基于正交设计的高速铣削钛合金切削力试验研究

基于正交设计的高速铣削钛合金切削力试验研究

钛合金具有强度高、热强度高、抗疲劳防滑、高温（低于500c）抗腐蚀性好等优点，为钛和钛合金带来了很大发展。钛合金最初应用于航空航天的飞行器和发动机零件的制造,现在包括石油、化学、食品加工、医疗器械、核工业、汽车和船舶工业等工业部门的钛合金应用也得到了发展。但钛合金同时具有导热系数小、高温化学活性高、弹性模量低、摩擦系数大等特性,导致其加工性能差。钛合金的切削加工通常都在低速、低效和大量使用冷却液的条件下进行,这与当前高速、高效和环保加工的趋势相悖。因此,钛合金的高速、高效绿色切削加工成为国内外研究的热点。作为高速切削机理研究中的关键问题,高速动态切削力的预报是一个相当复杂的问题。高速铣削是一个断续切削的过程,在周期性机械冲击载荷、刀具磨损和切屑变形等因素的综合作用下,根据几何方法建模所获得的铣削力模型往往与真实铣削力变化规律有较大差别,甚至偏离。因此基于现场真实数据的统计回归数学模型则成为准确性较好的高速切削力研究手段。研究高速切削条件下,切削力的变化规律和切削用量对切削力的影响,对于揭示高速切削过程的切削变形机理、改善工件的表面质量和提高刀具寿命等具有重要的理论意义和实际应用价值。本文通过PCD刀具高速端面铣削钛合金TA15试验,研究了钛合金材料在高速加工中切削力的变化规律,详细分析了高频分量和切削用量对动态切削力的影响,建立了动态铣削力与切削用量之间的数学预测模型,并对其进行了方差分析,验证了该模型的可靠度。1切削力切削力来源主要有两个方面:一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力;二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。因此切削力主要来源于变形和摩擦,影响变形和摩擦的因素是切削用量及刀具角度。首先研究切削用量对切削力的影响,为了定量地研究切削用量对切削力的影响,需建立切削力经验公式。在机床特征和刀具几何参数确定的前提下,根据金属切削原理,影响切削力F的3个主要因素是轴向切深ap、每齿进给量fz和切削速度v。F和ap,fz,v之间的关系为F=CFaxFpfzyFvzF(1)F=CFaxFpfzyFvzF(1)对式(1)两边取对数,得logF=logCF+xFlogap+yFlogfz+zFlogv若令y=logF,U0=logCF,U1=xF,U2=yF,U3=zF,则方程变为回归设计的目的就是求出式(1)中的系数CF及指数xF,yF,zF。式(2)可以表示为输入变量要进行编码处理,以消除变量单位,为此,要求对3个变量进行因素水平编码,以方便试验设计,编码公式为因素水平编码如表1所示。2试验设计及结果采用MikronUCP710五坐标高速加工中心进行高速铣削试验,工件材料为TA15钛合金,热处理状态为退火,其名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V,其化学成分和物理力学性能分别见表2,3。聚晶金刚石(PCD)刀具采用瑞典山高公司产品:刀杆型号为R217.69-2020.0-09-2A,刀片型号为XOEX090304FR(PCD20,金刚石平均粒径为10μm),刀具几何参数以及切削条件详见表4。本文中所有试验铣削方式均采用顺铣,冷却方式采用空气油雾冷却。本文重点研究PCD刀具高速铣削钛合金TA15时的切削力,分析切削用量(切削速度v,每齿进给量fz,轴向切深ap)对其的影响规律。首先安排单因素试验,分析高频分量和切削要素对切削力的影响。然后选用3因素2水平的正交试验设计,选取L8(27)正交表,x1,x2,x3分别为切削速度v,每齿进给量fz,轴向切深ap,表中还有剩余项,用来考察v,fz,ap间的交互作用,这些列由前三列相乘而得,如表5所示。最后对试验结果进行回归分析,建立切削用量与切削力之间的经验模型,并通过方差分析验证模型的可靠度。3结果与讨论3.1高频振动引起的铣削力图1所示为Kistler9265B型测力仪所测得的v=200m/min,ap=0.5mm,fz=0.05mm时典型铣削力信号图。从理论上来说,在不考虑振动的情况下,镶齿铣刀铣削加工中铣削力应近似为三角形的脉冲力,刀具没有切入工件时,铣削力应为零,刀具从切入工件到切出,动态铣削力应从零增加到最大,然后逐渐减小到零。而实际所测量到的铣削力是带有高频振动力,图1用PCD刀具加工TA15钛合金时,在刀具磨损初期,用Kistler9265B动态测力仪测量到的动态铣削力的时域采样图。从图中可以看出,高速铣削钛合金时铣削力中带有高频振动成分。这是由于刀齿周期性地撞击工件,相当于刀具对工件施加周期的脉冲冲击,周期的冲击引起刀具——工件振动,振动又引起铣削厚度变化,铣削厚度的变化又引起了铣削力的变化。图2是对铣削力Fx进行的频谱分析;图3是刀具磨损VB=0.35mm时的铣削力频谱分析。说明高频振动贯穿于刀具磨损的全过程。与硬质合金刀具相比,PCD刀具高频分量的幅值要小,这可能是因为与硬质合金刀具相比,PCD刀具的摩擦系数小,与钛合金材料有较小的亲和力,导致高速切削时其冲击要小于硬质合金刀具。在1.5kHz左右存在一组特征频率,其高频振动幅值随着刀具磨损的增加而增大,这一现象对于刀具磨损的在线监测具有一定的指导意义。3.2超声检测由试验测得的各向切削分力Fx,Fy,Fz以及换算得出的对应刀具坐标系中的瞬时切向分力Ft与每齿进给量的关系如图4,5所示。由图4可以看出,Fx是Fx,Fy,Fz中最大的一个分力,由于试验采用的是顺铣,Fx是两分力之和,而Fy为两分力之差。由图4可以看出,PCD刀具高速切削TA15时的切削力大约在50～300N之间,与文献测得的力大小相近,远远小于硬质合金刀具高速切削钛合金时的切削力。由图4,5可以看出,在较低的速度范围内(v<100m/min),切削力随着切削速度的提高有明显的小幅上升。在中高速范围内(v=100～300m/min),随着切削速度的增加,切削力变化不大,而当切削速度继续增大、超过300m/min时,随着切削速度的增大切削力呈现下降趋势。这主要是因为:PCD刀具在高速切削TA15钛合金的条件下,切削速度对切削力的影响表现为一个应变强化和高温软化相抗衡、此消彼长的过程。在相对较低的速度范围内,应变和应变率强化的作用大于由切削温度增加而产生的热弱化作用,使得切削力增大,但由于应变和应变率强化的作用仍相对较弱,切削力变化不大。而在中等的切削速度范围(v=100～300m/min),应变和应变率强化对切削力的正影响作用与剪切角的增大以及热软化对切削力的负影响作用相平衡,切削力基本保持不变;随着切削速度的进一步增大,超过300m/min时,热软化作用占主导地位,导致刀具与工件间的摩擦系数降低,从而使得变形系数减小,即剪切变形区附近的钛合金晶粒在剪切面上的变形将变得更容易,最终结果表现为切削力的下降。而文献利用硬质合金刀具高速铣削TA15时,当切削速度大于300m/min,随着速度的增加切削力成增大趋势,PCD刀具则恰恰与此相反,这可能是由于在速度大于300m/min时,硬质合金刀具比PCD刀具具有更差的导热性,导致切削温度迅速升高,从而导致刀具急剧磨损,最终导致切削力上升。3.3未进给量fy和fy由试验测得的各向切削分力Fx,Fy,Fz以及换算得出的Ft与每齿进给量的关系如图6,7所示。从图6,7中可以看出,切削分力Fx和刀具坐标系中的切向分力Ft都随每齿进给量的增大而增大。这是因为随着每齿进给量fz增大,切削厚度增大,而切削宽度不变,这时剪切面积按比例增大,使得前刀面上的法向力随之增加,与此同时,随着每齿进给量增大,切屑的平均变形系数变小,单位切削力降低,其结果是减缓主切削力随fz的增大趋势。因此,进给量fz增大一倍,切削力约增加70%～80%。而Fy和Fz随每齿进给量的增加变化不大,这主要是因为在进给过程中,Fz没有位移所以没有做功因此变化不大。随着进给量的增加,切削力增大,Fy也随之增大,而刀具切削时,由于刀具与工件的相对运动及刀具几何形状的关系,有一小部分金属未被切下来而残留在加工表面上。残留部分对刀具副后刀面的圆弧处产生挤压力,与切削层金属、切屑对刀具的挤压力方向相反,可以部分抵消,而且随着进给量的增加,残留面积也增大,故残留部分对刀具的挤压力也会增大。这在切削钛合金时尤为明显,这与钛合金TA15的弹性模量较低、受力时回弹较大有关。由于以上几方面因素对Fy的影响相互抵消,使其变化并不显著。3.4轴向切深的影响由试验测得的各向切削分力Fx,Fy,Fz以及换算得出的切向分力Ft与轴向切深的关系如图8,9所示。从图8,9中可以看出,所有的切削力都随轴向切深ap的增大而增大。这是因为随着轴向切深ap增大,切削宽度也增大,剪切面面积和切屑与前刀面的接触面积按比例增大,第一变形区和第二变形区的变形与摩擦相应增大。当轴向切深增大一倍时,切削分力Fx和刀具坐标系中的径向分力Ft也约增大一倍。而随着切削深度的增加,钛合金的弹性模量较小,导致回弹量加大,致使切削力Fy和Fz均增加。3.5切削力估计矩阵在回归正交试验数据的基础上,采用最小二乘法原理对预测模型(1)的回归系数进行参数估计,即B=(XΤX)-1XΤY(5)式中:B为所估计参数矩阵;X为独立输入变量的设计矩阵;Y为由切削力测量值所计算得到的径向切削力值的矩阵。经过计算可以得出,径向切削力与轴向切深、每齿进给量和切削速度之间的关系,其得到的多元回归模型可以表示为ˆy=3.411+0.984x1+0.505x2-0.036x3(6)式(6)可以变换为如下形式Ft=2576.321a0.984pf0.505zv-0.036(7)3.6显著性检验pse采用方差分析技术对回归模型的显著性进行检验。为此,对构造的统计量进行F检验,即F=SR/pSe/(n-p-1)∼F(p,n-p-1)式中:SR为回归平方和;Se为残差平方和;p为SR的自由度;n-p-1为Se的自由度。在给定的显著性水平T下,若F>F1-α(p,n-p-1),即认为回归模型可信。计算结果如表6所示。查F分布表可得,F0.01(1,6)=13.75,则F=SR/pSe/(n-p-1)=0.887/10.003/6=1540.93因为F=1540.93>F0.01(1,6)=13.75,所以,回归方程(7)在T=0.01水平上高度显著。结果表明,在显著性水平0.01下切削力与轴向切深、每齿进给量和螺旋角之间确有线性关系,模型的回归系数达0.99,拟合优度良好。4基于统计回归的测量结果分析通过PCD刀具高速切削钛合金TA15系统试验研究了切削力与切削用量之间的特征规律,得出了以下结论:(1)PCD刀具高速铣削TA15时,高频分量和振动冲击对切削力波形有显著影响,在1.5kHz左右存在一组特征频率,其高频振动幅值随着刀具磨损的增加而增大,因此,可利用这一现象进行刀具磨损的在线监测。(2)PCD刀具高速切削TA15钛合金时,对切削力有显著影响的主要因素为轴向切深ap、每齿进给量fz。轴向切深、每齿进给量和切削速度对切削力的影响显著性依次下降,因此综合考虑降低切削力和提高加工效率,加工中应当首先选择高的切削速度