基于均勻設計法的鈦合金清潔加工試驗研究

李登萬 陳洪濤 許明恒 鐘成明

1.西南交通大學，成都，610031 2.四川工程職業技術學院，德陽，618000 3.東方汽輪機有限公司，德陽，618000

基于均勻設計法的鈦合金清潔加工試驗研究

李登萬1，2陳洪濤1，2許明恒1鐘成明3

1.西南交通大學，成都，610031 2.四川工程職業技術學院，德陽，618000 3.東方汽輪機有限公司，德陽，618000

為了探索難加工材料鈦合金的清潔切削加工規律，采用均勻設計方法設計了切削試驗參數，在常溫干式切削與低溫冷風降溫切削條件下進行切削試驗研究。對試驗數據進行回歸分析，建立了多元二次回歸模型，用最優子集法和自定變量法進行運算處理，導出了適用于鈦合金精加工的切削力和表面粗糙度經驗公式，方差分析結果顯示其線性關系高度顯著。對比分析常溫干式切削和低溫冷風降溫切削下的切削力、表面粗糙度與切削參數之間的特征關系，發現低溫冷風降溫切削適用于鈦合金高效精密加工，同時提出了鈦合金精加工切削參數選用的基本原則。

鈦合金；清潔加工；經驗公式；均勻設計

0 引言

鈦合金具有較高的比強度、熱強度和較強的抗腐蝕能力，其應用極為廣泛，但因鈦合金切削加工困難，導致我國使用鈦合金的比例相對較低，與國際應用水平相比存在較大差距，因而有必要對鈦合金切削加工規律進行深入研究。過去人們多在切削液冷卻條件下，用正交試驗法設計鈦合金切削試驗參數［1－2］，研究切削加工規律［3－4］，但正交試驗設計方法的因素變化范圍不宜過大，否則試驗次數大幅增加，試驗成本也大大增高。在低碳經濟戰略背景下，降低消耗、減少環境污染，已成為社會關心的熱點問題，研究鈦合金清潔切削加工具有重要的社會意義。

筆者在常溫干式切削和低溫冷風降溫切削條件下［4－6］，用均勻設計方法［7－8］設計鈦合金切 削試驗參數，用較少的試驗次數研究較寬的切削參數變化范圍內表面粗糙度、切削力與切削參數之間的關系［9－10］，建立表面粗糙度和切削力的多元二次回歸模型［2，8］，比較分析兩種清潔切削加工條件下切削參數對表面粗糙度和切削力的影響，研究結果對鈦合金切削加工條件確定和切削參數的選用具有指導意義。

1 試驗條件和方案

試驗對象為鈦合金Ti6Al4V，其硬度為HB320～360，抗拉強度σb＝965MPa，屈服強度σs＝875MPa，斷后伸長率δ＝14%。試驗機床為CK6143，其主電機額定功率為5kW，主軸最大轉速為2000r／min。試驗刀具為CNMG120404，其主偏角κr＝90°，前角γ0＝6°，后角α0＝10°，刃傾角λs＝－6°。冷風源采用CTL－50／3冷風機，冷風溫度為－50℃，冷風壓力為0.4MPa，流量為3.0m3／min，冷風從前刀面射入，如圖1所示。力傳感器為Kistler三分量測力計9257B，測量范圍為－5～5kN，靈敏度為2.3pC／N。采用Dewetron數據采集系統DEWE－3021，16通道，每通道最大采樣率100kHz。表面粗糙度檢測設備為SURFCOM 480A表面形狀測量儀。試驗設計與數據分析處理軟件采用中國數學會均勻設計分會研制的均勻設計軟件（5.0版）。

圖1 冷風車削加工環境

試驗采用三因素均勻設計表U＊25（253）設計鈦合金切削試驗參數，三因素分別為切削速度vc、進給量f和背吃刀量ap，如表1所示。在－50℃低溫冷風降溫和12℃常溫干式切削條件下進行車削試驗，同樣條件試驗三次，將三次試驗采集到的數據的算術平均作為試驗結果。初步分析試驗結果可以發現，在兩種切削條件下，只有主切削力Fc和表面粗糙度Ra變化較大，計算得到的切削合力Fr變化也較大，因此只對Fc、Fr、Ra進行比較研究。

表1 試驗數據

2 建立經驗公式

2.1 多元線性回歸模型

為了很好地反映vc、f和ap三個切削參數及它們交互作用對Ra和切削力F的影響，初步擬定多元非線性基本模型為

對式（1）用最優子集法和自定義變量法進行運算處理，可得Fc、Fr、Ra經驗公式如下：

常溫干式車削時，有

2.2 經驗公式顯著性檢驗

方差分析結果如表2、表3所示。取顯著水平α＝0.05，查F 分布表得到F0.05（3，21）＝3.072，F0.05（4，20） ＝ 2.866，F0.05（5，19） ＝ 2.74，F0.05（6，18）＝2.508，可見兩種切削條件下Fc、Fr和Ra的回歸方程的線性關系都高度顯著。

表2 常溫干式切削條件下的方差分析結果

表3 低溫冷風降低切削條件下的方差分析結果

2.3 對比分析

為了便于比較兩種切削條件下切削力和表面粗糙度的變化規律，繪制了Fc、Fr和Ra的特征圖。

圖2、圖3所示是ap＝0.36mm條件下，Fc、Fr與vc、f之間的特征關系，其中常溫干式切削條件下的特征關系如圖2所示，低溫冷風降溫切削條件下的特征關系如圖3所示。可以發現，兩種切削條件下切削力的變化規律基本相同，f對切削力影響很大，vc對切削力影響很小，低溫冷風降溫切削條件下的切削力比較大。

圖2 常溫干式切削條件下Fc、Fr 與vc、f之間的特征關系

圖3 低溫冷風降溫切削條件下Fc、Fr 與vc、f之間的特征關系

圖4、圖5所示是f＝0.18mm／r的條件下，Fc、Fr與vc、ap之間的特征關系，常溫干式切削條件下的特征關系如圖4所示，低溫冷風降溫切削條件下的特征關系如圖5所示。可以發現，vc對切削力影響很小，ap對切削力影響很大。在低溫冷風降溫切削條件下的切削力變化較小，ΔFc＝54.906N，ΔFr＝67.432N；而常溫干式切削條件下的切削力變化較大，ΔFc＝99.965N，ΔFr＝98.612N。低溫冷風降溫切削，ap變化對切削力的影響比常溫干式切削小，且在ap較大時切削力隨ap增大變化平緩，適宜高速大背吃刀量切削；切削力變化較小，有利于工藝系統的穩定，適宜精密加工。

圖4 常溫干式切削條件下Fc、Fr 與vc、ap 之間的特征關系

圖5 低溫冷風降溫切削條件下Fc、Fr 與vc、ap 之間的特征關系

圖6、圖7所示是vc＝97m／mim條件下，Fc、Fr與f、ap之間的特征關系，常溫干式切削條件下的特征關系如圖6所示，低溫冷風降溫切削條件下的特征關系如圖7所示。可以看出，低溫冷風降溫切削條件下的切削力變化較小，ΔFc＝122.565N，ΔFr＝128.228N；而常溫干式切削條件下的切削力變化較大，ΔFc＝166.771N，ΔFr＝166.529N。在f較小、ap較大時，低溫冷風降溫切削條件下的切削力隨ap增大而減小，而常溫干式切削條件下的切削力隨ap增大而增大。低溫冷風切削有利于提高精密加工的切削效率和工藝系統穩定性。

圖6 常溫干式切削條件下Fc、Fr 與f、ap 之間的特征關系

圖7 低溫冷風降溫切削條件下Fc、Fr 與f、ap 之間的特征關系

圖8所示是f＝0.18mm／r情況下，Ra與ap、vc之間的特征關系，圖8a、圖8b分別是常溫干式切削和低溫冷風降溫切削條件下的特征關系。vc對表面粗糙度幾乎無影響。常溫干式切削，ap在0.06～0.51mm范圍內時，Ra隨著ap增大而減小；ap在0.51～0.6mm范圍內時，Ra隨著ap增大而增大，ap引起的ΔRa＝0.07μm。低溫冷風降溫切削，ap在0.06～0.31mm范圍內時，Ra隨著ap增大而增大；ap＝0.31～0.6mm范圍內，Ra隨著ap增大而減小，ap引起的ΔRa＝0.42μm。

圖8 Ra與vc、ap之間的特征關系

從特征圖和經驗公式都可以發現，在相同切削效率的情況下，低溫冷風降溫切削能夠獲得更低的表面粗糙度。

3 結論

（1）鈦合金低溫冷風降溫切削相對于常溫干式切削，切削力變化范圍較小，有利于提高工藝系統的穩定性，適宜精密加工。

（2）鈦合金低溫冷風降溫精密切削，為了減小切削力，獲得理想的加工精度、表面質量和切削效率，可選用較高的切削速度、較大背吃刀量和較小的進給量。從低碳經濟戰略角度出發，應積極推行低溫冷風降溫切削。

（3）用均勻設計方法設計的試驗參數，其試驗結果利用線性回歸分析方法進行回歸分析，建立了適用于鈦合金的切削力和表面粗糙度經驗公式，經過F顯著性檢驗后發現建立的經驗公式線性關系高度顯著。

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Experimental Study on Clean Machining of Titanium Alloy Based on Uniform Design Method

Li Dengwan1，2Chen Hongtao1，2Xu Mingheng1Zhong Chengming3
1.Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031
2.Sichuan Engineering Technical College，Deyang，Sichuan，618000
3.Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang，Sichuan，618000

In order to explore the clean machining rule of titanium alloy，cutting parameters for tests were schemed out by using the uniform design method.And cutting tests were conducted under the condition of dry cutting and cold blast machining respectively.Through the regression analysis about the test results，a multiple quadratic regression model was established.And an empirical formula of cutting force and surface roughness was derived through the optimal subset method and custom variable method towards the model，which was applicable for titanium alloy finishing machining.The variance analysis about the formula shows that it is of remarkable linear relationship.Comparing and analyzing the characteristic relation among the cutting force，surface roughness and the cutting parameters under the conditions of dry cutting and cold blast machining，and it shows the latter one is more applicable for efficient finishing machining of titanium alloy.A cardinal principle for the selection of cutting parameters for titanium alloy finishing machining was also put forward.

titanium alloy；clean machining；empirical formula；uniform design

TG506.3

1004—132X（2011）01—0015—04

2010—04—07

國家科技重大專項（2009ZX04014－102－03）

（編輯 郭 偉）

李登萬，男，1964年生。西南交通大學機械工程學院博士研究生，四川工程職業技術學院機電工程系教授級高級工程師。主要研究方向為綠色制造技術。發表論文11篇。陳洪濤，男，1967年生。西南交通大學機械工程學院博士研究生，四川工程職業技術學院機電工程系副教授。許明恒，男，1947年生。西南交通大學機械工程學院教授、博士研究生導師。鐘成明，男，1978年生。東方汽輪機有限公司葉片分廠工程師。