王永鑫１,２,张昌明１,２,３
(１．陕西理工大学机械工程学院,汉中 ７２３０００;２．陕西省工业自动化重点实验室,汉中 ７２３０００;
３．西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安 ７１００４８)
摘 要:采用正交试验法对 TC１８钛合金进行了车削试验,使用直观分析法、经验模型分析法和极差分析法研究了主轴转速、进给深度和切削深度对切削力和表面粗糙度的影响.结果表明:和进给深度、主轴转速相比,切削深度对切削力的影响最大,随着切削深度的增加切削力不断增大;进给深度对表面粗糙度的影响最大,切削深度的影响次之,主轴转速的影响最小;在切削力和表面粗糙度的指数经验模型中,拟合程度较高的为主切削力(Fz)的参数模型,且显著程度相对较高.
关键词:TC１８钛合金;车削加工;切削力;表面粗糙度
中图分类号:TG５１１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００６９Ｇ０５
０ 引 言
TC１８钛合 金 因 具 有 低 密 度、高 强 度、高 淬 透性、高断裂韧性、良好的耐腐蚀性和塑性等优点而在飞机起落架等结构件和大型飞机锻件上得到了广泛应用[１Ｇ４].车削加工是飞机起落架等关键零部件加工的重要工序[４Ｇ５].切削力和表面粗糙度作为车削型并验证了模型的准确性;使用直观分析法、经验模型分析法和极差分析法研究了切削参数(主轴转速、进给深度和切削深度)对表面粗糙度的影响,为提高TC１８钛合金车削加工质量提供试验依据.
１ 试样制备与试验方法
试验材料为 TC１８钛合金(名义成分为 TiＧ５AlＧ５MoＧ５VＧ１CrＧ１Fe)棒,尺寸为?３０mm×１５０mm,化学成分见表１,室温拉伸性能见表２.
采用 CS６１４０型车床对 TC１８钛合金进行车削加工试验,使用９２５７B 型三向测力仪测试切削力,车削装 置 和 切 削 力 测 量 系 统 如 图 １ 所 示. 采 用TR２１０型手持式表面粗糙度测量仪在 TA６２０型测量平台上测量试样的表面粗糙度正交试验参数和结果如表３所示.
车削加工过程中切削力的计算公式[１７]为
式中:F 为切削力;CF 为加工条件系数;n 为主轴转速;f 为进给深度;ap 为切削深度;b１ 为主轴转速的影响因素;b２ 为进给深度的影响因素;b３ 为切削深度的影响因素.
用SPSS软件对式(１)进行自定义,将试验数据代入式(１),采用最小二乘回归方法进行拟合分析,确定公式中的CF,b１,b２,b３,得到车削加工过程中的切削力计算模型为
使用F 检验法[７]对模型拟合度进行检验,并进行显著性分析.由单因素主效应分析得到Fx,Fy,Fz 经验模 型 所 对 应 的 F 值 分 别 为 ０．０５８,０．５２６,１１．６９１[７].由FＧ分布临界统计表中统计量P(F＞F１－α)＝α,取水平α 为 ０．０２５[７,１０,１７],在 F~F(k,n－k－１)分布中,k 为分子自由度,n 为试验次数,n－k－１为分母自由度,由于有三因素共九组试验,因此自由度为(３,５).故查询FＧ分布临界值表得到F０．０２５(３,５)＝７．７６.而只有 Fz 所对应的F 值大于
７．７６,因此Fz 的指数经验模型显著程度最高.使用t检验法[７,１７]对三因素进行检验,其自由度为n－k－１＝５,选取水平α 为０．０２５,根据t检验临界值表[７,１７]选取标准分析值t０．０２５(５)＝２．５７１进行比较.由表４可知,针对拟合性较弱的Fx 和Fy 两个经验模型,t 值最大的参数分别为主轴转速和切削深度,说明两个参数分别在其模型中具有较高的显著程度,然而通过与标准值的显著性比较可看出,两者的t值低于标准值,因此Fx 与Fy 模型中各参数显著性均没有统计意义;针对拟合性较强的 Fz经验模型,切削深度所对应的t值远大于其他参数及标准值,因此 Fz 模型中切削深度比主轴转速和进给深度有更显著的影响.
２．２ 切削力随切削参数的变化
由图３(a)可以看出:随着主轴转速的增加,沿x 和y 方向 切 削 力 均 先 降 后 升,沿z 方 向 切 削 力持续降低,但降低趋势逐渐趋于平缓,整体切削力呈现下降 趋 势.这 是 因 为 随 着 主 轴 转 速 增 加,切削速度提高,由 此 导 致 切 削 温 度 上 升 从 而 使 工 件的剪切屈服强度降低,造成摩擦因数减小,剪切角增大,变形系数减小,最终导致切削力降低[１８];较高主轴转速 造 成 切 削 温 度 升 高,工 件 强 度 和 硬 度下降,导致切削力降低.随着主轴转速继续上升,积屑瘤处于消退期,沿x 和y 方向变形系数不断上升,导致切屑的惯性力变大,使沿x 和y 方向的切削力增大[１９].从图３(b)可以看出:随着进给深度的增加,沿z 方向的切削力持续增大,沿y 方向的切削力不断下降,沿x 方向的切削力先降后增,整体切削力呈现增大趋势.这是因为随着进给深度增大,切削厚度增加造成切削面积增大,导致工件变形抗 力 增 大,使 切 削 力 增 大.当 进 给 深 度 较小时主切削 力 较 小,能 有 效 提 高 加 工 表 面 质 量 并减少刀具磨损[５].由图３(c)可以看出:随着切削深度的增加,沿x 和y 方向的切削力均先降后增,沿z方向切削力持续增大,整体切削力呈现增大趋势.
这是因为随着切削深度增大,切削宽度增加造成切削面积增大,导致切削力不断增大,因而选择合适的切削深度可以优化加工方案.由图３还可以看出,在不同的主轴转速、进给深度、切削深度条件下,沿z 方向的切削力均最大,沿y 方向的切削力次之,沿x 方向的切削力最小.
２．３ 表面粗糙度试验结果
TC１８钛合金在９组参数下车削加工后的表面粗糙度 分 别 为 １．２３５,３．２６６,３．３５５,３．１７１,３．５０２,２．０５６,１．７９８,３．６４７,３．２１７μm.
由表５可以看出:随着主轴转速、进给深度、切削深度的增加,TC１８钛合金车削加工后的表面粗糙度均呈现先增后降的变化趋势;进给深度对表面粗糙度影响最大,切削深度的影响次之,主轴转速的影响最小.
根据文献[７],建立指数模型如下:
式中:Ra 为表面粗糙度;k 为加工条件系数;c１ 为主轴转速的影响因素;c２ 为进给深度的影响因素;c３为切削深度的影响因素.用SPSS分析软件对式(３),进行自定义,将试验数据代入式(３),采用最小二乘回归法进行拟合分析,确定公式中的k,c１,c２,c３,得到车削加工后表面粗糙度计算模型为
利用F 值检验法计算得到表面粗糙度经验模型对应的F 值为０．９６８,远低于FＧ分布临界检验值F０．０２５(３,５)＝７．７６,因此可知其显著性和曲线拟合程度并不高;计算得到主轴转速、进给深度、切削深度对应 的t 值 分 别 为tA ＝０．４７６,tB ＝１．３３５,tC ＝０．９４５,比较发现tB ＞tC ＞tA,由此可见进给深度对表面粗糙度的影响最大,切削深度的影响次之,主轴转速的影响最小.根据显著性原理结合t值检验法分析可知,进给深度所对应的t值较大,对比临界标准分析值t０．０２５(５)＝２．５７１可知,进给深度虽对表面粗糙度的影响较为显著,但显著程度较低.综上,控制和优化进给深度可以在一定程度上降低表面粗糙度,也可以降低刀具的磨损以延长其使用寿命,从而获得加工表面质量更好的工件.
由表６可以看出,进给深度对表面粗糙度影响最大,切削深度的影响次之,主轴转速的影响最小,这与直观分析和建立经验模型方法得到的结果一致.
３ 结 论
(１)在对 TC１８钛合金进行车削加工中,和进给深度、主轴转速相比,切削深度对切削力的影响最大,随着切削深度的增加切削力不断增大.
(２)进给深度对表面粗糙度的影响最大,切削深度的影响次之,主轴转速的影响最小.控制和优化进给深度可以较好降低表面粗糙度,提高 TC１８钛合金车削加工表面质量.(３)在切削力和表面粗糙度的指数经验模型中,拟合程度较高的为Fz 的参数模型,且显著程度相对较高.