基于正交試驗法的GH4169高速銑削表面粗糙度研究

胡知音，孟廣耀，夏海濤

（青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266033）

0 引言

高溫合金GH4169具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕性能，是較為典型生產量較大的鎳基合金之一，廣泛應用于航空航天、艦船、動力及石油化工行業。高速銑削具有提高生產效率、改善加工表面質量等優點，在先進制造技術中有著強大的生命力。表面粗糙度是衡量加工表面質量的重要指標，它影響零件的裝配互換性、耐磨性、疲勞強度等。本文對高速銑削不同切削參數條件下的表面粗糙度進行了研究。

正交試驗法是利用整齊的正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較、統計分析，在因素變化范圍內均衡抽樣，以盡可能少的試驗次數找到影響因素中的主要矛盾，進而得出指導生產實踐的正確結論。

1 試驗因素和水平的確定

高速切削加工中，影響表面粗糙度的因素很多而且相互作用復雜，但概括起來可以分為切削參數、切削過程隨機因素、刀具因素和工件因素。由于可轉位刀具在數控機床中的廣泛使用，刀具的幾何尺寸及刀具安裝后形成的刀具幾何參數 （刀具因素）可以相對固定地確定下來，機床的動態性能（切削過程隨機因素）也可以依靠機床精度保持性得到保證，并且從目前看，在實際生產中主要考慮的還是切削參數，因此切削參數的選取就成為影響表面粗糙度的主要因素。本研究確定的試驗因素:銑削深度ap、主軸轉速n、進給量f、銑削寬度ae。結合生產經驗，每個因素選出4個不同的因素水平（見表1）。本試驗屬于四因素四水平試驗，選取L16（45）正交表安排試驗，表中選取第2列為空列。

表1 各切削參數的因素水平

2 高速銑削加工試驗條件

（1）試件材料

鎳基合金 GH4169，10mm×72mm×150mm 矩形塊，加工表面為72mm×150mm，GH4169化學成分見表2。

表2 GH4169的化學成分/%

（2）加工機床及刀具

試驗所用加工機床為MV-80立式加工中心，機床行程800mm×800mm×300mm。主軸最高轉速4000 r/min。試驗用刀具為鑲片式可轉位硬質合金盤銑刀，鑲嵌刀片為2片，刀片型號為三菱APMT1135PDER-H2，刀桿直徑d=20mm，采用順銑干銑方式。

（3）測量儀器

試件加工表面粗糙度用型號為PGI800-3D的粗糙度輪廓測量分析儀測量。測量原理為:傳感器的金剛石測針沿垂直于試件加工紋理方向運動，將表面微觀起伏的上下運動轉換為電信號，數字處理后顯示測量結果。選取測量參數:取樣長度L=0.8mm，評定長度為5 L。

3 試驗結果及分析

在進行高速銑削加工后測量試件的表面粗糙度。由于其測量具有不確定性，為減小測量誤差，在此采用3次測量取平均值的方式。分別在試件3個標記處測量表面粗糙度，以3次測量的平均值作為該次加工后試件表面粗糙度的評定結果。表面粗糙度的測量結果見表3。

表3 表面粗糙度測量結果

極差分析法計算簡便、直觀、簡單易懂，以反映各因素對試驗指標影響的顯著程度。運用極差分析法對表4試驗結果進行分析，計算出銑削深度、主軸轉速、進給量和銑削寬度對表面粗糙度的平均影響效果。分析結果見表4。

表4 對表面粗糙度影響分析結果

表 4 中 K1、K2、K3、K4分別代表 4 個試驗因素在1、2、3、4水平下測量的表面粗糙度的平均值，R 代表各因素4個水平下的最大極差，由極差結果可以看出，在高速銑削鎳基合金GH4169的試驗過程中，對加工表面粗糙度影響最為顯著的因素是銑削深度，其次為銑削寬度，影響最弱的因素為主軸轉速和進給量。

3.1 高速銑削表面粗糙度成因分析

在實際高速銑削加工過程中，可以認為表面粗糙度由理想表面粗糙度和自然表面粗糙度2個獨立因素綜合影響的結果。

根據表4的分析結果，結論見圖1。

圖1 高速銑削參數對表面粗糙度的影響曲線

式中d——銑刀直徑；

vf——進給速度，vf＝fn；

n——主軸轉速。

（2）自然表面粗糙度 主要由切削過程中的不確定因素確定，這些因素包括系統剛性、系統振動、刀具磨損、工件組織缺陷等。在加工過程中這些因素的影響可能呈現出一定的規律性，但很多還是具有隨機性，使得加工表面粗糙度偏離理論粗糙度。

3.2 高速銑削參數對加工表面粗糙度的影響分析

由圖1可以看出隨著銑削深度的增大，表面粗糙度近似成線性增大，原因是隨著銑削深度的增大，銑削面積增大，切削力增加，導致試件的表面粗糙度增大；隨著主軸轉速的增加，在轉速為1100 ～1300 r/min內表面粗糙度略有升高，1300 ～1500 r/min時表面粗糙度值下降很快，但當轉速到達一定程度后，切屑與刀具的摩擦熱增大，刀具磨損加劇使表面粗糙度值急劇上升；在所選水平之內隨著進給量的增大，表面粗糙度值有增有減，總體

（1）理想表面粗糙度 主要由刀具幾何參數、切削參數來確定，在忽略機床振顫和運動不精確度等因素的前提下可以達到的最佳表面粗糙度。高速銑削理想表面粗糙度模型為呈現遞增趨勢；隨著銑削寬度的增加表面粗糙度值下降，這是由于銑削寬度較小時刀刃切削的時間極短，試件相對所受沖擊力較大，系統振動略有增加，而下降到一定值后由于銑削寬度的增加使切削力急劇增加，降低了表面加工質量。

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