖5 銑削后的試驗(yàn)試件

表5 工藝參數(shù)組合及試驗(yàn)結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

由于自變量對(duì)試件表面粗糙度的影響程度不盡相同，需要分析單因素和交互作用對(duì)表面粗糙度的影響，進(jìn)而篩選出最優(yōu)參數(shù)組合[12]，使得銑削電弧增材制造5B06鋁合金時(shí)表面粗糙度值控制在最佳范圍內(nèi)。

4.1 回歸方程建立與單變量顯著性分析

根據(jù)表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用逐步回歸分析方法，在建立響應(yīng)面回歸方程的基礎(chǔ)上分析單變量對(duì)表面粗糙度的影響[13]。表6為回歸模型方差分析表。

表6 回歸模型方差分析

由方差分析表建立表面粗糙度Ra的二次多項(xiàng)式回歸方程為

(1)

根據(jù)方差分析表中回歸模型P<0.05、回歸模型的失擬度P>0.05可以得出，本次試驗(yàn)建立的二次回歸模型顯著，失擬度不顯著，表明該模型能夠滿(mǎn)足較好地分析及預(yù)測(cè)響應(yīng)值與各因素之間的要求。此外，決定系數(shù)R2=0.96，也表明該方程擬合較好。根據(jù)圖6回歸模型正態(tài)分布可知，分布圖呈明顯的直線(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，表明該試驗(yàn)建立的二次回歸模型合適，所以基于該模型的方差分析具有可信度，回歸方程也具備有效性。

圖6 殘差/標(biāo)準(zhǔn)差正態(tài)分布

對(duì)單變量顯著性進(jìn)行分析，將回歸方程中其他兩個(gè)變量置零，得到單變量回歸方程，通過(guò)對(duì)每個(gè)方程的效應(yīng)分析及邊際效應(yīng)分析來(lái)判斷各變量對(duì)響應(yīng)值的影響[14]。

回歸方程曲線(xiàn)如圖7所示。分別得到主軸轉(zhuǎn)速s、進(jìn)給速度f(wàn)和切削深度ap的回歸方程，其關(guān)系式為

(2)

將上式各變量回歸方程分別進(jìn)行求導(dǎo)后，得到各變量邊際方程為

(3)

圖7 回歸方程曲線(xiàn)

4.2 多變量響應(yīng)曲面交互分析

利用曲面響應(yīng)分析法對(duì)不同切削參數(shù)下的表面粗糙度進(jìn)行交互分析，得出不同參數(shù)交互作用對(duì)表面粗糙度的影響。

圖8表示切削深度ap在1mm，1.5mm，2mm三個(gè)水平下進(jìn)給速度f(wàn)和主軸轉(zhuǎn)速s與工件表面粗糙度的響應(yīng)關(guān)系?？芍?，切削深度ap=1.5～1.75mm時(shí)，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加顯著下降，在主軸轉(zhuǎn)速s>3400r/min時(shí)，表面粗糙度小于3μm。說(shuō)明將主軸轉(zhuǎn)速s增加至3400r/min時(shí)，進(jìn)給速度f(wàn)與切削深度ap對(duì)表面粗糙度的影響并不明顯，5B06鋁合金表面粗糙度可以控制在較好的范圍內(nèi)。

(a)ap=1mm

圖9表示進(jìn)給速度f(wàn)在100mm/min，200mm/min，300mm/min三個(gè)水平下切削深度ap和主軸轉(zhuǎn)速s與工件表面粗糙度的響應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯?，隨著進(jìn)給速度的增加，試件表面粗糙度值變化不大，說(shuō)明進(jìn)給速度對(duì)于試件表面粗糙度的影響并不顯著。特別是當(dāng)進(jìn)給速度f(wàn)=100mm/min時(shí)，表面粗糙度的變化幅度最小，隨著主軸轉(zhuǎn)速與切削深度的變化，表面粗糙度變化更加不明顯，說(shuō)明進(jìn)給速度在較小水平時(shí)，切削深度與主軸轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)表面粗糙度的影響較為不顯著，銑削5B06鋁合金工件時(shí)，工件的表面粗糙度可以容易地控制在較低范圍內(nèi)。當(dāng)切削電弧增材5B06鋁合金工件時(shí)，進(jìn)給速度控制在較小范圍內(nèi)才能保證工件能夠獲得穩(wěn)定且較高的加工表面質(zhì)量。

(a)f=100mm/min

圖10表示主軸轉(zhuǎn)速s在1000r/min，2500r/min，4000r/min三個(gè)水平下切削深度ap和進(jìn)給速度f(wàn)與工件表面粗糙度的響應(yīng)關(guān)系。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速s=1000r/min時(shí)，隨著切削深度的增加，5B06鋁合金試件的表面粗糙度值變大并且變化幅度較大；隨著進(jìn)給速度的增加，表面粗糙度變大，曲面變化幅度同樣較大，這說(shuō)明當(dāng)銑削5B06鋁合金工件時(shí)，在較低的主軸轉(zhuǎn)速工藝參數(shù)下工件表面粗糙度受進(jìn)給速度與切削深度的影響非常明顯。對(duì)于銑削5B06鋁合金，想要獲得較低的表面粗糙度值，應(yīng)避免低轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度與切削深度的銑削方式。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速s=4000r/min時(shí)，表面粗糙度的變化幅度非常小，基本不受進(jìn)給速度與切削深度的影響，說(shuō)明高轉(zhuǎn)速可以減小5B06鋁合金工件的表面粗糙度，維持表面粗糙度的穩(wěn)定，在保證加工效率的同時(shí)能得到較好的加工質(zhì)量。

(a)s=1000r/min

4.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

通過(guò)單變量、多變量交互作用分析以及回歸方程方程的求解，得出銑削5B06鋁合金最佳參數(shù)為轉(zhuǎn)速2630r/min，進(jìn)給速度100mm/min，切削深度1mm。在該參數(shù)下，回歸方程預(yù)測(cè)試件的表面粗糙度為1.78μm，置信度為0.89。根據(jù)此參數(shù)對(duì)5B06試件進(jìn)行銑削試驗(yàn)并檢測(cè)其表面粗糙度，最終得出3個(gè)試件的表面粗糙度分別為1.79μm，1.67μm，1.63μm，其均值為1.69μm。該結(jié)果與模型預(yù)測(cè)數(shù)值誤差僅為5.1%，說(shuō)明通過(guò)本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)該試件的表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)具有可行性。因此，確定該參數(shù)為切削電弧增材5B06試件的最佳參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在試驗(yàn)參數(shù)下，電弧增材制造的5B06鋁合金，其硬度為81HV，拉伸強(qiáng)度為291.5MPa，平均拉伸率11.17%，沖擊韌性為229.18J/m2，該材料切削加工性為易切削。

(2)在銑削工藝參數(shù)研究試驗(yàn)中，Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠有效縮短試驗(yàn)周期，基于該試驗(yàn)數(shù)據(jù)的二次多項(xiàng)式回歸模型具有較好的擬合效果，其復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.96。

(3)銑削電弧增材制造5B06鋁合金時(shí)，切削深度ap對(duì)該材料表面粗糙度的影響最為顯著，并且應(yīng)避免低轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度和大切削深度的銑削方式。

(4)以表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)，工件能夠獲得最小表面粗糙度的試驗(yàn)參數(shù)是轉(zhuǎn)速為2630r/min，進(jìn)給速度為100mm/min，切削深度為1mm。試件的表面粗糙度能夠達(dá)到1.69μm，這一數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差僅為5.1%。