基于正交設計的高速銑削鈦合金切削力試驗研究

基于正交設計的高速銑削鈦合金切削力試驗研究

鈦合金具有強度高、熱強度高、抗疲勞防滑、高溫（低于500c）抗腐蝕性好等優(yōu)點，為鈦和鈦合金帶來了很大發(fā)展。鈦合金最初應用于航空航天的飛行器和發(fā)動機零件的制造,現(xiàn)在包括石油、化學、食品加工、醫(yī)療器械、核工業(yè)、汽車和船舶工業(yè)等工業(yè)部門的鈦合金應用也得到了發(fā)展。但鈦合金同時具有導熱系數(shù)小、高溫化學活性高、彈性模量低、摩擦系數(shù)大等特性,導致其加工性能差。鈦合金的切削加工通常都在低速、低效和大量使用冷卻液的條件下進行,這與當前高速、高效和環(huán)保加工的趨勢相悖。因此,鈦合金的高速、高效綠色切削加工成為國內(nèi)外研究的熱點。作為高速切削機理研究中的關鍵問題,高速動態(tài)切削力的預報是一個相當復雜的問題。高速銑削是一個斷續(xù)切削的過程,在周期性機械沖擊載荷、刀具磨損和切屑變形等因素的綜合作用下,根據(jù)幾何方法建模所獲得的銑削力模型往往與真實銑削力變化規(guī)律有較大差別,甚至偏離。因此基于現(xiàn)場真實數(shù)據(jù)的統(tǒng)計回歸數(shù)學模型則成為準確性較好的高速切削力研究手段。研究高速切削條件下,切削力的變化規(guī)律和切削用量對切削力的影響,對于揭示高速切削過程的切削變形機理、改善工件的表面質(zhì)量和提高刀具壽命等具有重要的理論意義和實際應用價值。本文通過PCD刀具高速端面銑削鈦合金TA15試驗,研究了鈦合金材料在高速加工中切削力的變化規(guī)律,詳細分析了高頻分量和切削用量對動態(tài)切削力的影響,建立了動態(tài)銑削力與切削用量之間的數(shù)學預測模型,并對其進行了方差分析,驗證了該模型的可靠度。1切削力切削力來源主要有兩個方面:一是切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產(chǎn)生的抗力;二是刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。因此切削力主要來源于變形和摩擦,影響變形和摩擦的因素是切削用量及刀具角度。首先研究切削用量對切削力的影響,為了定量地研究切削用量對切削力的影響,需建立切削力經(jīng)驗公式。在機床特征和刀具幾何參數(shù)確定的前提下,根據(jù)金屬切削原理,影響切削力F的3個主要因素是軸向切深ap、每齒進給量fz和切削速度v。F和ap,fz,v之間的關系為F=CFaxFpfzyFvzF(1)F=CFaxFpfzyFvzF(1)對式(1)兩邊取對數(shù),得logF=logCF+xFlogap+yFlogfz+zFlogv若令y=logF,U0=logCF,U1=xF,U2=yF,U3=zF,則方程變?yōu)榛貧w設計的目的就是求出式(1)中的系數(shù)CF及指數(shù)xF,yF,zF。式(2)可以表示為輸入變量要進行編碼處理,以消除變量單位,為此,要求對3個變量進行因素水平編碼,以方便試驗設計,編碼公式為因素水平編碼如表1所示。2試驗設計及結(jié)果采用MikronUCP710五坐標高速加工中心進行高速銑削試驗,工件材料為TA15鈦合金,熱處理狀態(tài)為退火,其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V,其化學成分和物理力學性能分別見表2,3。聚晶金剛石(PCD)刀具采用瑞典山高公司產(chǎn)品:刀桿型號為R217.69-2020.0-09-2A,刀片型號為XOEX090304FR(PCD20,金剛石平均粒徑為10μm),刀具幾何參數(shù)以及切削條件詳見表4。本文中所有試驗銑削方式均采用順銑,冷卻方式采用空氣油霧冷卻。本文重點研究PCD刀具高速銑削鈦合金TA15時的切削力,分析切削用量(切削速度v,每齒進給量fz,軸向切深ap)對其的影響規(guī)律。首先安排單因素試驗,分析高頻分量和切削要素對切削力的影響。然后選用3因素2水平的正交試驗設計,選取L8(27)正交表,x1,x2,x3分別為切削速度v,每齒進給量fz,軸向切深ap,表中還有剩余項,用來考察v,fz,ap間的交互作用,這些列由前三列相乘而得,如表5所示。最后對試驗結(jié)果進行回歸分析,建立切削用量與切削力之間的經(jīng)驗模型,并通過方差分析驗證模型的可靠度。3結(jié)果與討論3.1高頻振動引起的銑削力圖1所示為Kistler9265B型測力儀所測得的v=200m/min,ap=0.5mm,fz=0.05mm時典型銑削力信號圖。從理論上來說,在不考慮振動的情況下,鑲齒銑刀銑削加工中銑削力應近似為三角形的脈沖力,刀具沒有切入工件時,銑削力應為零,刀具從切入工件到切出,動態(tài)銑削力應從零增加到最大,然后逐漸減小到零。而實際所測量到的銑削力是帶有高頻振動力,圖1用PCD刀具加工TA15鈦合金時,在刀具磨損初期,用Kistler9265B動態(tài)測力儀測量到的動態(tài)銑削力的時域采樣圖。從圖中可以看出,高速銑削鈦合金時銑削力中帶有高頻振動成分。這是由于刀齒周期性地撞擊工件,相當于刀具對工件施加周期的脈沖沖擊,周期的沖擊引起刀具——工件振動,振動又引起銑削厚度變化,銑削厚度的變化又引起了銑削力的變化。圖2是對銑削力Fx進行的頻譜分析;圖3是刀具磨損VB=0.35mm時的銑削力頻譜分析。說明高頻振動貫穿于刀具磨損的全過程。與硬質(zhì)合金刀具相比,PCD刀具高頻分量的幅值要小,這可能是因為與硬質(zhì)合金刀具相比,PCD刀具的摩擦系數(shù)小,與鈦合金材料有較小的親和力,導致高速切削時其沖擊要小于硬質(zhì)合金刀具。在1.5kHz左右存在一組特征頻率,其高頻振動幅值隨著刀具磨損的增加而增大,這一現(xiàn)象對于刀具磨損的在線監(jiān)測具有一定的指導意義。3.2超聲檢測由試驗測得的各向切削分力Fx,Fy,Fz以及換算得出的對應刀具坐標系中的瞬時切向分力Ft與每齒進給量的關系如圖4,5所示。由圖4可以看出,Fx是Fx,Fy,Fz中最大的一個分力,由于試驗采用的是順銑,Fx是兩分力之和,而Fy為兩分力之差。由圖4可以看出,PCD刀具高速切削TA15時的切削力大約在50～300N之間,與文獻測得的力大小相近,遠遠小于硬質(zhì)合金刀具高速切削鈦合金時的切削力。由圖4,5可以看出,在較低的速度范圍內(nèi)(v<100m/min),切削力隨著切削速度的提高有明顯的小幅上升。在中高速范圍內(nèi)(v=100～300m/min),隨著切削速度的增加,切削力變化不大,而當切削速度繼續(xù)增大、超過300m/min時,隨著切削速度的增大切削力呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是因為:PCD刀具在高速切削TA15鈦合金的條件下,切削速度對切削力的影響表現(xiàn)為一個應變強化和高溫軟化相抗衡、此消彼長的過程。在相對較低的速度范圍內(nèi),應變和應變率強化的作用大于由切削溫度增加而產(chǎn)生的熱弱化作用,使得切削力增大,但由于應變和應變率強化的作用仍相對較弱,切削力變化不大。而在中等的切削速度范圍(v=100～300m/min),應變和應變率強化對切削力的正影響作用與剪切角的增大以及熱軟化對切削力的負影響作用相平衡,切削力基本保持不變;隨著切削速度的進一步增大,超過300m/min時,熱軟化作用占主導地位,導致刀具與工件間的摩擦系數(shù)降低,從而使得變形系數(shù)減小,即剪切變形區(qū)附近的鈦合金晶粒在剪切面上的變形將變得更容易,最終結(jié)果表現(xiàn)為切削力的下降。而文獻利用硬質(zhì)合金刀具高速銑削TA15時,當切削速度大于300m/min,隨著速度的增加切削力成增大趨勢,PCD刀具則恰恰與此相反,這可能是由于在速度大于300m/min時,硬質(zhì)合金刀具比PCD刀具具有更差的導熱性,導致切削溫度迅速升高,從而導致刀具急劇磨損,最終導致切削力上升。3.3未進給量fy和fy由試驗測得的各向切削分力Fx,Fy,Fz以及換算得出的Ft與每齒進給量的關系如圖6,7所示。從圖6,7中可以看出,切削分力Fx和刀具坐標系中的切向分力Ft都隨每齒進給量的增大而增大。這是因為隨著每齒進給量fz增大,切削厚度增大,而切削寬度不變,這時剪切面積按比例增大,使得前刀面上的法向力隨之增加,與此同時,隨著每齒進給量增大,切屑的平均變形系數(shù)變小,單位切削力降低,其結(jié)果是減緩主切削力隨fz的增大趨勢。因此,進給量fz增大一倍,切削力約增加70%～80%。而Fy和Fz隨每齒進給量的增加變化不大,這主要是因為在進給過程中,Fz沒有位移所以沒有做功因此變化不大。隨著進給量的增加,切削力增大,Fy也隨之增大,而刀具切削時,由于刀具與工件的相對運動及刀具幾何形狀的關系,有一小部分金屬未被切下來而殘留在加工表面上。殘留部分對刀具副后刀面的圓弧處產(chǎn)生擠壓力,與切削層金屬、切屑對刀具的擠壓力方向相反,可以部分抵消,而且隨著進給量的增加,殘留面積也增大,故殘留部分對刀具的擠壓力也會增大。這在切削鈦合金時尤為明顯,這與鈦合金TA15的彈性模量較低、受力時回彈較大有關。由于以上幾方面因素對Fy的影響相互抵消,使其變化并不顯著。3.4軸向切深的影響由試驗測得的各向切削分力Fx,Fy,Fz以及換算得出的切向分力Ft與軸向切深的關系如圖8,9所示。從圖8,9中可以看出,所有的切削力都隨軸向切深ap的增大而增大。這是因為隨著軸向切深ap增大,切削寬度也增大,剪切面面積和切屑與前刀面的接觸面積按比例增大,第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的變形與摩擦相應增大。當軸向切深增大一倍時,切削分力Fx和刀具坐標系中的徑向分力Ft也約增大一倍。而隨著切削深度的增加,鈦合金的彈性模量較小,導致回彈量加大,致使切削力Fy和Fz均增加。3.5切削力估計矩陣在回歸正交試驗數(shù)據(jù)的基礎上,采用最小二乘法原理對預測模型(1)的回歸系數(shù)進行參數(shù)估計,即B=(XΤX)-1XΤY(5)式中:B為所估計參數(shù)矩陣;X為獨立輸入變量的設計矩陣;Y為由切削力測量值所計算得到的徑向切削力值的矩陣。經(jīng)過計算可以得出,徑向切削力與軸向切深、每齒進給量和切削速度之間的關系,其得到的多元回歸模型可以表示為?y=3.411+0.984x1+0.505x2-0.036x3(6)式(6)可以變換為如下形式Ft=2576.321a0.984pf0.505zv-0.036(7)3.6顯著性檢驗pse采用方差分析技術對回歸模型的顯著性進行檢驗。為此,對構(gòu)造的統(tǒng)計量進行F檢驗,即F=SR/pSe/(n-p-1)～F(p,n-p-1)式中:SR為回歸平方和;Se為殘差平方和;p為SR的自由度;n-p-1為Se的自由度。在給定的顯著性水平T下,若F>F1-α(p,n-p-1),即認為回歸模型可信。計算結(jié)果如表6所示。查F分布表可得,F0.01(1,6)=13.75,則F=SR/pSe/(n-p-1)=0.887/10.003/6=1540.93因為F=1540.93>F0.01(1,6)=13.75,所以,回歸方程(7)在T=0.01水平上高度顯著。結(jié)果表明,在顯著性水平0.01下切削力與軸向切深、每齒進給量和螺旋角之間確有線性關系,模型的回歸系數(shù)達0.99,擬合優(yōu)度良好。4基于統(tǒng)計回歸的測量結(jié)果分析通過PCD刀具高速切削鈦合金TA15系統(tǒng)試驗研究了切削力與切削用量之間的特征規(guī)律,得出了以下結(jié)論:(1)PCD刀具高速銑削TA15時,高頻分量和振動沖擊對切削力波形有顯著影響,在1.5kHz左右存在一組特征頻率,其高頻振動幅值隨著刀具磨損的增加而增大,因此,可利用這一現(xiàn)象進行刀具磨損的在線監(jiān)測。(2)PCD刀具高速切削TA15鈦合金時,對切削力有顯著影響的主要因素為軸向切深ap、每齒進給量fz。軸向切深、每齒進給量和切削速度對切削力的影響顯著性依次下降,因此綜合考慮降低切削力和提高加工效率,加工中應當首先選擇高的切削速度