基于響應曲面法的鈦合金TC4切削力試驗研究

陳博

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

【關鍵詞】TC4；車削參數；響應曲面法；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機械性能而被廣泛的應用于航天、航空、醫療、化工等領域。然而，熱導系數低、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、加工質量有重要影響[2-3]。因此，建立切削力預測模型，研究鈦合金切削力的變化規律，對于延長刀具壽命，優化切削參數有重要意義。

響應曲面法（Response Surface Methodology，RSM），是建立過程模型并對模型進行優化的一種統計學試驗設計[4]。本文基于響應曲面法設計試驗，建立了鈦合金TC4切削力預測模型，分別研究了切削參數單因素項及交互項對切削力的影響規律。最后以切削力最小為目標對車削參數進行了優化，為鈦合金TC4車削參數的優選及刀具壽命的提升積累了試驗數據。

1 試驗條件

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

將數控車床、工件、刀具、Kistler測力儀、電荷放大器、數據采集裝置、電子計算機按圖1所示進行連接，使用DynoWare軟件對切削力數據進行采集。

2 試驗設計

采用BBD響應曲面法設計試驗，選取切削速度v、進給量f、背吃刀量ap3個車削參數為自變量，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，結果如表3所示。

3 切削力建模

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

4 車削參數對切削力的影響規律

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的影響較為復雜，當切削速度v低于100m·min-1時，切削溫度升高，摩擦系數減小，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。

圖4為當其他車削參數處于0水平時，交互項對切削力Fc的響應曲面，該曲面及其對應的等值線圖能夠直觀的反映出響應值與交互項之間的關系。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，Fc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，對車削參數進行優化。在試驗給定的車削參數范圍內，得到的最優結果為：v=124.35m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

5 結語

（1）基于響應曲面法建立的切削力二階響應曲面模型精確度高，在給定的車削參數范圍內，能夠有效的預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。

（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，應考慮交互項對Fc的影響；

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

【參考文獻】

[1]劉戰強，艾興，李甜甜，等.PCBN刀具加工TC4鈦合金的切削加工性[J].山東大學學報（工學版），2009，39（1）：77-83.

[2]楊毅青，徐東東.銑削力建模技術研究及實驗對比[J]. 中國科技論文，2015，10（4）：391-397.

[3]趙凱，劉戰強.銑削力預測方法和影響因素綜述[J].機械科學與技術，2015，（8）：1190-1200.

[4]梁永收，史耀耀，任軍學，等.基于響應曲面法的 GH4169銑削力預測模型研究[J].機械科學與技術，2010，29（11）：1547-1552.

[5]閆東平，姜彬.基于響應曲面法的鈦合金TC21銑削參數優化[J].工具技術，2016，50（8）：18-22.