砂帶磨削鈦合金表面粗糙度工藝參數(shù)的敏感性研究＊

伍婭 喬 虎 曹巖

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

表面粗糙度是表面完整性最重要的評價(jià)指標(biāo)之一，其值的大小對構(gòu)件的耐磨性能、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能等具有重要的決定作用[1]。鈦合金作為典型的高強(qiáng)度合金材料，具有耐腐蝕性良好、密度小、減震性能穩(wěn)定以及比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但是在砂帶磨削鈦合金表面加工中，在磨粒的擠壓作用下容易產(chǎn)生塑性變形、加工硬化以及微裂紋等現(xiàn)象，從而影響磨削表面質(zhì)量，這與磨削工藝參數(shù)緊密相關(guān)[3]。國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金加工表面完整性進(jìn)行了許多研究。

Khellouli A 等對砂帶磨削的磨損機(jī)理及接觸輪與工件之間的彈性接觸進(jìn)行了研究，并分析了工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響[4]。Bigerelle M 等建立了砂帶磨削的磨損機(jī)理模型，并研究了工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響[5]。李婕等基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立表面粗糙度的預(yù)測模型，并采用遺傳算法和粒子群算法對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳工藝參數(shù)組合[6]。上述研究大多針對工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響分析，對于可參考的砂帶磨削工藝參數(shù)調(diào)整范圍較少，因此，有必要進(jìn)行砂帶磨削鈦合金表面粗糙度加工參數(shù)敏感性的研究。

本課題主要內(nèi)容如下：首先，在分析砂帶磨削工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，建立了表面粗糙度靈敏度數(shù)學(xué)模型；其次，分析了工藝參數(shù)區(qū)間敏感性，確定了工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域；最后，提出了確定工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間的方法，確定了砂帶磨削工藝參數(shù)的優(yōu)選區(qū)間。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

支撐本課題實(shí)驗(yàn)所用到的恒壓力砂帶磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 恒力砂帶磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

砂帶磨削試驗(yàn)臺(tái)主要由轉(zhuǎn)速可調(diào)的砂帶機(jī)、夾持裝置、壓力傳感器和由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控導(dǎo)軌組成。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速可改變砂帶的線速度，壓力傳感器可實(shí)時(shí)測量試件與接觸輪之間的壓力并反饋給控制軟件，從而控制數(shù)控導(dǎo)軌按照一定的速度前進(jìn)或后退，進(jìn)而保持試件與接觸輪之間的接觸壓力不變。

此外還需要用到的儀器有ZeGage?光學(xué)輪廓儀，采用非接觸式的方法，用以測量試件的表面粗糙度。

1.2 試驗(yàn)材料

試件材料為鈦合金TC4，尺寸為：15 mm×40 mm（直徑×長度）。所用到的砂帶參數(shù)如表1 所示。

表1 砂帶參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

本課題研究工藝參數(shù)（砂帶粒度P、砂帶線速度Vs、磨削壓力F、表面粗糙度Ra）的影響，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)進(jìn)行，以分析不同工藝參數(shù)的交互作用所產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果表

2 表面粗糙度工藝參數(shù)敏感度分析

首先通過建立表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式，對砂帶磨削表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度進(jìn)行分析，得到磨削表面粗糙度與工藝參數(shù)之間的靈敏度關(guān)系，從而對敏感的工藝參數(shù)進(jìn)行靈敏度計(jì)算，得到表面粗糙度變化平緩的工藝參數(shù)敏感性區(qū)間。

2.1 表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式的建立

表面粗糙度與工藝參數(shù)之間的指數(shù)模型為

式中：Ra 為表面粗糙度；P為磨料粒度；Vs為砂帶線速度；F為磨削壓力；K為比例系數(shù)；α、β、γ為對應(yīng)參數(shù)的指數(shù)。

由式（1）結(jié)合表2 的正交試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用多元線性回歸分析法，求得砂帶磨削鈦合金表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式為

對式（2）分別采用F 檢驗(yàn)法和相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。F=35.137＞F0.05(3,9)=3.86；相關(guān)系數(shù)R2=0.954 7，一般地，相關(guān)系數(shù)絕對值在0.8～1 范圍內(nèi)，可判斷回歸自變量與因變量具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。通過以上兩種方法的檢驗(yàn)，均表明所建立的表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪秋@著的。

2.2 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析

2.2.1 靈敏度模型計(jì)算

表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度表示表面粗糙度對單一工藝參數(shù)變化的敏感程度或稱為變化率[7]。

根據(jù)靈敏度的數(shù)學(xué)定義，表面粗糙度對工藝參數(shù)（磨料粒度、砂帶線速度、磨削壓力）的靈敏度模型表示為

由于式（2）是根據(jù)正交試驗(yàn)獲得的，其初始設(shè)定的工藝參數(shù)組合為離散點(diǎn)，因此在計(jì)算S RaP、S RaVs、S RaF時(shí)，P、Vs、F的取值為試驗(yàn)所選參數(shù)的平均值，即為。

由式（3）可得表面粗糙度對磨料粒度、砂帶線速度、磨削壓力的靈敏度模型為

2.2.2 靈敏度曲線分析

由式（5）得到的表面粗糙度對磨料粒度、砂帶線速度、磨削壓力的靈敏度曲線如圖2 所示。

由圖2a 可知，在磨料粒度區(qū)間[80#，120#]的靈敏度值大于區(qū)間[120#，150#]，即在磨料粒度從120#變化到150#時(shí)，其表面粗糙度的變化比較平緩。由圖2b 可知，在砂帶線速度區(qū)間[10 m/s，15 m/s]的靈敏度值大于[15 m/s，20 m/s]區(qū)間，即當(dāng)砂帶線速度值從15 m/s 變化到20 m/s 時(shí)，其表面粗糙度值的變化平緩。由圖2c 可知，在磨削壓力區(qū)間[5 N，10 N]的靈敏度值大于[10 N，15 N]區(qū)間，即當(dāng)磨削壓力從10 N 變化到15 N 時(shí)，其表面粗糙度值的變化平緩。

圖2 表面粗糙度的靈敏度曲線

2.2.3 工藝參數(shù)穩(wěn)定域與非穩(wěn)定域

表面粗糙度工藝參數(shù)的穩(wěn)定域是指表面粗糙度的變化對工藝參數(shù)的變化不敏感的參數(shù)范圍，非穩(wěn)定域是指表面粗糙度的變化對工藝參數(shù)的變化敏感的參數(shù)范圍。

對于n個(gè)因素（N1,N2,···,Nn）、m個(gè)水平（M1,M2,···,Mm）的正交試驗(yàn)，提出工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域的劃分方法：（1）根據(jù)靈敏度曲線，對因素Np（p=1,2,···,n），計(jì)算靈敏度值在[M1,M2]、[M2,M3]等m-1 個(gè)水平區(qū)間內(nèi)的變化幅度值，記為A1,A2,···,Am-1；（2）計(jì)算m-1 個(gè)靈敏度值變化幅值A(chǔ)1,A2,···,Am-1的平均值為，定義Aj（j=1,2,···,m-1）＞的區(qū)域?yàn)榉欠€(wěn)定域，Aj＜的區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定域[7]。

根據(jù)表面粗糙度分別對磨料粒度、砂帶線速度、磨削壓力的靈敏度曲線，獲得本課題實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)磨料粒度、砂帶線速度、磨削壓力的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域如表3 所示。

表3 工藝參數(shù)穩(wěn)定域與非穩(wěn)定域

3 工藝參數(shù)區(qū)間優(yōu)選

基于表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析，并結(jié)合原始正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析，砂帶磨削鈦合金表面粗糙度的工藝參數(shù)區(qū)間優(yōu)選步驟如下。

（1）由式（5）的表面粗糙度靈敏度模型可知，表面粗糙度受磨料粒度的變化最為敏感，受磨削壓力的變化敏感則次之，受砂帶線速度的變化敏感度最小。

（2）確定磨料粒度和磨削壓力的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域，如表3 所示。

（3）通過正交試驗(yàn)的極差分析法，得到圖3所示的敏感工藝參數(shù)（磨料粒度、磨削壓力）在穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域時(shí)表面粗糙度的變化范圍；還可以得到非敏感工藝參數(shù)（砂帶線速度）在所選取參數(shù)內(nèi)的變化范圍。

由圖3a 可知，磨料粒度穩(wěn)定域表面粗糙度值在0.488～0.539 μm，非穩(wěn)定域表面粗糙度值0.539～0.699 μm；隨著磨料粒度的增大，表面粗糙度值減小。

由圖3b 可知，砂帶線速度穩(wěn)定域表面粗糙度值在0.555～0.570 μm，非穩(wěn)定域表面粗糙度值0.570～0.602 μm；隨著砂帶線速度的增大，表面粗糙度值減小。

由圖3c 可知，磨削壓力穩(wěn)定域表面粗糙度值在0.498～0.529 μm，非穩(wěn)定域表面粗糙度值0.529～0.700 μm；隨著磨削壓力的增大，表面粗糙度值減小。

圖3 粒度、線速度、壓力對粗糙度的影響

最后，為了得到穩(wěn)定的磨削表面粗糙度，選擇的砂帶磨削鈦合金TC4 工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間如表4 所示，該優(yōu)選區(qū)間能夠保障較穩(wěn)定的表面粗糙度。磨料粒度在非穩(wěn)定域內(nèi)的表面粗糙度波動(dòng)范圍小于穩(wěn)定域，所以，磨料粒度優(yōu)選區(qū)間選擇非穩(wěn)定域。如果要進(jìn)行參數(shù)值調(diào)整，需進(jìn)一步計(jì)算它們的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。

表4 工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間

4 結(jié)語

（1）由顯著性檢驗(yàn)可知，所建立的砂帶磨削鈦合金表面粗糙度指數(shù)模型的置信水平在95%以上，相關(guān)系數(shù)為0.954 7，因此，所構(gòu)建的模型準(zhǔn)確可靠。

（2）鈦合金TC4 在砂帶磨削條件下，表面粗糙度受磨料粒度的變化最為敏感，受磨削壓力的變化敏感度次之，受砂帶線速度的變化敏感度最小。

（3）獲得磨削參數(shù)的優(yōu)選區(qū)間：砂帶粒度從120#～150#，砂帶線速度從15～20 m/s，磨削壓力從10～15 N，可以使表面粗糙度控制在0.57 μm 以內(nèi)。