鈦合金薄壁件銑削試驗及相關銑削力模型的研究

葛茂杰，杜永斌，李 斌，王 敏，馬媛媛

(煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264006)

0 引言

鈦及鈦合金從20世紀50年代發展至今，由于其優越的性能，被稱為“未來的金屬”，在航空、航天、石油、電力、醫療、化工等工業部門中得到越來越廣泛應用[1]。近30年來，在國際航空工業產品中，鈦合金及其他新型材料正逐步代替鋼及鋁合金，鈦合金材料在飛機材料構成中的比例上升了200%以上[2-3]。然而，航空用鈦合金薄壁件由于其零件結構形狀普遍比較復雜，外形協調性要求高，加工過程中金屬去除量大(一般在80%以上)，故而相對剛度較低，加工工藝性差，容易出現讓刀、變形、振動等一系列問題，導致加工質量難以控制，嚴重時會導致工件報廢，制約了其發展[4-5]。

本文以典型鈦合金側壁特征試驗件的銑削加工為研究背景，設計以軸向切深ap、切削速率vc、每齒進給量fz和徑向切深ae為試驗因素[6]的四因素-四水平正交銑削試驗，建立切削力和粗糙度經驗分析模型，并結合銑削實驗對切削過程中的相關物理量進行分析，為以后航空用鈦合金薄壁件的實際加工制定科學的加工工藝提供理論指導和應用保障。

1 鈦合金薄壁件正交試驗設計

1.1 工件材料

本試驗采用鈦合金Ti6Al4V板材，工件示意圖見圖1，其尺寸規格為：高度H=25 mm、長度L=80 mm、厚度h=4 mm。銑削時工件的底部和測力儀通過壓板固定連接，刀具對工件中部的側壁進行銑削，圖2為裝夾方案。

1.2 刀具參數

刀具采用金鷺整體式硬質合金銑刀DXTIZY5GWT/20*40*60R3，銑刀的相關幾何參數如表1所示。

1.3 試驗設備

機床為DMG DMC 635V數控加工中心；測力儀采用YDCB-III05高頻響三維動態測力儀；電荷放大器采用YE5850動態應變放大器；數據采集采用PCI-9118數據采集裝置。切削力測試系統組成框圖如圖3所示。

圖1 側壁銑削工件示意圖

圖2 側壁特征試件的銑削性能測試裝夾方案

刀具直徑Do(mm)芯厚直徑Di(mm)齒數z徑向前角a(°)螺旋角c(°)徑向后角b(°)20105103612軸向后角Ar(°)圓角半徑Rc(mm)切削刃圓角半徑r(mm)槽底圓弧半徑Rf(mm)后刀面寬度wol(mm)刀具長度L(mm)1030.043360

1.4 測試坐標系

圖4為使用DMC 635V數控加工中心時測力儀、工件、刀具的相對位置及刀具的進給方向，圖中的坐標系指示銑削時測力儀受力的正方向。

圖3 切削力測試系統組成框圖

圖4 測力儀正方向坐標系

1.5 正交試驗參數設計

表2為正交試驗因素參數設置，ap為軸向切深、vc為切削速率、fz為每齒進給量、ae為徑向切深。

表2 正交試驗因素參數設置

2 銑削試驗結果

采集到的銑削性能數據有切削力、表面粗糙度、加工變形等，由于數據形式的多樣性和不穩定性，首先需要進行必要的數據處理。

2.1 切削力數據

對獲得的測試數據進行記錄及分析，對三個方向穩定切削1 s獲得的100個銑削力數據點的較大值分別求和取平均作為平均最大銑削力數值。

表3 鈦合金薄壁件正交銑削試驗表及結果

2.2 表面粗糙度數據

針對進給方向利用粗糙度儀進行表面粗糙度測試，采集輪廓算術平均偏差Ra。

使用數碼電子顯微鏡拍攝工件已加工表面圖片，圖片中測得的工件已加工表面的波紋間距值以及使用粗糙度儀測得的工件已加工表面的粗糙度值如表4所示。

表4 波紋間距及粗糙度數值

3 銑削力和粗糙度經驗公式

為了更好地深入分析銑削過程，對所測得的實驗數據進行線性回歸分析。通過平均剛性力模型，切削力簡化為只與切削系數相關的指數函數：

(1)

其中：C為與裝夾特性、刀具和工件本身固有屬性、切削環境等有關的系數；a1～a4為指數系數。

利用線性回歸分析方法，使用MATLAB多元線性回歸程序，可以獲取切削力經驗公式：

(2)

(3)

(4)

同理，可得到粗糙度經驗公式為：

(5)

4 極差分析結果

對切削力和表面粗糙度進行相關極差分析[7]，分析結果見表5和表6。各因素中對切削力影響最大的是每齒進給量fz, 其次是徑向切深ae、切削速率vc，影響最小的是軸向切深ap。同樣，對粗糙度影響最大的也是每齒進給量fz，但其余各因素徑向切深ae、切削速率vc和軸向切深ap對粗糙度的影響程度基本相同。

表5 銑削力極差分析

圖5為正交試驗各因素對銑削力的影響。由圖5可知：各銑削參數對銑削力的大小均有一定的影響，但是影響程度各不相同；切削速率vc和軸向切深ap的總變化范圍較小，而每齒進給量fz的總變化范圍較大，表明對于鈦合金薄壁件來說，每齒進給量fz越大，切削力值越大，粗糙度值越大；隨著徑向切深ae的增加，切削力跟粗糙度呈線性上升趨勢。

因此，在鈦合金薄壁件銑削加工中，為了降低切削過程中的切削力，提高加工表面質量，降低表面粗糙度，應該選用低的每齒進給量和徑向切深，應用適中的切削速度和軸向切深，最終可獲得更好的加工穩定性和工件質量。

表6 粗糙度極差分析

圖5 正交試驗各因素對銑削力的影響

5 結束語

(1) 本文從鈦合金薄壁件機械加工性能入手,設計鈦合金薄壁件四因素四水平回歸正交銑削試驗。

(2) 通過獲得的切削力跟粗糙度值，建立鈦合金薄壁件的切削力經驗公式和粗糙度經驗公式。

(3) 通過對銑削力的極差分析，并對各銑削參數對切削力的影響因素進行分析，為后續的試驗研究(關于加工效果、加工質量等)做好準備。