基于響應(yīng)曲面法的鈦合金TC4切削力試驗研究

陳博

【摘 要】為優(yōu)化鈦合金TC4車削參數(shù)，基于響應(yīng)曲面法設(shè)計試驗，建立了切削力二階響應(yīng)曲面模型，研究了車削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，以切削力最小為目標對車削參數(shù)進行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明：建立的模型精確度高，車削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為v=124.35 m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

【關(guān)鍵詞】TC4；車削參數(shù)；響應(yīng)曲面法；切削力

中圖分類號：TG506 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.017

【Abstract】In order to optimize the turning parameters of Titanium alloy TC4， a quadratic response surface model of cutting force is established by response surface methodology， the effect of turning parameters on cutting force was studied， the turning parameters are optimized with the minimum cutting force . The experimental results indicate that the accuracy of the model is high， the optimum results are v=124.35 m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm.

【Key words】TC4； Turning parameters； Response surface methodology； Cutting force

0 引言

合金由于具備良好的綜合力學(xué)機械性能而被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域。然而，熱導(dǎo)系數(shù)低、彈性模量小、加工硬化嚴重等問題又使得鈦合金被劃歸為難加工材料[1]。切削力是研究切削過程的重要物理量，其大小對刀具壽命、加工質(zhì)量有重要影響[2-3]。因此，建立切削力預(yù)測模型，研究鈦合金切削力的變化規(guī)律，對于延長刀具壽命，優(yōu)化切削參數(shù)有重要意義。

響應(yīng)曲面法（Response Surface Methodology，RSM），是建立過程模型并對模型進行優(yōu)化的一種統(tǒng)計學(xué)試驗設(shè)計[4]。本文基于響應(yīng)曲面法設(shè)計試驗，建立了鈦合金TC4切削力預(yù)測模型，分別研究了切削參數(shù)單因素項及交互項對切削力的影響規(guī)律。最后以切削力最小為目標對車削參數(shù)進行了優(yōu)化，為鈦合金TC4車削參數(shù)的優(yōu)選及刀具壽命的提升積累了試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗條件

試驗材料及刀具幾何參數(shù)如表1所示，機床選用Leadwell-T6型全功能數(shù)控車床，切削方式為單向走刀精車外圓。

將數(shù)控車床、工件、刀具、Kistler測力儀、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集裝置、電子計算機按圖1所示進行連接，使用DynoWare軟件對切削力數(shù)據(jù)進行采集。

2 試驗設(shè)計

采用BBD響應(yīng)曲面法設(shè)計試驗，選取切削速度v、進給量f、背吃刀量ap3個車削參數(shù)為自變量，分別以x1、x2、x3表示。確定自變量變化范圍：v為60-140 m·min-1，f為0.2-0.8mm·r-1，ap為0.1-0.7mm。按照方程Xi=xi-x0/Δx對自變量進行編碼，其中Xi為編碼值，xi自變量真實值，x0為中心點處自變量真實值，Δx為自變量變化步長。自變量的編碼及水平如表2所示，其中0代表中心點，+1、-1代表因子點。

利用圖1所示的切削力采集系統(tǒng)采集試驗過程中的主切削力Fc，共進行17組鈦合金TC4車削試驗，結(jié)果如表3所示。

3 切削力建模

圖2a為方程預(yù)測值與實際實驗值的對應(yīng)關(guān)系，圖中所有的點基本在同一直線上，說明兩組數(shù)據(jù)吻合程度良好；圖2b為標準化殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)關(guān)系，圖中所有的點隨機分布，此時標準化殘差與方程預(yù)測值不相關(guān)，說明擬合公式假定有效。

4 車削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律

圖3為鈦合金TC4在車削條件下，當其他因素處于0水平時，單因素項對切削力Fc的響應(yīng)曲線。由圖3（a）-（c）可知：

（1）切削力Fc隨背吃刀量ap的增加而升高，這是因為切削寬度aw隨ap的增大而增大，此時刀具前刀面與切屑的接觸面積增大，故切削力Fc升高。

（2）切削力Fc隨進給量f的增加而升高，這是由于切削厚度ac隨進給量f的增大而增大，此時切削變形抗力和摩擦抗力都會增大，故切削力Fc升高。

（3）切削速度v對切削力Fc的影響較為復(fù)雜，當切削速度v低于100m·min-1時，切削溫度升高，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，剪切力變小，故切削力有所降低；當切削速度v大于100m·min-1時，刀具磨損加劇，切削力有所上升但整體趨于平穩(wěn)。

圖4為當其他車削參數(shù)處于0水平時，交互項對切削力Fc的響應(yīng)曲面，該曲面及其對應(yīng)的等值線圖能夠直觀的反映出響應(yīng)值與交互項之間的關(guān)系。通過方差分析可知，交互項中只有ap和f對Fc的影響顯著。如圖4所示，F(xiàn)c隨ap和f的增加而升高，但升高的幅度不同，這是由于切削面積和切削厚度的增加都會導(dǎo)致切削力的升高造成的。

綜上，在車削鈦合金TC4時，小切削深度、小進給量、大切削速度是降低切削力Fc的有效手段。以切削力Fc最小為目標，對車削參數(shù)進行優(yōu)化。在試驗給定的車削參數(shù)范圍內(nèi)，得到的最優(yōu)結(jié)果為：v=124.35m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

5 結(jié)語

（1）基于響應(yīng)曲面法建立的切削力二階響應(yīng)曲面模型精確度高，在給定的車削參數(shù)范圍內(nèi)，能夠有效的預(yù)測和分析車削鈦合金TC4時的切削力Fc。

（2）單因素項v、f、ap對Fc的影響顯著。切削力Fc隨f、ap的增加而升高，隨v的增加有所波動，當v大于100m·min-1時趨于平穩(wěn)。

（3）交互項ap和f對Fc影響顯著，對鈦合金TC4進行切削力建模時，應(yīng)考慮交互項對Fc的影響；

（4）在試驗給定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，以切削力Fc最小為目標，使用二階響應(yīng)曲面模型對車削參數(shù)進行優(yōu)化，得到的最優(yōu)結(jié)果為：v=124.35m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

【參考文獻】

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