表面粗糙度是描述和評價構(gòu)件表面質(zhì)量的重要特征, 其大小對構(gòu)件的耐磨性能、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕性能等具有重要的決定作用。這種現(xiàn)象對高強度合金材料更為突出。因此在進行高強度合金材料的加工中, 必須注重對表面粗糙度的控制。鈦合金作為典型的高強度合金材料, 以其優(yōu)異的綜合力學性能、低密度以及良好的耐蝕性, 在航空航天裝備得到了廣泛的應(yīng)用。但是鈦合金的切削加工性差, 具體表現(xiàn)為切削過程溫度高、切削力大、冷硬現(xiàn)象嚴重、刀具易磨損, 這些都不利于獲得好的表面粗糙度, 影響鈦合金構(gòu)件的服役使用性能。目前, 鈦合金高速銑削技術(shù)作為提高加工效率和表面質(zhì)量的有效方法之一, 應(yīng)用日益廣泛。國內(nèi)外研究者對鈦合金加工表面完整性進行著積極的研究。
G1 A1 Ibrahim 等[ 1] 采用單因素實驗方法研究了銑削速度在55~ 95 m/ min 之間T C4 鈦合金干切削條件下的表面完整性, 研究表明表面粗糙度都在1~ 4 Lm 之間。N1Elmagrabi 等[ 2] 采用單因素實驗方法研究了銑削速度為771 5 m/ min 時涂層硬質(zhì)合金刀具加工T C4 鈦合金時的表面完整性,研究表明進給速度越大表面粗糙度越大, 當每齒進給量為01 1 mm/ z 時, 表面粗糙度在01 2~ 01 4Lm 之間。B1 Rao 等[ 3] 基于單因素實驗方法研究了高速銑削時, 高主軸轉(zhuǎn)速可獲得的表面粗糙度都在01 4 Lm 以下。A1 L1Mantle 等[ 4] 對高速銑削C-TiAl 合金表面完整性進行了研究, 表面粗糙度都低于11 5 Lm, 硬化層深度達到300 Lm,表面有殘余壓應(yīng)力。C1H1 Che-Haro n 等[ 5-6] 對高速銑削鈦合金從表面粗糙度、殘余應(yīng)力、微觀組織和顯微硬度等幾方面進行了系統(tǒng)研究。國內(nèi)南京航空航天大學的趙威等[ 7 ] 進行了氮氣油霧介質(zhì)下T C4 鈦合金高速銑削實驗研究, 發(fā)現(xiàn)氮氣油霧介質(zhì)下的切屑表面較為平整,加工表面粗糙度相對較低。西北工業(yè)大學一直在進行鈦合金表面完整性切削研究, 史興寬等[ 8] 進行了高速切削條件和常規(guī)切削條件下TC4 鈦合金的對比切削實驗, 發(fā)現(xiàn)高速切削可以獲得更好的表面完整性; 楊振朝[ 9] 、杜隨更等[ 10 ] 研究發(fā)現(xiàn)在平底刀銑削T C4 鈦合金時, 當主軸轉(zhuǎn)速由3 000 r/ min 增大到10 000 r/ min時, 表面質(zhì)量越來越好。
在上述大部分研究中, 主要的實驗過程采用單因素法、正交法和響應(yīng)曲面法。響應(yīng)曲面實驗法可定量分析參數(shù)耦合作用對目標特征的影響, 但其實驗量較大; 正交法可通過較少的實驗次數(shù)獲得相關(guān)規(guī)律, 被大多數(shù)研究人員在實驗時所采用, 該方法可獲得目標特征的指數(shù)型經(jīng)驗?zāi)Ｐ?span>, 還可用極差分析法獲得目標特征值隨參變量的變化趨勢。但是現(xiàn)有正交研究方法在經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c直觀分析結(jié)果間缺少相互支撐與考證, 而且無法基于所建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M一步選擇參數(shù)。
本文以航空發(fā)動機整體葉盤、葉片類零件用鈦合金TC11 為研究對象, 開展高速銑削工藝參數(shù)對鈦合金T C11 加工表面粗糙度的影響研究。研究中采用正交實驗法所建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?span>, 基于此模型建立了工藝參數(shù)區(qū)間靈敏度分析和區(qū)間優(yōu)選方法, 提出了工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域概念。該方法與直觀分析法結(jié)合, 可更好地對切削用量進行控制, 為整體葉盤、葉片類鈦合金零件的高速切削提供參數(shù)選擇依據(jù)。
1 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析方法
1．1 表面粗糙度模型
鈦合金高速銑削系統(tǒng)中, 決定表面粗糙度的因素有很多, 如工件材料、刀具材料、冷卻潤滑條件、刀具結(jié)構(gòu)、切削用量及相關(guān)運動方式等工藝條件。這些條件對表面粗糙度的影響程度是不同的, 而且一些條件可進行逐個比較選擇, 比如冷卻潤滑條件。而在眾多的工藝條件中, 切削用量對其影響是最為重要的。常用的基于正交實驗方法獲得的銑削零件表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂杀硎緸?/font>
式中: Ra 為表面粗糙度; vc、f z 、ap、ae 分別為銑削速度、每齒進給量、銑削深度和銑削寬度; c0 為常數(shù); c1、c2、c3 和c4 為指數(shù)。本文關(guān)于表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析方法的研究正是基于該通用模型展開的。
1．2 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度計算方法
( 1) 靈敏度定義
靈敏度是指優(yōu)化設(shè)計目標對各個設(shè)計變量的變化的敏感程度( 或變化率) , 其目的是識別設(shè)計變量中對優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)影響顯著的和薄弱的環(huán)節(jié), 以準確、有效地控制和優(yōu)化變量參數(shù)修改優(yōu)化方案, 獲得優(yōu)化的目標。
設(shè)目標函數(shù)為f ( x) , 其中x = ( x 1 , x 2…，x i …， x n ) 為設(shè)計變量, i 為整數(shù)且從1 取到n。靈敏度反映目標函數(shù)f ( x) 對設(shè)計變量x i 的變化梯度。若f ( x) 可導(dǎo), 其一階靈敏度S 在連續(xù)系統(tǒng)中表示為
對于表面粗糙度對工藝參數(shù)變化的敏感程度( 或變化率) , 提出了表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度和相對靈敏度概念。
( 2) 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度
表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度表示表面粗糙度對單一工藝參數(shù)變化的敏感程度( 或變化率) 。根據(jù)靈敏度的數(shù)學定義, 表面粗糙度對工藝參數(shù)( 銑削速度、每齒進給量、銑削深度、銑削寬度) 的靈敏度模型表示為
由于表面粗糙度模型式( 1) 是由切削實驗獲得, 其初始設(shè)定的工藝參數(shù)組合為離散點。因此,
表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度反映的是某一參數(shù)范圍內(nèi)表面粗糙度的變化率, 即表面粗糙度變化的緩急程度。因此, 根據(jù)該靈敏度可較理想地獲得某一表面粗糙度水平的工藝參數(shù)范圍。
( 3) 表面粗糙度工藝參數(shù)相對靈敏度表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度可較好地反映某一參數(shù)范圍內(nèi)表面粗糙度變化的緩急程度, 但不能從整體上綜合反映表面粗糙度對各工藝參數(shù)的敏感程度。而獲悉表面粗糙度對哪些工藝參數(shù)( 如銑削速度、每齒進給量、銑削深度、銑削寬度) 敏感,對哪些不敏感, 在進行工藝參數(shù)選擇時非常重要。對不敏感的工藝參數(shù)可以在較大范圍內(nèi)選擇, 而對于敏感的工藝參數(shù)則需要謹慎選取。對此, 提出了表面粗糙度工藝參數(shù)相對靈敏度概念。相對靈敏度從整體上綜合反映表面粗糙度對各工藝參數(shù)的敏感程度( 或變化率) 。由式( 3) 可知, 表面粗糙度對不同工藝參數(shù)的相對靈敏度的量綱是不同的, 因為其僅能反映各工藝參數(shù)本身的變化對表面粗糙度的影響程度。為從整體上綜合比較工藝對表面粗糙度的影響, 要對
因此, 對通過銑削獲得的如式( 1) 所示的表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ?span>, 其表面粗糙度工藝參數(shù)相對靈敏度模型可表示為
顯然, 對通過正交實驗獲得的指數(shù)型經(jīng)驗公式式( 1) , 通過式( 4) 和式( 5) 計算, 相對靈敏度即為各變量的指數(shù), 數(shù)學證明略。但是, 對通過單因素實驗或者響應(yīng)曲面法實驗獲得的多項式型經(jīng)驗公式, 就需要具體計算。
1. 3 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析的指導(dǎo)意義
工藝參數(shù)對表面粗糙度的形成具有決定作用。現(xiàn)有的工藝在進行工藝參數(shù)選擇時, 往往僅給出具體的工藝參數(shù)值, 而且許多推薦的加工參數(shù)也是很具體的, 這樣在進行工藝參數(shù)調(diào)整時就沒有可參考的工藝參數(shù)范圍。但是, 在實際機械加工中, 尤其在對復(fù)雜曲面零件加工時, 由于其粗加工之后給半精加工或精加工留有非線性余量,對半精加工或精加工切削深度應(yīng)該針對不同余量進行確定。諸如此類, 在多軸數(shù)控加工中, 針對復(fù)雜曲面零件加工, 會對切削用量( 比如銑削轉(zhuǎn)速、每齒進給量、銑削深度和銑削寬度) 進行不同程度的調(diào)整, 而調(diào)整量如何定, 應(yīng)該在什么范圍內(nèi)進行調(diào)整表面粗糙度才不會變化太大, 現(xiàn)有的方法尚無法給出。針對該問題, 提出了表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析方法, 以獲得表面粗糙度的工藝參數(shù)區(qū)間敏感性。
工藝參數(shù)區(qū)間敏感性的特點在于, 在眾多工藝參數(shù)中, 可以從總體上獲悉各工藝對表面粗糙度的作用大小, 從單一工藝獲悉其變化對表面粗糙度的影響規(guī)律, 對工藝參數(shù)選擇和調(diào)整非常有意義。其中, 表面粗糙度工藝參數(shù)相對靈敏度從整體上綜合反映表面粗糙度對各工藝參數(shù)的敏感程度( 或變化率) , 為工藝參數(shù)的確定提供了計算依據(jù)和方法; 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度表示表面粗糙度對單一工藝參數(shù)變化的敏感程度( 或變化率) , 為單一工藝的參數(shù)選擇、調(diào)整和變化提供了計算依據(jù)和方法。
2 TC11 高速銑削實驗
實驗工件材料為TC11, 是一種A-B鈦合金材料。其詳細的化學成分( 質(zhì)量分數(shù)) 為: 61 42%Al、31 29% Mo、11 79% Zr、01 23% S、01 025% C、01 096% O、01 003% H、01 077% Fe、01 004% N,余量為Ti。合金常溫和高溫下的機械力學性能如表1 所示。
TC11 試樣尺寸設(shè)計為80 mm @ 20 mm @20 mm。所有銑削實驗在Mikron HSM800 高速銑削加工中心進行, 轉(zhuǎn)速范圍為0~ 36 000 r/ min, 控制系統(tǒng)為德國的ITNC530 系統(tǒng)。銑削刀具為K44 整體硬質(zhì)合金4 齒立銑平底刀, 直徑為10 mm, 無涂層, 刀具前角為4b, 螺旋角為30b, 后角為10b。乳化液冷卻潤滑條件, 銑削方式為順銑。銑削示意圖如圖1 所示, vf 為銑削進給速度, n 為轉(zhuǎn)速。
本實驗研究銑削工藝參數(shù)( 銑削速度v c、每齒進給量f z 、銑削深度ap、銑削寬度ae ) 對表面粗糙度的影響。不同銑削工藝參數(shù)下的正交銑削實驗方案如表2 所示。
表面粗糙度用接觸式TR240 表面粗糙度儀進行測量。在銑削面沿進給方向, 等距選取5 個點, 如圖1 中的1 點、2 點直到5 點, 測量每點表面粗糙度Ra 值并求取平均值, 測量取樣長度01 8 mm, 評定長度51 6 mm。經(jīng)測試和統(tǒng)計計算后的表面粗糙度見表2。
3 TC11 高速銑削表面粗糙度工藝參數(shù)區(qū)間敏感性分析
根據(jù)表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度和相對靈敏度定義, 進行工藝參數(shù)選擇時, 應(yīng)該先進行相對靈敏度分析, 獲得敏感的工藝參數(shù); 在此基礎(chǔ)上, 對敏感的工藝參數(shù)進行靈敏度計算, 獲得使表面粗糙度變化平緩的工藝參數(shù)區(qū)間范圍, 即穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。
3． 1 表面粗糙度工藝參數(shù)相對靈敏度分析
對表2 中的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)和表面粗糙度測試數(shù)據(jù), 通過線性回歸分析方法, 建立了高速銑削表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑?/font>
把通過正交實驗獲得的指數(shù)型經(jīng)驗公式代入式( 4) 和式( 5) 計算得到, 表面粗糙度對各工藝參
由此可知, 鈦合金高速銑削條件下, 表面粗糙度對銑削速度的變化最為敏感, 對每齒進給量的變化敏感次之, 再次之為銑削寬度, 對銑削深度的變化最不敏感。而在低速或者常規(guī)銑削條件下,普遍認為每齒進給量對表面粗糙度的影響最為
顯著。
3． 2 表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析
( 1) 靈敏度模型計算
根據(jù)式( 3) , 表面粗糙度對銑削速度、每齒進給量、銑削深度、銑削寬度的靈敏度模型為
( 2) 靈敏度曲線分析
圖2 所示為依據(jù)式( 8) 獲得的表面粗糙度對銑削速度、每齒進給量、銑削深度和銑削寬度的靈敏度曲線。由相對靈敏度分析可知, 鈦合金高速銑削條件下, 表面粗糙度對銑削速度的變化最為敏感, 對每齒進給量的變化敏感次之, 對銑削寬度和銑削深度的變化不敏感。因此, 在實驗參數(shù)范圍內(nèi)可以不再進一步考慮如何選擇銑削寬度和銑削深度, 即可以在實驗初定的參數(shù)范圍內(nèi)任意選取; 而對于銑削速度和每齒進給量則需要進一步優(yōu)化選擇。
由圖2( a) 可知, 在銑削速度區(qū)間[ 251 m/ min, 314 m/ min] 的靈敏度值大于[ 314 m/ min, 377 m/min] 區(qū)間, 即當銑削速度從314 m/ min 變化到377 m/ min時, 其表面粗糙度的變化比較平緩。同理, 由圖2( b) 可知, 當每齒進給量從01 05 mm/ z變化到01 07 mm/ z 時, 表面粗糙度的變化比較平緩。
3．3 工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域
表面粗糙度工藝參數(shù)穩(wěn)定域是指表面粗糙度的變化對工藝參數(shù)的變化不敏感的參數(shù)范圍。表面粗糙度工藝參數(shù)非穩(wěn)定域是指表面粗糙度的變化對工藝參數(shù)的變化敏感的參數(shù)范圍。
對n 個因素(N 1 , N 2…，N n ) m 個水平( M1 , M2 , ,, Mm ) 的正交實驗, 提出工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域的劃分方法: ¹ 根據(jù)靈敏度曲線, 對因素Np ( p = 1, 2，…， n) , 計算靈敏度值在[ M1 , M2 ] 、 [ M2 , M3 ] 等m- 1 個水平區(qū)間內(nèi)的變化幅值, 記為A1 , A 2…， A m- 1 ; º 計算m- 1 個靈敏度值變化幅值A1 , A2 , ,, A m- 1 的平均值為A 0 , 定義Aj ( j = 1, 2, …， m- 1) > A 0 的區(qū)域為非穩(wěn)定域, Aj < A0 的區(qū)域為穩(wěn)定域。根據(jù)表面粗糙度分別對銑削速度、每齒進給量、銑削深度、銑削寬度的靈敏度曲線, 獲得本文實驗參數(shù)范圍內(nèi)銑削速度、每齒進給量、銑削深度、銑削寬度的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域, 如表3 所示。
4 TC11 高速銑削工藝參數(shù)區(qū)間優(yōu)選方法
4．1 面向表面粗糙度的工藝參數(shù)區(qū)間選擇方法
基于表面粗糙度工藝參數(shù)靈敏度分析, 并結(jié)合原始正交實驗數(shù)據(jù)的直觀極差分析, 提出了面向表面粗糙度的工藝參數(shù)區(qū)間選擇方法。
①進行表面粗糙度工藝參數(shù)相對靈敏度分析,對工藝因素進行篩選, 確定敏感和非敏感工藝因素。
②對敏感工藝因素進行靈敏度分析, 確定敏感工藝因素的參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域, 對不敏感的工藝因素選擇實驗所取的參數(shù)范圍。
③基于原始正交實驗數(shù)據(jù)的極差分析法, 對敏感工藝因素的參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域, 分別計算表面粗糙度值, 并進行比較。
④ 如果第③ 步的穩(wěn)定域粗糙度值優(yōu)于非穩(wěn)定域粗糙度值, 則選擇穩(wěn)定域為優(yōu)選的參數(shù)區(qū)間。
⑤ 如果第③步的穩(wěn)定域粗糙度值劣于非穩(wěn)定域粗糙度值, 則選擇非穩(wěn)定域為優(yōu)選的參數(shù)區(qū)間。
⑥對于第⑤ 步選擇出的參數(shù)區(qū)間, 由于是非穩(wěn)定域, 如果進行參數(shù)值調(diào)整, 應(yīng)在該非穩(wěn)定域繼續(xù)規(guī)劃實驗, 確定更小范圍的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。
4.2 TC11 高速銑削工藝參數(shù)區(qū)間優(yōu)選
針對本文的T C11 高速銑削實驗, 依據(jù)上述方法, 首先進行表面粗糙度工藝參數(shù)的相對靈敏度分析: 表面粗糙度對銑削速度的變化最為敏感,對每齒進給量的變化敏感次之, 對銑削寬度和銑削深度的變化最不敏感。其次, 確定銑削速度和每齒進給量的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域, 見表3; 而表面粗糙度對銑削寬度和銑削深度的變化最不敏感,對其參數(shù)選擇實驗所取范圍, 即銑削深度為[ 01 1mm, 01 3 mm] , 銑削寬度為[ 61 0 mm, 91 0 mm] 。再次, 通過正交實驗數(shù)據(jù)的極差分析法, 得到圖3所示的敏感工藝因素( 銑削速度和每齒進給量) 在穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域時表面粗糙度的變化范圍; 還可以得到非敏感工藝因素( 銑削寬度和深度) 在所取參數(shù)內(nèi)的變化范圍。由圖3( a) 可知, 切削速度穩(wěn)定域表面粗糙度在01 5 Lm 以下, 非穩(wěn)定域表面粗糙度在01 5 Lm 以上; 由圖3( b) 可知, 每齒進給量穩(wěn)定域表面粗糙度在01 6 Lm 以上, 非穩(wěn)定域表面粗糙度在01 6 Lm 以下; 由圖3( c) 可知, 在切削深度實驗參數(shù)范圍, 表面粗糙度在01 45~01 6 Lm之間。由圖3( d) 可知, 在切削寬度實驗參數(shù)范圍, 表面粗糙度在01 4~ 01 6 Lm 之間。
最后, 選擇的TC11 高速銑削工藝參數(shù)區(qū)間如表4 所示, 該區(qū)間范圍可保障較好的表面粗糙度。每齒進給量的優(yōu)選區(qū)間選在了非穩(wěn)定域中,由于實驗中所得到的非穩(wěn)定域[ 01 03 mm/ z, 01 05 mm/ z] 區(qū)間范圍已經(jīng)很小, 因此建議優(yōu)選01 03 mm/ z。在[ 01 03 mm/ z, 01 05 mm/ z] 區(qū)間范圍, 如果要進行參數(shù)值調(diào)整, 需進一步計算穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。
5 結(jié) 論
( 1) 研究的工藝參數(shù)區(qū)間敏感性計算及優(yōu)選方法, 可定量獲得不同工藝參數(shù)對表面粗糙度的靈敏度和相對靈敏度, 在此基礎(chǔ)上提出了工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域概念, 并結(jié)合方差分析方法, 提出了面向表面粗糙度的工藝參數(shù)區(qū)間選擇方法。
( 2) 鈦合金TC11 高速銑削條件下, 表面粗糙度對銑削速度的變化最為敏感, 對每齒進給量的變化敏感次之, 對銑削寬度和銑削深度的變化不敏感; 銑削速度優(yōu)選在314~ 377 m/ min 范圍,每齒進給量優(yōu)選從01 03~ 01 05 mm/ z 范圍, 可以保障表面粗糙度在01 6 Lm 以內(nèi)。
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