王永鑫１,２,張昌明１,２,３

(１．陜西理工大學機械工程學院,漢中 ７２３０００;２．陜西省工業(yè)自動化重點實驗室,漢中 ７２３０００;

３．西安理工大學機械與精密儀器工程學院,西安 ７１００４８)

摘 要:采用正交試驗法對 TC１８鈦合金進行了車削試驗,使用直觀分析法、經(jīng)驗模型分析法和極差分析法研究了主軸轉(zhuǎn)速、進給深度和切削深度對切削力和表面粗糙度的影響.結(jié)果表明:和進給深度、主軸轉(zhuǎn)速相比,切削深度對切削力的影響最大,隨著切削深度的增加切削力不斷增大;進給深度對表面粗糙度的影響最大,切削深度的影響次之,主軸轉(zhuǎn)速的影響最小;在切削力和表面粗糙度的指數(shù)經(jīng)驗模型中,擬合程度較高的為主切削力(Fz)的參數(shù)模型,且顯著程度相對較高.

關(guān)鍵詞:TC１８鈦合金;車削加工;切削力;表面粗糙度

中圖分類號:TG５１１ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００６９Ｇ０５

０ 引 言

TC１８鈦合 金 因 具 有 低 密 度、高 強 度、高 淬 透性、高斷裂韌性、良好的耐腐蝕性和塑性等優(yōu)點而在飛機起落架等結(jié)構(gòu)件和大型飛機鍛件上得到了廣泛應(yīng)用[１Ｇ４].車削加工是飛機起落架等關(guān)鍵零部件加工的重要工序[４Ｇ５].切削力和表面粗糙度作為車削型并驗證了模型的準確性;使用直觀分析法、經(jīng)驗模型分析法和極差分析法研究了切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進給深度和切削深度)對表面粗糙度的影響,為提高TC１８鈦合金車削加工質(zhì)量提供試驗依據(jù).

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為 TC１８鈦合金(名義成分為 TiＧ５A(chǔ)lＧ５MoＧ５VＧ１CrＧ１Fe)棒,尺寸為?３０mm×１５０mm,化學成分見表１,室溫拉伸性能見表２.

采用 CS６１４０型車床對 TC１８鈦合金進行車削加工試驗,使用９２５７B 型三向測力儀測試切削力,車削裝 置 和 切 削 力 測 量 系 統(tǒng) 如 圖 １ 所 示. 采 用TR２１０型手持式表面粗糙度測量儀在 TA６２０型測量平臺上測量試樣的表面粗糙度正交試驗參數(shù)和結(jié)果如表３所示.

車削加工過程中切削力的計算公式[１７]為

式中:F 為切削力;CF 為加工條件系數(shù);n 為主軸轉(zhuǎn)速;f 為進給深度;ap 為切削深度;b１ 為主軸轉(zhuǎn)速的影響因素;b２ 為進給深度的影響因素;b３ 為切削深度的影響因素.

用SPSS軟件對式(１)進行自定義,將試驗數(shù)據(jù)代入式(１),采用最小二乘回歸方法進行擬合分析,確定公式中的CF,b１,b２,b３,得到車削加工過程中的切削力計算模型為

使用F 檢驗法[７]對模型擬合度進行檢驗,并進行顯著性分析.由單因素主效應(yīng)分析得到Fx,Fy,Fz 經(jīng)驗模 型 所 對 應(yīng) 的 F 值 分 別 為 ０．０５８,０．５２６,１１．６９１[７].由FＧ分布臨界統(tǒng)計表中統(tǒng)計量P(F＞F１－α)＝α,取水平α 為 ０．０２５[７,１０,１７],在 F~F(k,n－k－１)分布中,k 為分子自由度,n 為試驗次數(shù),n－k－１為分母自由度,由于有三因素共九組試驗,因此自由度為(３,５).故查詢FＧ分布臨界值表得到F０．０２５(３,５)＝７．７６.而只有 Fz 所對應(yīng)的F 值大于

７．７６,因此Fz 的指數(shù)經(jīng)驗模型顯著程度最高.使用t檢驗法[７,１７]對三因素進行檢驗,其自由度為n－k－１＝５,選取水平α 為０．０２５,根據(jù)t檢驗臨界值表[７,１７]選取標準分析值t０．０２５(５)＝２．５７１進行比較.由表４可知,針對擬合性較弱的Fx 和Fy 兩個經(jīng)驗模型,t 值最大的參數(shù)分別為主軸轉(zhuǎn)速和切削深度,說明兩個參數(shù)分別在其模型中具有較高的顯著程度,然而通過與標準值的顯著性比較可看出,兩者的t值低于標準值,因此Fx 與Fy 模型中各參數(shù)顯著性均沒有統(tǒng)計意義;針對擬合性較強的 Fz經(jīng)驗模型,切削深度所對應(yīng)的t值遠大于其他參數(shù)及標準值,因此 Fz 模型中切削深度比主軸轉(zhuǎn)速和進給深度有更顯著的影響.

２．２ 切削力隨切削參數(shù)的變化

由圖３(a)可以看出:隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,沿x 和y 方向 切 削 力 均 先 降 后 升,沿z 方 向 切 削 力持續(xù)降低,但降低趨勢逐漸趨于平緩,整體切削力呈現(xiàn)下降 趨 勢.這 是 因 為 隨 著 主 軸 轉(zhuǎn) 速 增 加,切削速度提高,由 此 導 致 切 削 溫 度 上 升 從 而 使 工 件的剪切屈服強度降低,造成摩擦因數(shù)減小,剪切角增大,變形系數(shù)減小,最終導致切削力降低[１８];較高主軸轉(zhuǎn)速 造 成 切 削 溫 度 升 高,工 件 強 度 和 硬 度下降,導致切削力降低.隨著主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升,積屑瘤處于消退期,沿x 和y 方向變形系數(shù)不斷上升,導致切屑的慣性力變大,使沿x 和y 方向的切削力增大[１９].從圖３(b)可以看出:隨著進給深度的增加,沿z 方向的切削力持續(xù)增大,沿y 方向的切削力不斷下降,沿x 方向的切削力先降后增,整體切削力呈現(xiàn)增大趨勢.這是因為隨著進給深度增大,切削厚度增加造成切削面積增大,導致工件變形抗 力 增 大,使 切 削 力 增 大.當 進 給 深 度 較小時主切削 力 較 小,能 有 效 提 高 加 工 表 面 質(zhì) 量 并減少刀具磨損[５].由圖３(c)可以看出:隨著切削深度的增加,沿x 和y 方向的切削力均先降后增,沿z方向切削力持續(xù)增大,整體切削力呈現(xiàn)增大趨勢.

這是因為隨著切削深度增大,切削寬度增加造成切削面積增大,導致切削力不斷增大,因而選擇合適的切削深度可以優(yōu)化加工方案.由圖３還可以看出,在不同的主軸轉(zhuǎn)速、進給深度、切削深度條件下,沿z 方向的切削力均最大,沿y 方向的切削力次之,沿x 方向的切削力最小.

２．３ 表面粗糙度試驗結(jié)果

TC１８鈦合金在９組參數(shù)下車削加工后的表面粗糙度 分 別 為 １．２３５,３．２６６,３．３５５,３．１７１,３．５０２,２．０５６,１．７９８,３．６４７,３．２１７μm.

由表５可以看出:隨著主軸轉(zhuǎn)速、進給深度、切削深度的增加,TC１８鈦合金車削加工后的表面粗糙度均呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢;進給深度對表面粗糙度影響最大,切削深度的影響次之,主軸轉(zhuǎn)速的影響最小.

根據(jù)文獻[７],建立指數(shù)模型如下:

式中:Ra 為表面粗糙度;k 為加工條件系數(shù);c１ 為主軸轉(zhuǎn)速的影響因素;c２ 為進給深度的影響因素;c３為切削深度的影響因素.用SPSS分析軟件對式(３),進行自定義,將試驗數(shù)據(jù)代入式(３),采用最小二乘回歸法進行擬合分析,確定公式中的k,c１,c２,c３,得到車削加工后表面粗糙度計算模型為

利用F 值檢驗法計算得到表面粗糙度經(jīng)驗模型對應(yīng)的F 值為０．９６８,遠低于FＧ分布臨界檢驗值F０．０２５(３,５)＝７．７６,因此可知其顯著性和曲線擬合程度并不高;計算得到主軸轉(zhuǎn)速、進給深度、切削深度對應(yīng) 的t 值 分 別 為tA ＝０．４７６,tB ＝１．３３５,tC ＝０．９４５,比較發(fā)現(xiàn)tB ＞tC ＞tA,由此可見進給深度對表面粗糙度的影響最大,切削深度的影響次之,主軸轉(zhuǎn)速的影響最小.根據(jù)顯著性原理結(jié)合t值檢驗法分析可知,進給深度所對應(yīng)的t值較大,對比臨界標準分析值t０．０２５(５)＝２．５７１可知,進給深度雖對表面粗糙度的影響較為顯著,但顯著程度較低.綜上,控制和優(yōu)化進給深度可以在一定程度上降低表面粗糙度,也可以降低刀具的磨損以延長其使用壽命,從而獲得加工表面質(zhì)量更好的工件.

由表６可以看出,進給深度對表面粗糙度影響最大,切削深度的影響次之,主軸轉(zhuǎn)速的影響最小,這與直觀分析和建立經(jīng)驗模型方法得到的結(jié)果一致.

３ 結(jié) 論

(１)在對 TC１８鈦合金進行車削加工中,和進給深度、主軸轉(zhuǎn)速相比,切削深度對切削力的影響最大,隨著切削深度的增加切削力不斷增大.

(２)進給深度對表面粗糙度的影響最大,切削深度的影響次之,主軸轉(zhuǎn)速的影響最小.控制和優(yōu)化進給深度可以較好降低表面粗糙度,提高 TC１８鈦合金車削加工表面質(zhì)量.(３)在切削力和表面粗糙度的指數(shù)經(jīng)驗模型中,擬合程度較高的為Fz 的參數(shù)模型,且顯著程度相對較高.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 7期 > pp.512）