高速銑削7475鋁合金銑削力試驗研究

劉軍庫，郭 雄

(廣東海洋大學寸金學院，廣東 湛江 524003)

0 引言

銑削加工是以高效率、高質量為主要加工特征的先進制造技術，銑削力是銑削加工過程的一個重要的因素。在高速銑削鋁合金中，減小銑削力可進一步減小變形，故而小的銑削力被越廣泛地應用于鋁合金的銑削加工中。由于高速銑削是一個斷續切除材料的過程，銑削力的變化受綜合作用的影響，因此，基于實際加工的銑削力數據，建立銑削力預測回歸模型，結合試驗分析在不同的銑削參數下的銑削力變化規律，對實際加工生產更具有指導意義。

借助于統計分析方法和相關軟件可以獲取較為實際的切削力模型[1-4]。仇健等[5]采用試驗分析和經驗建模相結合的方法對硬質合金立銑刀高速銑削鋁合金時的銑削力及其變化規律進行了研究，并建立了銑削力指數模型，驗證了模型的準確性。陳博[6]對1Cr18Ni9Ti采用響應曲面法建立了切削力預測模型，試驗結果表明，得到的預測精度較高，并優化了切削參數，降低了切削力。梁永收等[7]采用響應曲面法，建立銑削GH4169高溫合金過程中銑削力的預測模型,并分析了切削參數對銑削力的影響規律。

本文采用響應曲面法(BBD)設計7475鋁合金銑削加工試驗，研究銑削參數(主軸轉速、每齒進給量、軸向切深、徑向切深)對銑削力的影響規律；建立銑削力預測模型，利用響應曲面圖直觀地分析顯著性的銑削參數交互作用對銑削力的影響，為在實際加工生產中銑削參數的選擇提供依據。

1 銑削力參數試驗設計

響應曲面法(Response Surface Methodology，RSM)也稱為回歸設計，它是結合數學、統計學原理以及試驗設計技術，探討影響因子與響應輸出之間的數學關系，建立優化區域的關系模型。本文采用二階響應曲面模型，如式(1)所示：

(1)

其中：y為目標響應變量；β0為常數；βi為xi的斜率；βij為編碼xi和xj的交互影響；βii為編碼xi的二次影響；xi為切削參數編碼;δ為誤差項。

本文以主軸轉速n、每齒進給量f、軸向切深ap和徑向切深ae為自變量，分別用X1、X2、X3、X4表示，對四個切削參數變量應用公式(2)進行編碼：

(2)

其中：Xi為自變量的真實值;X0為試驗中心點處自變量的真實值；ΔX為自變量的變化步長。四銑削因素水平編碼表如表1所示。

表1 四銑削因素水平編碼表

2 試驗條件及過程

試件材料為鋁合金7475，試件尺寸(長×寬×高)為80 mm×40 mm×60 mm，試驗在VMC1000P立式銑削加工機床上進行，采用整體硬質合金立銑刀，直徑D=10 mm，齒數z=4。銑削力測量系統由Kistler 9119AA1型壓電式測力儀、Kistler5080A 8通道電荷放大器、5697A1數據采集器和Dynoware切削力處理系統組成。切削力的大小通過連續20個峰值取平均值得到。銑削方式為順銑，采用乳化液冷卻。機床裝配及切削力測量系統如圖1所示。

圖1 機床裝配及切削力測量系統

3 試驗結果分析

在銑削力試驗中，所測銑削力分為Fx、Fy和Fz，是三坐標軸方向的分力，Fz銑削力影響較小故不對其進行分析，曲面響應試驗結果如表2所示。

表2 曲面響應試驗結果

3.1 銑削力預測模型構建

本文采用逐步回歸的方法建立銑削力模型，即對全部變量按照對模型的影響程度，依次引入回歸方程并進行回歸系數檢驗，去除不顯著變量，得到Fx、Fy的二次多元回歸方程如下:

預測回歸模型適應范圍如下：主軸轉速n=(5 000～11 000) r/min;每齒進給量f=(0.04～0.2) mm/z;軸向切深ap=(0.1～0.3 )mm;徑向切深ae=(2～5) mm。

3.2 回歸模型的方差分析

分別對建立的x、y兩個方向的銑削力Fx、Fy進行回歸模型方差分析，如表3、表4所示。

表3 Fx回歸模型方差分析

表4 Fy回歸模型方差分析

3.2.1Fx、Fy回歸模型的顯著性檢驗

對所建立的銑削力Fx、Fy回歸模型進行顯著性檢驗，以F值和P值為衡量指標：F值越大，P值越小，結果越可靠;如果模型中檢驗項P值小于0.05，則該項是顯著的，否則該項是不顯著的。從方差分析結果可以看出:Fx和Fy回歸模型P<0.000 1，表明所建立的Fx、Fy回歸模型顯著性極高；銑削力Fx回歸模型決定系數R2=0.980，調整的R2=0.972；銑削力Fy的回歸模型決定系數R2=0.961，調整的R2=0.953，說明建立的Fx、Fy回歸模型的擬合程度高且是有效的，可以對銑削力進行分析和預測。

3.2.2 模型分析

圖2是銑削力Fx、Fy預測模型的殘差分布，殘差分布于直線上中間位置的兩側，基本呈正態分布，說明建立的預測模型具有高可靠性。

圖2 銑削力Fx、Fy預測模型殘差分布

3.3 單因素對銑削力的影響分析

單因素對銑削力的影響分析研究銑削參數因素即主軸轉速n、每齒進給量f、軸向切削深度ap和徑向切削深度ae對銑削分力Fx和Fy的影響規律，即銑削分力與任意一個銑削參數之間的關系。

(1) 各參數對銑削力Fx的影響如圖3所示。由圖3可以看出：銑削力Fx隨著主軸轉速的增大逐漸減小，但幅度較小，這是由于7475鋁合金材料屬于易加工材料的緣故；隨每齒進給量和軸向切深的增加，銑削力Fx增加極為明顯，且幅度較大，這是由于每齒進給量增加，單位時間內切除的金屬增加，軸向切深增加切除的金屬體積增大，導致了銑削力增加，所以兩者對銑削力Fx的影響加大；隨徑向切深增加，銑削力Fx增加較小，即其對Fx的影響較小，這與回歸模型方差分析表中的分析一致。

圖3 各參數對銑削力Fx的影響

(2) 各參數對銑削力Fy的影響如圖4所示。由圖4可以看出：銑削力Fy隨著主軸轉速的增大逐漸減小，但幅度較?。浑S每齒進給量和軸向切深的增加銑削力Fy增加極為明顯，且增加幅度較大；徑向切深對銑削力Fy影響不顯著。表明各銑削參數對銑削分力Fy的影響程度不同。

圖4 各參數對銑削力Fy的影響

3.4 各因素交互作用對銑削力的影響分析

響應曲面圖如圖5所示,以此來分析各因數交互作用對銑削力的影響。

圖5 響應曲面圖

由圖5可以看出：每齒進給量f和軸向切深ap、每齒進給量f和徑向切深ae的交互作用對銑削分力Fx影響顯著，且f、ap的影響明顯。從Fy的模型方差分析中可知，參數因數的交互作用對銑削力Fy的影響不顯著，這里不做分析。實際加工中可以采用加大的銑削用量，以增加切除效率。

4 結論

(1) 采用響應曲面法設計與回歸分析,得到銑削力Fx和Fy的預測模型，在銑削參數范圍內，具有高可靠性，可以用來預測和分析高速銑削力。

(2) 通過對單因素分析，每齒進給量、軸向切深對銑削力的影響較為顯著，主軸轉速對銑削力影響較小，徑向切深對銑削力影響不大或不顯著。交互作用的分析表明：軸向切深與每齒進給量、每齒進給量與徑向切深的交互作用對銑削力Fx的影響顯著，對銑削力Fy影響不顯著。