鈦合金TC4銑削加工對表面粗糙度的影響試驗*

萬宏強，劉智豪，孫正陽，韓權(quán)利

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

鈦合金是一種新型的重要結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、大剛性、輕質(zhì)量、耐腐蝕等特點，目前鈦合金材料具有較大的市場前景[1-3]，但該材料切削加工時其高溫強度高、化學(xué)活性高等特點會導(dǎo)致加工切削力大、溫度高、刀具粘結(jié)等問題，致使產(chǎn)品加工表面質(zhì)量較差[4]。鈦合金材料加工時進給量、主軸轉(zhuǎn)速等加工參數(shù)都會對工件的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響[5-6]。正交試驗利用多因素試驗方法，經(jīng)過合理的試驗設(shè)計，以相對較少的試驗次數(shù)得到影響試驗結(jié)果的因素及各因素影響規(guī)律，在切削實驗中被廣泛采用[7-8]。文中針對銑削三要素(主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度、每齒進給量)設(shè)計出一組三因素四水平的正交試驗，以獲得多組數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理，得到銑削三要素對加工工件表面粗糙度的影響規(guī)律、對加工工件表面粗糙度的顯著性影響因素。

1 試驗條件

針對于本試驗研究需求，選用TC4鈦合金料塊作為銑削試驗材料，料塊長×寬×高尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，如圖1所示。

圖1 鈦合金TC4料塊

加工TC4鈦合金的刀片一般用YG類合金刀片，YG8是鎢鈷類材料，耐磨性良好，使用強度和沖擊韌性都較好[9]。出于綜合考慮，選用性價比較高、銑削性能好的硬質(zhì)合金YG8刀片。試驗用刀具選擇為硬質(zhì)合金直柄立銑刀，直徑D為?10 mm，采用逆銑銑削方式，不添加銑削液。圖2所示為YG8直柄銑刀刀桿刀頭。

圖2 YG8直柄銑刀刀桿刀頭

切削機床為大河數(shù)控機床TH5656立式加工中心，在主電機功率為15 kW時，最大扭矩可達470 N·m以上，主軸箱配有恒溫油箱循環(huán)冷卻，主軸軸頸達?100 mm，主軸頭懸伸小，剛性大，精度高，大尺寸工作臺面達1 500 mm×780 mm，便于大工件裝夾。對工件表面粗糙度進行測量時，利用TR200觸針式表面粗糙度測量儀測量TC4加工表面前、后的工件表面粗糙度值，其設(shè)備如圖3所示。

圖3 TR200觸針式表面粗糙度測量儀

2 試驗分析

2.1 試驗方法

為研究不同因素對被加工工件表面粗糙度的影響。進行單因素試驗和三因素四水平正交試驗，三因素為主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和每齒進給量。得到主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度以及每齒進給量對工件表面粗糙度的影響規(guī)律；明確主要影響因素。在已加工工件表面上沿機床主軸方向(z方向)測量工件表面粗糙度值Ra，取兩端及中間數(shù)據(jù)，求平均值，取樣長度λc=1 mm。在將測量儀器調(diào)整至所需要求后，分別對三處表面進行測量，取平均值，未加工表面粗糙度值為0.986 μm。圖4所示為其中一次的粗糙度測量值。正在加工的鈦合金工件如圖5所示。

圖4 粗糙度測量值

圖5 工件加工現(xiàn)場

2.2 單因素對表面粗糙度的影響

銑削深度為0.2 mm，每齒進給量為0.08 mm，主軸轉(zhuǎn)速從400 r·min-1到1 000 r·min-1，無冷卻液情況下工件表面粗糙度受主軸轉(zhuǎn)速影響的變化趨勢，如圖6所示。

由圖6可知，在其余變量不變的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，在一定范圍內(nèi)工件表面粗糙度逐漸增高，之后逐漸降低。

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律

每齒進給量為0.08 mm，主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1，銑削深度由0.1 mm變化到0.6 mm，工件表面粗糙度受切削深度影響的變化趨勢，如圖7所示。由圖7可知，在其余變量不變的情況下，隨著銑削深度的增大表面粗糙度呈上升趨勢。

圖7 銑削深度對表面粗糙度的影響趨勢

銑削深度為0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1時，每齒進給量由0.04 mm變化到0.16 mm，工件表面粗糙度受每齒進給量影響的變化趨勢，如圖8所示。由圖8可知，在其余變量不變的情況下，隨著每齒進給量的逐步增大，工件表面粗糙度呈上升趨勢。

圖8 每齒進給量對表面粗糙度的影響趨勢

2.3 多因素對表面粗糙度的影響

參考正交表的設(shè)計原理，實現(xiàn)鈦合金TC4的正交試驗設(shè)計。選擇刀具為YG8硬質(zhì)合金，其適合加工速度為15～80 m·min-1，結(jié)合加工經(jīng)驗，進行試驗參數(shù)設(shè)計，選得試驗所使用參數(shù)見表1。

表1 正交試驗參數(shù)設(shè)定

根據(jù)正交原理所設(shè)計的正交試驗，以及試驗所測得的工件表面粗糙度及計算結(jié)果見表2。Ki表示試驗因子下對應(yīng)工件表面粗糙度測量結(jié)果之和，i=1,2,3,4；ki表示各因素的平均表面粗糙度測量結(jié)果，ki=0.25Ki，i=1,2,3,4；K表示16組表面粗糙度測量結(jié)果之和，引入?yún)?shù)P，且P=1/16K2；W表示16組表面粗糙度測量結(jié)果平方之和；Q表示各試驗因子下試驗值的離差；U表示各試驗因子下試驗值平方和的平均數(shù)，即

對表2中平均表面粗糙度進行極差分析，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，平均表面粗糙度先增大后逐漸減小，平均表面粗糙度的極差為0.242 5 μm，隨著銑削深度的增大，平均表面粗糙度減小后再增大，平均表面粗糙度的極差為0.095 0 μm，隨著每齒進給量的增大，平均表面粗糙度增大，平均表面粗糙度的極差為0.265 0 μm。由此說明每齒進給量對表面粗糙度的影響最大，其次是主軸轉(zhuǎn)速，銑削深度影響最小。

對表2中平均表面粗糙度進行方差分析。給定顯著性水平α=5%，查表確定出F值，結(jié)果見表3。由表3可知，每齒進給量對表面粗糙度有顯著影響，主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度有較顯著影響，銑削深度對表面粗糙度無顯著影響。

表3 表面粗糙度的方差分析

通過試驗得出其方差、極差分析的結(jié)果一致，因此，在銑削加工鈦合金TC4時，每齒進給量影響較為明顯，應(yīng)根據(jù)所需要的表面粗糙度合理選擇。

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)其余變量一定時，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，在一定范圍內(nèi)工件表面粗糙度逐漸先增大后減小，之后逐漸降低；當(dāng)其余變量一定時，隨著銑削深度的增大表面粗糙度呈上升趨勢；當(dāng)其余變量一定時，隨著每齒進給量的逐步增大，工件表面粗糙度呈上升趨勢。

2) 銑削鈦合金TC4時，不考慮刀具磨損，銑削參數(shù)對工件加工表面z方向表面粗糙度Ra的影響程度為每齒進給量>主軸轉(zhuǎn)速>銑削深度。

3) 通過方差數(shù)據(jù)分析得到，每齒進給量對工件表面粗糙度影響顯著，主軸轉(zhuǎn)速影響較顯著，銑削深度影響不明顯。