鈦合金是一種新型的重要結構材料,具有低密度、大剛性、輕質量、耐腐蝕等特點,目前鈦合金材料具有較大的市場前景[1-3],但該材料切削加工時其高溫強度高、化學活性高等特點會導致加工切削力大、溫度高、刀具粘結等問題,致使產品加工表面質量較差[4]。鈦合金材料加工時進給量、主軸轉速等加工參數都會對工件的加工質量產生影響[5-6]。

正交試驗利用多因素試驗方法,經過合理的試驗設計,以相對較少的試驗次數得到影響試驗結果的因素 及 各 因 素 影 響 規 律,在 切 削 實 驗 中 被 廣 泛 采用[7-8]。文中針對銑 削 三 要 素 (主 軸 轉 速、銑 削 深度、每齒進給量)設計出一組三因素四水平的正交試驗,以獲得多組數據,通過對數據的處理,得到銑削三要素對加工工件表面粗糙度的影響規律、對加工工件表面粗糙度的顯著性影響因素。

1、 試驗條件

針對于本試驗研究需求,選用 TC4鈦合金料塊作為銑削試驗材料,料塊長×寬×高尺寸為 100mm×100mm×30mm,如圖 1所示。

加工 TC4鈦合金的刀片一般用 YG類合金刀片,YG8是鎢鈷類材料,耐磨性良好,使用強度和沖擊韌性都較好[9]。出于綜合考慮,選用性價比較高、銑削性能好的硬質合金 YG8刀片。試驗用刀具選擇 為 硬 質 合 金 直 柄 立 銑 刀,直 徑 D 為 ? 10mm,采用逆銑銑削方式,不添加銑削液。圖 2所示為 YG8直柄銑刀刀桿刀頭。

切削機床為大河數控機床 TH5656立式加工中心,在主電機功率為 15kW 時,最 大 扭 矩 可 達470N·m 以上,主軸箱配有恒溫油箱循環冷卻,主軸軸頸達?100mm,主軸頭懸伸小,剛性大,精度高,大尺寸工作臺面達 1500mm×780mm,便于大工件裝夾。對工件表面粗糙度進行測量時,利用 TR200觸針式表面粗糙度測量儀測量 TC4加工表面前、后的工件表面粗糙度值,其設備如圖 3所示。

2、 試驗分析

2.1 試驗方法

為研究不同因素對被加工工件表面粗糙度的影響。進行單因素試驗和三因素四水平正交試驗,三因素為主軸轉速、銑削深度和每齒進給量。得到主軸轉速、銑削深度以及每齒進給量對工件表面粗糙度的影響規律;明確主要影響因素。在已加工工件表面上沿機床主軸方向(z方向)測量工件表面粗糙度值 Ra,取兩端及中間數據,求平均值,取樣長度λc=1mm。在將測量儀器調整至所需要求后,分別對三處表面進行測量,取平均值,未加工表面粗糙度值為 0.986μm。圖 4所示為其中一次的粗糙度測量值。正在加工的鈦合金工件如圖 5所示。

2.2 單因素對表面粗糙度的影響

銑削深度為 0.2mm,每齒進給量為 0.08mm,主軸轉速從 400r·min^-1到 1000r·min^-1,無冷卻液情況下工件表面粗糙度受主軸轉速影響的變化趨勢,如圖 6所示。

由圖 6可知,在其余變量不變的情況下,隨著主軸轉速增大,在一定范圍內工件表面粗糙度逐漸增高,之后逐漸降低。

每齒進給量為 0.08mm,主軸轉速為 600r·min^-1,銑削深度由 0.1mm 變化到 0.6mm,工件表面粗糙度受切削深度影響的變化趨勢,如圖 7所示。由圖 7可知,在其余變量不變的情況下,隨著銑削深度的增大表面粗糙度呈上升趨勢。

銑削深度為 0.2mm,主軸轉速為 600r·min^-1時,每齒進給量由 0.04mm變化到 0.16mm,工件表面粗糙度受每齒進給量影響的變化趨勢,如圖 8所示。由圖 8可知,在其余變量不變的情況下,隨著每齒進給量的逐步增大,工件表面粗糙度呈上升趨勢。

2.3 多因素對表面粗糙度的影響

參考正交表的設計原理,實現鈦合金 TC4的正交試驗設計。選擇刀具為 YG8硬質合金,其適合加工速度為 15~80m·min^-1,結合加工經驗,進行試驗參數設計,選得試驗所使用參數見表 1。

根據正交原理所設計的正交試驗,以及試驗所測得的工件表面粗糙度及計算結果見表 2。Ki表示試驗因子下對應工件表面粗糙度測量結果之和,i= 1,2,3,4;ki 表示各因素的平均表面粗糙度測量結果,ki= 0.25Ki,i= 1,2,3,4;K 表示 16組表面粗糙 度 測 量 結 果 之 和,引 入 參 數 P,且 P =1/16K2;W 表示 16組表面粗糙度測量結果平方之和;Q表示各試驗因子下試驗值的離差;U 表示各試驗因子下試驗值平方和的平均數,即

對表 2中平均表面粗糙度進行極差分析,隨著主軸轉速的增大,平均表面粗糙度先增大后逐漸減小,平均表面粗糙度的極差為 0.2425μm,隨著銑削深度的增大,平均表面粗糙度減小后再增大,平均表面粗糙度的極差為 0.0950μm,隨著每齒進給量的增大,平均表面粗糙度增大,平均表面粗糙度的極差為 0.2650μm。由此說明每齒進給量對表面粗糙度的影響最大,其次是主軸轉速,銑削深度影響最小。

對表 2中平均表面粗糙度進行方差分析。給定顯著性水平α=5%,查表確定出 F值,結果見表3。由表 3可知,每齒進給量對表面粗糙度有顯著影響,主軸轉速對表面粗糙度有較顯著影響,銑削深度對表面粗糙度無顯著影響。

通過試驗得出其方差、極差分析的結果一致,因此,在銑削加工鈦合金 TC4時,每齒進給量影響較為明顯,應根據所需要的表面粗糙度合理選擇。

3、 結 論

1)當其余變量一定時,隨著主軸轉速增大,在一定范圍內工件表面粗糙度逐漸先增大后減小,之后逐漸降低;當其余變量一定時,隨著銑削深度的增大表面粗糙度呈上升趨勢;當其余變量一定時,隨著每齒進給量的逐步增大,工件表面粗糙度呈上升趨勢。

2)銑削鈦合金 TC4時,不考慮刀具磨損,銑削參數對工件加工表面 z方向表面粗糙度 Ra的影響程度為每齒進給量>主軸轉速>銑削深度。

3)通過方差數據分析得到,每齒進給量對工件表面粗糙度影響顯著,主軸轉速影響較顯著,銑削深度影響不明顯。

參 考 文 獻:

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