球刀铣削钛合金TC11切削力建模与分析_石增祥.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 009球刀铣削钛合金 TC11 切削力建模与分析石增祥1，王哲1，蔡帆2，郝明阳2(1 西安航空职业技术学院航空制造工程学院，陕西 西安710089)(2 西安航天发动机有限公司，陕西 西安710000)摘要:采用球头铣刀侧倾铣削钛合金 TC11，分析了不同工艺参数对切削力的影响规律，利用非线性回归方法建立了切削力预测模型。研究结果表明，对切削力影响最显著的工艺参数是切削宽度，切削力预测模型的平均预测误差是 6 28%。关键词:TC11;铣削;切削力;建模中图分类号:TG707;TH161文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0048 05TC11 钛合金属于典型难加工材料，在铣削加工过程中，切削力会随切削工艺参数(切削速度、每齿进给量、切削深度、切削宽度)的改变而发生变化，导致表面质量难以控制。因此，研究 TC11钛合金铣削过程中切削速度、每齿进给量、切削深度、切削宽度对切削力的影响，具有重要的实用价值。Nithyanandam 等1 讨论了切削速度、进给量、刀尖圆弧半径和切削深度对加工表面质量影响的显著度，方差分析结果表明，进给量对表面粗糙度的影响程度大于切削速度、刀尖半径和切削深度。王明海等2 运用非线性回归方法建立表面粗糙度的拟合公式，利用方差分析方法得出了切削参数单因素对表面粗糙度的影响规律，以最优表面质量为目标得到了工艺参数组合。张运建等3 采用均匀设计法进行钛合金 TC4 的切削实验，利用 MarSur-fM300C 精密型表面粗糙度测量仪测得工件表面粗糙度，基于非线性回归方法建立了表面粗糙度的预测模型，预测模型预测误差低至 0 019%。姚倡锋等4 研究工艺参数对 TB6 钛合金表面粗糙度的影响。表面粗糙度的降低可以通过增加切削速度、减小进给率和铣削宽度来实现。每齿进给量对表面粗糙度的影响最大，其次是铣削宽度和切削速度。Yao 等5 发现铣削加工的工件表面都处于残余应力状态。每齿进给量的增大和切削速度的增加将导致残余应力的增大，这是因为加工变形区域的切削力和温度随着切削速度和进给量的增大而增加。本文主要分析 TC11 钛合金铣削加工过程中工艺参数对切削力的影响规律，为改善 TC11 钛合金铣削加工表面质量提供依据和数据支持。1试验规划与过程1 1试验设计试验材料 TC11 钛合金，名义成分为 Ti 6 5Al 3 5Mo 1 5Zr 0 3Si，是一种 型钛合金耐热钛合金，化学成分见表 16，常温性能参数见表 26。GB/T 29652007 中指出该合金具有良好的热加工工艺性和超塑性，制件的工作条件为:在退火状态可用于 500 以下 500 h 和 550 以下 100 h 以及 450 以下 1 000 h 工作的零件，在强化处理状态可用于 500 以下 100 h 工作的零件和在 700 以下一次性工作的零件。该合金主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片、鼓筒等零件，也可用于制造飞机结构件。表 1TC11 钛合金的化学成分主要成分杂质AlMoZrSiTiFeCNHO58 7028 380 8 2 0020 035余量0250 080050 0120 15收稿日期:2022 08 12基金项目:陕西省教育厅科学研究计划项目(22JK0428);陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JM 304)作者简介:石增祥(1989)，男，讲师，硕士，主要研究方向为数控多轴加工技术，1119307415 qq com842023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6表 2TC11 钛合金性能参数抗拉强度 b/MPa屈服强度 0 2/MPa伸长率 /%收缩率 /%弹性模量 E/GPa1 0419361841124以切削速度、每齿进给量、切削深度、切削宽度为工艺参数输入量，采用四因子五水平的中心复合设计(central composite design，CCD)响应曲面法试验7，试验中各输入工艺因子的编码和水平见表 3，试验组数为 30 组，试验规划和测试结果见表 4。表 3试验因子和水平编码水平210+1+2切削速度 vc/(m/min)A100150200250300每齿进给量 fz/(mm/z)B0020040 06008010切削深度 ap/mmC0200250 30035040切削宽度 ae/mmD0203040 506表 4试验规划和测试结果序号工艺参数切削分力切削合力切削速度 vc/(m/min)A进给量 fz/(mm/z)B切削深度 ap/mmC切削宽度 ae/mmDFx/NFy/NFz/NF/N11500 0402503276746 023251627822500 0402503345255 895965887331500 0802503352057 676193916542500 0802503308949 725334791951500 0403503290435 893036552662500 0403503247944 652700577771500 0803503282260 136462926782500 0803503430169 175239968591500 0402505368576 02972712883102500040 250540968191828912352111500080 250531236191756410261122500080 25053589649360329561131500040 350534387698877312167142500040 350547267438752311587151500080 350532056863105 7313006162500080 350544387725698611322171000060 30042959475357107997183000060 30042418534255228054192000020 30042151497251457472202000100 30044192571261809401212000060 20043424512349717917222000060 400464118137996514374232000060 30022753510944477312242000060 300647678794855813164252000060 30042397621954018699262000060 30042246615054418659272000060 30042438564351868043282000060 30042548584951328188292000060 30042233510951997750302000060 300425896369588490501 2切削力试验测试铣削试验在三轴加工中心上进行。刀具为四刃整体硬质合金 10 mm 球头铣刀，刀具螺旋角30，刀具刃长 11 mm。铣削方式为固定轴顺铣，刀轴倾角为 30，试样尺寸为 50 mm 30 mm 20mm。采用乳化液冷却。采用压电式三向切削力测942023 年第 6 期石增祥:球刀铣削钛合金 TC11 切削力建模与分析试系统对 3 个方向的切削力进行测量，测量范围为0 2 800 N，X 和 Y 方向 Fx和 Fy的灵敏度均为 75 pC/N，Z 方向 Fz的灵敏度为 3 5 pC/N。切削加工现场如图 1 所示，测试结果见表 4，其中切削合力 F 计算公式为:F=F2x+F2y+F2z(1)图 1切削加工现场图2结果分析2 1单因素影响规律工艺参数对切削力的影响规律如图 2 所示。从图2(a)可以看出，切削速度从100 m/min增加到 300 m/min，Fx和 Fz均呈减小趋势，当切削速度大于 200 m/min 后，减小趋势变缓;Fy和切削合力F 先增大后减小。这是因为切削速度在100 m/min到 200 m/min 内时，高速产生的硬化强化效应占主导，而切削速度超过 200 m/min 后，过高的切削速度导致切削温度不易传散，热软化效应增强，导致切削力有所减小。总的来看，切削速度对切削力的影响较小8，不同切削力的变化幅度很小，都在 10N 之内。从图2(b)可以看出，Fx、Fz和切削合力 F随着每齿进给量增大而增加，Fy只出现小范围波动。这是因为每齿进给量的增大会使未变形切屑厚度增加，从而使切削力增加。分析图 2(c)和(d)可知，切削深度和切削宽度对切削力的影响规律相同，3 个不同方向的切削力和切削合力均随着它们的增加而增加;切削深度大于 0 3 mm、切削宽度大于 0 4 mm 后，切削力增加幅度变大。这是因为切削深度的增加会增加未变形切屑厚度，从而导致切削力增加。图 2工艺参数对切削力的影响规律由上述分析可知，切削速度、每齿进给量、切削深度和切削宽度在其各自的参数域内的变化对切削力的影响程度各不相同，其中影响最大的切削宽度，然后是切削深度，最后是每齿进给量和切削速度9。因此，通过切削力优选切削参数时，切削宽度和切削深度必须在较小的范围内选择，而切削速度则可以在经验允许使用范围内选用较大值以保证加工效率。2 2工艺参数交互影响规律工艺参数两两的交互作用对切削力影响规律的等高线图如图 3 所示。从图 3(a)可以看出，切削速度在 150 200 m/min、每齿进给量在 0 06 0 10 mm/z 时获得较大切削力。观察图 3(b)(e)可以看出，切削速度在 150 250 m/min、切削052023 年第 52 卷机械设计与制造工程深度大于 0 3 mm、切削宽度大于 0 4 mm、进给量在 0 04 0 08 mm/z 时获得较大切削力。从图 3(f)可以看出，切削深度为 0 25 0 35 mm、切削宽度大于 0 5 mm，或者切削深度大于 0 35 mm、切削宽度为 0 35 0 45 mm 时，均获得较大切削力，切削力值大于 100 N。图 3工艺参数交互作用对切削力影响规律的等高线图2 3预测模型采用多元线性回归法对测试数据进行拟合，以切削速度、每齿进给量、切削深度、切削宽度的真实值作为响应曲面分析的自变量，切削合力作为输出响应量，建立的多项式预测模型为:F=30344+063vc 19578fz 2 28096ap19 35ac309vcfz043vcap069vcae+7 3136 fzap 4 506 93fzae+625 43apae 1 3E 4v2c+1 756 f2z+2 989 86a2p+520 58a2e2=0 88(2)其中测定系数 2接近于 1，表明回归多项式的预测结果和测试结果接近10。对建立的多项式回归预测模型进行方差分析，验证其可靠性。铣削力预测模型的方差分析表见表 5。由表可知，铣削力预测模型中 P 值小于0 001，表明预测模型显著，可以实现对切削力的预测。表 5铣削力预测模型的方差分析表方差来源平方和自由度均方根F 值P 值模型13 404951400957507890 00A(切削速度 vc)7721007720060 80B(每齿进给量 fz)308 44100308442540 13C(切削深度 ap)811 64100811646680 02D(切削宽度 ae)7 474811007 474816156 0000 1AB153 05100153051260 28AC183310018330150 70AD190 05100190051570 23BC855 82100855827050 02BD1 299991001 2999910710 01CD156 47100156471290 27A22901002900020 88B2135310013530110 74C21 532441001