钛合金铣削参数的正交优化

钛合金TC4铣削参数的正交优化^[1]

王苏东　朱晓华

摘要:为了在YG6X圆弧成型刀具铣削钛合金TC4的切削过程中获得较好的表面粗糙度，采用正交实验法，分析了切削速度、切削深度和每齿进给量3个切削参数对表面粗糙度的影响规律，并对切削参数进行了优化和验证。

关键词:钛合金　切削速度　每齿进给量　表面粗糙度　正交优化

一、引言

钛及钛合金材料以其优异的机械性能、耐蚀性能和生物相容性，在航空航天、化工、医疗等领域均有广泛的应用，但其也存在工艺性差，切削加工困难的特点。使用成型刀具加工钛合金材料时，由于散热、振动等问题使得加工尤为困难，难以获得较好的表面粗糙度。

金属切削过程中影响工件加工质量的因素众多，而且因素之间存在相互影响和相互制约，若采用单因素法对切削要素进行优选，难以找出各因素相互影响的内在联系，且需实验次数较多，而钛合金材料价格昂贵，实际生产中不适合大量的实验。正交实验法是在实验经验与理论分析的基础上，科学地选取试验样本，合理安排实验，通过选出的代表性强的较少次数实验，找出符合规律的实验结论或优选出的好的方案［1］。本文采用正交试验方法，针对硬质合金成型刀具铣削钛合金TC4的过程，分析了各切削参数对加工表面质量的影响规律，从而寻找优化的切削参数组合。

二、试验设计和试验内容

（一）试验方法

本文针对医用钛合金TC4材料接骨板零件上的圆弧面成型加工，采用YG6X整体硬质合金成型铣刀，刀齿数2，在南通机床厂生产的数控加工中心XH713A上进行干式切削试验。采用TR300型便携式表面粗糙度测量仪检测加工表面粗糙度Ra值。

（二）试验因素

金属切削中，对表面粗糙度影响最主要的是几何因素［2］。切削加工时，由于刀具切削刃的几何形状、几何参数、进给运动及切削刃本身的粗糙度等因素，未能将被加工表面上材料层完全干净地去除掉，在已加工表面上遗留下残留面积，残留面积的高度h构成了表面粗糙度Ra，如图1所示。因此本试验中将每齿进给量fz作为正交试验因素。

钛合金切削的相关研究文献［3，4］中指出，切削速度的变化对钛合金铣削表面的表面质量，即残余应力、表面粗糙度和冷作硬化深度均有影响，因此本文将切削速度也作为试验因素之一。

钛合金的弹性模量小，加工时在径向切削力作用下，容易产生变形，引起振动。切削过程中如果有振动，加工表面会出现振纹，表面粗糙度会明显增大。而对切削力影响最大的因素是切削深度ap［5］。因此将切削深度ap也作为正交试验的因素。

本试验中使用的刀具为定制成型刀具，因刀具成型切削刃的轮廓度要求和刀具制造工艺的限制，刀具参数取定值，前角γ取0°，后角α取15°，因此实验中刀具角度不作为试验因素，即不考虑刀具角度对表面粗糙度的影响。

Tipinis等人提出的表面粗糙度实验模型式［6］（1）也证明了对铣削表面粗糙度的主要影响因素为v、f和ap。

图1　每齿进给量产生的残留高度h

所以本文确定选择3个影响表面粗糙度的最主要因素为v、f和ap进行正交切削试验。

（三）水平值

接骨板零件的圆弧成型加工工序余量为0.7mm，所以切削深度ap的取值范围为0.3～0.7mm。钛合金TC4材料的导热系数很小，在切削区和切削刃附近较小范围内，切削温度很高。当切削速度v＞100 mm/min时，YG6X材料刀具在高温下耐用度较差［7］，因此切削速度v选取40～80mm/min。每齿进给量f取0.3～0.7mm/z。

（四）正交试验因素水平表

根据选定的试验因素和水平取值范围，选用标准L9（34）正交表设计试验方案，其中因素四为空。试验结果见表1。

表1　L9（34）正交试验因素水平表

三、结果分析

由表1正交试验分析结果可以看出，各因素对加工表面表面粗糙度影响的主次顺序为:fz＞ap＞v，因此在切削加工中应采用较小的每齿进给量和切削深度，较大的切削速度，以保证表面粗糙度要求。从分析结果中还可看出，切削速度对表面粗糙度的影响是非线性的，说明切削速度应在一定范围内取值，才能获得较好的表面粗糙度。

根据正交试验分析的结果，切削参数应选A2B1C1。但根据生产要求，工件加工表面粗糙度值控制在1.0μm以下即可，考虑到在保证加工质量的前提下，应寻求最大加工效率，所以对每齿进给量作调整，选取B2。最终选定的切削参数是根据A2B2C1作适当调整得到的，切削速度取60mm/min，每齿进给量取0.5mm/z，切削深度取0.3mm。选定切削参数后，按优化的铣削参数投入实际生产。经检验，按优化后的切削参数加工，表面粗糙度值能稳定地控制在Ra＝0.874～0.937，满足加工要求。

四、结论

采用正交试验法，可以通过较少次数的切削试验，快速有效地揭示TC4材料铣削过程中表面粗糙度的变化规律，并优化切削参数。

参考文献

［1］袁哲俊.金属切削实验技术［M］.北京:机械工业出版社，1988

［2］王先逵.机械制造工艺学［M］.第1版.北京:机械工业出版社，2006

［3］杜随更，吕超，任学军，杨振朝.钛合金TC4高速铣削表面形貌及表层组织研究［J］.航空学报，2008 （6）:1710－1715

［4］史兴宽，杨巧风，蔡伟，张明贤，陈明，张树全，宋良煌，唐晓兰.钛合金TC4高速铣削表面完整性的研究［J］.航空制造技术，2001（1）:30－35

［5］倪为国，潘延华.铣削刀具技术及应用实例［M］.第1版.北京:化学工业出版社，2007

［6］邹浩波.高速切削加工表面粗糙度的研究［D］.昆明:昆明理工大学，2006

［7］李国平，郭丽波，陈文，宋志安.1Cr23Ni18耐热不锈钢车削工艺参数优化研究［J］.机械制造，2008（2）:43－45

【注释】

[1]原载《广西轻工业》.2009（12）