高速銑削7050-T7451鋁合金表面粗糙度研究

黃曉明，孫 杰

（山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

7050-T7451鋁合金屬于 Al-Zn-Mg-Cu系列合金，具有強(qiáng)度高、斷裂韌度大、抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，降低飛機(jī)的空重，是航空航天工業(yè)應(yīng)用最廣泛的鋁合金材料之一，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)整體框、梁、壁板、長緣條等整體結(jié)構(gòu)件［1－2］.

高速銑削能獲得較高的材料去除率、很高的加工精度和良好的加工表面質(zhì)量，因此在現(xiàn)代制造業(yè)中受到普遍重視［3］.表面粗糙度輪廓算數(shù)平均偏差（Ra）是高速精加工表面質(zhì)量指標(biāo)中的一個(gè)重要評(píng)價(jià)參數(shù)，粗糙度值的大小直接影響著零件的耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性，同時(shí)也影響著零件的裝配精度和質(zhì)量.影響表面粗糙度的因素很多，其中切削用量的選取是主要因素，特別是各切削用量值之間的匹配關(guān)系對(duì)加工表面粗糙度尤為重要.目前因銑削工藝參數(shù)選擇不當(dāng)而造成零件加工質(zhì)量較差、加工效率較低的情況還比較嚴(yán)重，因此如何選擇合理的銑削參數(shù)以降低鋁合金的加工表面粗糙度，保證加工質(zhì)量就顯得尤為重要.

本文通過正交試驗(yàn)研究分析銑削參數(shù)對(duì)7050－T7451鋁合金表面粗糙度的影響規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)鋁合金航空材料的高效、經(jīng)濟(jì)加工提供可靠的依據(jù).

1 R a經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)的確定

在高速銑削加工中，切削參數(shù)主要有：切削速度、進(jìn)給量、軸向切削深度和徑向切削深度.根據(jù)金屬切削原理研究，在機(jī)床特征和刀具幾何參數(shù)確定的前提條件下，表面粗糙度與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系［4－5］，設(shè)定本試驗(yàn)的銑削表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式為

式中：C為取決于加工材料、切削條件的修正系數(shù)；v為切削速度；fz為進(jìn)給量；ae為徑向切寬；ap為軸向切深；b1，b2，b3，b4為待定系數(shù).

為了建立預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，須將非線性方程轉(zhuǎn)化為線性方程.在式（1）兩邊分別取對(duì)數(shù)使之變換成線性函數(shù)，得：

令y＝lgRa，b0＝lgC，x1＝lgv，x2＝lgfz，x3＝lgae，x4＝lgap.

則

建立多元線性回歸方程，采用矩陣形式表示為

式中：β0，β1，β2，β3，β4為變量x對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，b0為參數(shù)β0的最小二乘估計(jì)回歸系數(shù)；εi（i＝1，2，…，16）為試驗(yàn)隨機(jī)變量誤差.

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料選用美國Kaiser Aluminum ＆Chemical Corp.公司生產(chǎn)的7050-T7451預(yù)拉伸毛坯件，其主要力學(xué)性能如表1所示.

表1 7050-T7451鋁合金力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of 7050-T7451

試驗(yàn)是在五軸高速加工中心DMU-70V上進(jìn)行的，其主軸最高轉(zhuǎn)速18 000 r·min－1，最大功率為15 kW.刀具選用三齒硬質(zhì)合金整體立銑刀，刀具幾何結(jié)構(gòu)為：前角19°，后角10°，直徑為20 mm，刀尖圓弧半徑1 mm.工件加工面為平面，銑削方式為順銑，切削環(huán)境為干切削.

本試驗(yàn)采用Wyko NT9300光學(xué)輪廓儀測(cè)量工件表面形貌和粗糙度.為減小測(cè)量誤差，在同一工件表面上選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，取平均值作為試驗(yàn)值.

2.2 試驗(yàn)參數(shù)的選取及結(jié)果

在高速精加工中，切削用量的匹配對(duì)表面粗糙度值的大小影響很大，對(duì)于不同材料、不同精度要求的工件，需要進(jìn)行大量的試切試驗(yàn)來確定.為減少試驗(yàn)次數(shù)，提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，采用4水平4因素正交回歸試驗(yàn)的方法.按照高速精銑的要求，參考實(shí)際生產(chǎn)工況選取切削參數(shù)，同時(shí)適當(dāng)擴(kuò)大主軸轉(zhuǎn)速的范圍.試驗(yàn)方案、切削參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.1 Experimental set-up

圖2是v＝502 m·min－1，fz＝0.14 mm，ap＝6 mm，ae＝6 mm加工參數(shù)下的表面形貌測(cè)試結(jié)果.從圖中可以看到明顯的交叉織網(wǎng)狀形貌，這是由于銑削時(shí)銑刀前一齒與后一齒之間會(huì)有殘留高度，每條均勻間隔突起的棱脊位移量等于銑削參數(shù)中的fz，反映出了銑刀切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡.

表2 正交銑削試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Tab.2 Orthogonal experiment schemes and experiment results

3 分析與討論

3.1 正交試驗(yàn)銑削參數(shù)的極差分析

圖2 7050-T7451鋁合金銑削表面Fig.2 Surface of 7050-T7451 aluminum alloy

根據(jù)表2的粗糙度測(cè)試結(jié)果，做出正交試驗(yàn)極差分析圖，如圖3所示.從圖3可以直觀地看出各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度及變化趨勢(shì).軸向切削深度ap和每齒進(jìn)給量fz增大使表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，并且fz的影響程度比較明顯；而隨著切削速度v的提高，粗糙度值則減??；切削寬度ae對(duì)表面粗糙度的影響不明顯.因此，在實(shí)際生產(chǎn)中選取切削用量時(shí)，從減小表面粗糙度值的角度出發(fā)，在刀具壽命允許的條件下，建議采用較高主軸轉(zhuǎn)速、較低進(jìn)給率和軸向切削深度.

圖3 銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響的極差分析Fig.3 Range analysis of milling parameters on R a

3.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皺z驗(yàn)

根據(jù)表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式中常系數(shù)的確定方法，對(duì)表2中的各數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸計(jì)算，建立7050－T7451高速銑削時(shí)的表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式：

由于表面粗糙度模型只是一種假設(shè)，要判斷模型的擬合程度，必須對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn).根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（5），計(jì)算不同加工參數(shù)組合下，7050-T7451鋁合金表面粗糙度，將計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示.從圖4可以看出，所建預(yù)測(cè)模型呈高度顯著狀態(tài)，與實(shí)際情況擬合得很好，所以用本模型預(yù)測(cè)該鋁合金的表面粗糙度具有較高的可信度.

圖4 預(yù)測(cè)模型值與試驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比圖Fig.4 Scatterplot of the measured Ra and the predicted R a of the prediction model

3.3 方差分析

由以上分析可以得出，回歸方程是高度顯著的.為了研究自變量對(duì)因變量作用的顯著程度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析.方差分析是將因變量y的總變異分解成歸因于不同變異原因x的分量，研究各種分量對(duì)總變異的重要性.采用F檢驗(yàn)，與給定顯著水平的標(biāo)準(zhǔn)（F0.05（3，3）＝9.28）相比較，F(xiàn)值越大說明銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響越明顯.從表3中可以看出，各個(gè)銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響顯著性排序?yàn)椋篺z＞v＞ap＞ae.進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的影響顯著，是影響表面粗糙度的主要因素，而其他兩個(gè)參數(shù)的影響較小.

4 結(jié)語

通過對(duì)航空鋁合金7050-T7451材料進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，利用多元回歸正交分析法建立其表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，使用本模型進(jìn)行表面粗糙度值的計(jì)算，可以減少試驗(yàn)次數(shù)，具有很高的可信度.銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響顯著性排序?yàn)椋篺z＞v＞ap＞ae.每齒進(jìn)給量和切削深度的增大使粗糙度值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而隨著切削速度的提高，粗糙度值則減小.

表3 表面粗糙度加工參數(shù)顯著性檢驗(yàn)分析表Tab.3 Significance testing of the machining parameters on R a

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