高速車削SiCp增強鋁基復合材料表面粗糙度試驗

王進峰,范孝良,曹雨薇,儲開宇,王 凱

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,河北保定 071003)

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高速車削SiCp增強鋁基復合材料表面粗糙度試驗

王進峰,范孝良,曹雨薇,儲開宇,王 凱

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,河北保定 071003)

SiCp/Al復合材料高速車削時,存在表面缺陷形態多變、表面粗糙度值過大、表面質量差等問題.為了探究影響高速車削表面粗糙度的切削參數,獲得較好的表面粗糙度,設計了基于切削速度、進給量、切削深度、刀尖圓弧半徑4個切削參數的16組正交試驗.通過進行正交切削試驗,獲得4參數不同水平下的零件表面粗糙度值,通過田口方法研究了SiCp/Al復合材料高速車削時的最佳加工參數,并建立了表面粗糙度的經驗公式.最后,再次進行切削試驗,試驗結果驗證了兩種表面粗糙度預測方法的有效性及正確性.

SiCp/Al; 高速車削; 表面粗糙度; 田口方法; 經驗公式

SiCp增強鋁基復合材料因其良好的物理機械性能在航空航天、精密儀器等領域應用廣泛,尤其是高體積分數、小SiC顆粒粒徑的鋁基復合材料,因其熱膨脹率較小,在溫度變化較為劇烈的工程場合依然表現出良好的機械性能.但是進行SiCp增強鋁基復合材料切削時,由于SiC顆粒從零件表面分離時,容易造成裂紋、孔洞等缺陷,使其加工精度較差,尤其是半精加工和精加工時,會造成表面粗糙度值變大,表面質量變差,嚴重制約著SiCp/Al復合材料的應用.為了在加工SiCp增強鋁基復合材料時控制表面缺陷,獲得較好的零件表面質量,研究人員從切削機理、試驗等方面進行了卓有成效的研究.ZHOU等通過有限元仿真和試驗研究了使用PCD(Polycrystalline Diamond)刀具進行SiCp/Al復合材料的材料去除過程[1].王進峰等研究了切削SiCp/Al復合材料的切屑分離過程,揭示其表面形成機制[2].ZHOU等通過有限元方法研究了邊界損傷的形態和形成機理,并通過試驗進行了驗證[3].葛英飛等研究了超精密車削SiCp/Al復合材料的切屑形成機制及過程[4].無論是有限元仿真還是試驗驗證,都從表面形成機理方面揭示了表面粗糙度的形成原因.為了進一步揭示SiCp/Al復合材料的切削規律,研究影響表面粗糙度的切削參數非常與必要.李建廣等研究了銑磨SiCp /Al 窄槽影響表面粗糙度的切削參數[5].ROY 利用遺傳算法和模糊專家系統預測超精密加工Al6061/SiCp復合材料的表面粗糙度值[6].BABIRAK等利用田口和遺傳算法研究精密切削時表面粗糙度的預測方法[7].為了研究SiCp/Al復合材料高速加工時影響表面粗糙度的切削參數,本文設計了正交試驗表,進行高速切削試驗.測量加工結束后零件的表面粗糙度,通過對試驗數據進行處理,研究影響其表面粗糙度的因素,從而為選擇合適的切削參數提供參考依據.

1 試驗方案的設計

切削試驗使用的數控機床為LG Mazak,如圖1所示.刀具選用PCD刀具,如圖2所示.表面粗糙度儀為TR200,如圖3所示.零件為Φ25的棒料,如圖4所示,其尺寸及其他參數信息見表1.

表1 零件參數及其機械性能

圖1 LG Mazak 數控車床Fig.1 LG Mazak CNC turning lathe

圖2 PCD刀具Fig.2 PCD tool

影響零件加工表面粗糙度的因素有很多,譬如切削用量、刀具幾何參數、工件的力學性能等.本文以切削速度(主軸轉速)、進給量、切削深度、刀尖圓弧半徑4個切削參數作為探究影響表面粗糙度的因素,進行切削試驗.設計的試驗參數水平表見表2,其中主軸轉速、進給量、切削深度和刀尖圓弧半徑作為輸入,測量的表面粗糙度值作為輸出.為確保測量數據的準確性,同一表面的粗糙度值測量5次,正交試驗表及表面粗糙度測量結果見表3.

圖3 表面粗糙度儀TR200Fig.3 Portable surface roughness TR200

圖4 10%SiCp/Al樣件Fig.4 Sample part of 10%SiCp/Al

表2 試驗參數水平表

2 利用田口方法處理表面粗糙度值

對于高速加工的SiCp增強鋁基復合材料,表面粗糙度值越小越好,因此,屬于小參數設計,其輸出值表面粗糙度的信噪比為

(1)

式中:S為信號的功率;N為噪聲的功率;Ra為表面粗糙度;i=1,2,3,…,n(其中n為5).

根據式(1)可求得各試驗方案的信噪比,為了便于計算,在各信噪比基礎上增加10 dB,結果如表3所示.

(2)

式中：j= 1,2,3,…,N(N=16);Sj為第j個試驗方案的信噪比,計算結果見表3.

為了確定各切削參數對最終表面粗糙度的影響程度,還需對各參數在不同水平上進行方差分析,求出各切削參數對表面粗糙度的顯著性影響,具體計算過程如下.

① 各試驗方案信噪比求和,取平方,得出CT值：

(3)

② 計算各切削參數在各個水平的信噪比之和

(4)

③ 計算各切削參數信噪比波動

(5)

式中：SSz為第z個參數的信噪比波動.

(6)

表3 試驗結果及信噪比

經過計算可求得各個切削參數的各個水平信噪比的和及平均值,各個切削參數的波動見表4.

表4 各試驗參數及水平的信噪比分析

表3的最后一列為信噪比波動大小,反映的是4個切削參數造成表面粗糙度值波動的大小.波動數據表明:參數A(切削速度)對表面粗糙度影響最為顯著,參數B(進給量)和參數C(切削深度)對表面粗糙度影響較為顯著,而參數D(刀尖圓弧半徑)對表面粗糙度影響最不顯著.

為了確定各個切削參數的最佳值,將表3中各個切削參數在各個水平的信噪比平均值如圖5表示.

圖5 不同參數不同水平信噪比波動圖Fig.5 Fluctuation of S/N ration on different level of differentparameters

從圖5可看出:參數A中第3水平信噪比平均值最大,表明相對其他水平,水平3形成的零件表面粗糙度值較小;參數B中第4水平信噪比平均值最大;參數C中第1水平信噪比平均值最大;參數D中第2水平信噪比平均值最大.參數組合A3B4C1D2,主軸轉速4 500 r·min-1、進給量0.2 mm·r-1、切削深度0.25 mm、刀尖圓弧半徑0.3 mm為最佳的切削參數組合.

3 表面粗糙度的預測

當利用田口方法對影響SiCp/Al復合材料的切削參數進行了顯著性分析后,確定了最佳切削參數組合為A3B4C1D2.但是該參數組合并不在16組正態切削試驗中,因此需要估算其產生的表面粗糙度大小,其計算過程如下:

最佳參數組合產生的表面粗糙度信噪比可通過如下計算：

7.502dB

(7)

對應的最佳表面粗糙度為

(8)

為了進一步分析最佳表面粗糙度值及其切削參數,驗證田口方法預測的最佳表面粗糙度值的準確性,根據正交試驗表面粗糙度測量結果,通過Matlab 2015建立表面粗糙度與切削參數的四元二次方程如下:

Ra= 1.715 1+0.343 8A-1.35B+1.068 1D+

0.067 7A2+0.104 1B2+0.011 1C2-

0.100 5D2+0.000 8AB-0.099 4AC-

0.101 3AD+0.238 7BC-0.000 5BD-

0.141 5CD

(9)

當參數組合A2B4C1C1時,其表面粗糙度為0.332 1μm,該值比田口方法預測的最佳表面粗糙度值要小,且其參數組合與田口方法獲得的最佳切削參數組合不一致.為了驗證兩種預測方法的正確性和準確性,再次進行了切削試驗,獲得的表面粗糙度值與預測值的對比結果見表5.

4 結論

通過研究工作,兩種方法的計算結果和試驗結果表明:

表5 最佳切削參數及表面粗糙度

(1) 對SiCp/Al復合材料高速車削表面粗糙度而言,切削速度影響最大,進給量其次,切削深度再次,刀尖圓弧半徑影響最小.

(2) 田口方法和多項式經驗公式兩種方法基本上都能夠較為準確地預測表面粗糙度,與試驗結果誤差在5%以內.

(3) 最佳切削參數組合和最小表面粗糙度值預測方面,多項式經驗公式的預測準確率要高于田口方法.

[1] ZHOU L,HUANG S T.Finite element and experiment studies of the cutting process of SiCp/Al composites with PCD tools [J].International Journal Advanced Manufacturing Technology,2011,52(5):619-626.

[2] 王進峰,儲開宇,趙久蘭,等.SiCp/Al復合材料切削仿真及試驗研究[J].人工晶體學報,2016,45(7):1756-1964.

WANG J F,CHU J L,ZHAO J L,et al.Cutting simulation and experiment of SiCp/Al composites[J].Journal of Synthetic Crystals,2016,45(7):1756-1964.

[3] ZHOU L,WANG Y,MA Z Y,et al.Finite element and experimental studies of the formation mechanism of edge defects during machining of SiCp/Al composites[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2014,84:9-6.

[4] 葛英飛,徐九華,楊輝.SiCp/Al復合材料超精密車削切屑形成機制及形成過程模型[J].兵工學報,2015,36(5):911-920.

GE Y F,XU J H,YANG H.Chip formation mechanisms and the process model during ultra-precision turning of SiCp/Al composite[J].Journal of China Ordnance,2015,36(5):911-920.

[5] 李建廣,姚英學,趙航,等.SiCp /Al 窄槽的銑磨試驗研究(Ⅱ):表面粗糙度[J].哈爾濱工業大學學報,2012,44(9):57-61.

LI J G,YAO Y X,ZHAO H,et al.Experimental research on mill-grinding SiCp/Al narrow slot.Part II:surface roughness[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2012,44(9):57-61.

[6] ROY S S.Design of genetic-fuzzy expert system for predicting surface finish inultra-precision diamond turning of metal matrix composite[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,173:337-344.

[7] BABIRAK E,MOHANA K M,SENTHIL P.Effect of high speed turning operation on surface roughness of hybrid metal matrix(Al-SiCp-fly ash)composite[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2016,30(1):89-95.

Experimental investigations of surface roughness in high-speed turning of SiCp/Al composites

WANG Jinfeng,FAN Xiaoliang,CAO Yuwei,CHU Kaiyu,WANG Kai

(School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei,China)

The various surface defects and the large surface rough value have to been faced in high-speed turning of SiCp/Al composites.To research the cut parameters on surface roughness in high-speed turning and achieve the better surface roughness value,16 orthogonal experiments are designed based on cut speed,feed rate,depth of cut and nose radius.Surface roughness value on 4 different levels of 4 parameters is achieved,the optimum cut parameters are researched by Taguchiapproachin High-speed Turning ofSiCp/Al Composites,and empirical formula on surface roughness is built accordingly.Finally,cut experiments are conducted again and the experimental results verify the effectiveness and accuracy of Taguchiapproach and empirical formula approach.

SiCp/Al; high-speed; surface roughness; Taguchi; empirical formula

國家自然科學基金資助項目(51301068);河北省自然科學基金資助項目(E2014502003);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(17MS63);河北省高等學校科學技術研究資助項目(Z2015127)

王進峰(1977-),副教授,博士.E-mail:wjf266@163.com

TH 142-2

A

1672-5581(2017)01-0062-05