TC4鈦合金銑削溫度預測的試驗及響應面法研究

鄧星，邵明輝，李順才，胡雨婷

(江蘇師范大學機電工程學院，江蘇徐州 221116)

0 前言

TC4鈦合金是一種典型α+β鈦合金，具有比強度高、耐腐蝕、耐高溫、強度高及焊接性好等優良特性，在航空航天、醫療器械、交通運輸等各個領域得到廣泛應用。但是由于TC4鈦合金導熱率低、屈強比高、塑性變形范圍窄小等性能特點，導致在鈦合金材料銑削加工過程中，在刀具刃口附近積聚的銑削熱不易散失，容易造成嚴重的刀具磨損，導致零件加工效率低、加工成本高、加工質量難以保證。因此，研究TC4鈦合金銑削加工時的表面溫度特性，對進一步了解TC4鈦合金的加工性能，優化銑削參數，提高加工效率等方面具有重要意義。黃揚研究了鈦合金切削加工過程中刀具溫度場的建模、測量與重構，實現了多工況下切削力、切削形態和界面熱源的準確預測。李寶棟等進行了鈦合金2D切削溫度仿真，建立了切削溫度的二次響應面回歸數學模型，最后進行了切削溫度試驗驗證。王沁軍和孫杰研究了高速銑削條件下工藝參數對TC4鈦合金切削力、切削振動等的影響規律。李占杰等采用紅外測溫儀研究了干式高速銑削參數對錫鉍合金工件切削溫度的影響。米少偉等采用人工熱電偶法研究了無涂層刀具和涂層刀具高速銑削過程中銑削參數對刀具溫度分布的影響。陶亮等人采用不同冷卻方式對鈦合金切削過程進行仿真分析，揭示了不同冷卻方式對鈦合金切削過程的影響規律。王晨羽和李金泉基于動態力學模型研究了鈦合金切削過程進給量對表面質量的影響規律。劉亞軍等開展了鈦合金疊層構件螺旋銑孔界面切削熱研究。向瑩和張祺開展了切削力預測數學模型研究。趙雪峰等研究了刀具鈍化非對稱刃口對銑削溫度場的影響，研究結果對實現刀具鈍化刃口優化，提高加工水平具有重要意義。劉具龍等建立刀具/工件接觸區域溫度預測模型，通過半人工熱電偶測溫試驗對模型的可行性與準確性進行了驗證。馮答從理論模型、仿真分析及橢圓振動輔助車削試驗方面對 EVC 切削溫度進行了研究。沈雪紅和王哲運用ABAQUS仿真理論，模擬車削加工過程中的切削力和切削溫度場，并進行了驗證。

目前，雖然已有許多學者開展了鈦合金加工性能的研究，但由于加工設備、工藝、材料以及試驗設備、方法的不同，針對TC4鈦合金銑削加工表面溫度的研究仍不夠深入，尤其缺少針對鈦合金銑削最高溫度的預測模型。本文作者通過單因素試驗，利用紅外熱像儀實時采集銑削刀具與工件接觸區域溫度的動態信號，研究不同銑削參數下TC4鈦合金銑削區域最高溫度的變化特征；建立鈦合金銑削最高溫度與銑削參數的關系模型，為鈦合金切削熱的理論與數值模擬研究提供參考。

1 試樣材料及設備

TC4鈦合金試件尺寸為218 mm×201 mm×40 mm，其化學成分如表1所示。采用北京第一機床廠生產的XKA714系列數控立式銑床，配合BT40刀柄，選用國產硬質合金刀具，型號為KATO XOEX120404FR。采用FLIR E60系列非接觸式紅外熱像儀和安裝FLIR Tools采集軟件的計算機組成銑削溫度測試系統，實時采集刀尖與工件接觸處的銑削溫度。試驗時采用順銑，干銑削條件。試驗系統、設備及材料如圖1所示。

表1 TC4鈦合金的化學成分

圖1 試驗系統設備及材料

2 試驗方案

FLIR紅外熱像儀定位刀尖與工件接觸處區域，利用其配套的溫度采集與分析軟件，實時采集TC4鈦合金被加工區域的最高溫度、最低溫度及平均溫度，采樣頻率為15 Hz，每次采樣時間為60 s。此次試驗主要研究主軸轉速、進給速度、銑削深度對銑削溫度的影響規律，每個因素設置4個水平,分別為 700、850、1 000、1 150 r/min，分別為8、10、12、14 mm/min，分別為1、2、3、4 mm。試驗流程如圖2所示。為防止試驗失誤造成數據缺失，在相同的銑削參數下進行2次銑削試驗，后文可根據數據的完整性及分析需要選取單數或雙數編號試驗數據進行分析。

圖2 試驗流程

3 試驗結果及分析

3.1 銑削區溫度特征值的時間歷程曲線

銑削試驗結束后，由FLIR Tools采集軟件可以導出熱像儀定位測溫區域的最高溫度、平均溫度、最低溫度，從而得到相應的溫度時間歷程曲線。圖3所示為不同銑削參數下測溫區域最高溫度的時間曲線。

由圖3可知：(1)銑削區最高溫度隨時間的變化曲線大致可分為2個階段:快速下降階段、比較平穩的波動階段;(2)銑削參數值越低，銑削溫度越低，但隨著銑削參數的增大，并非單調增加，如圖3(a)中=1 150 r/min時的比=850 r/min時的低,圖3(b)及圖3(c)中也出現類似的情況。

圖3 不同銑削參數下測溫區域Tmax的時間歷程曲線

3.2 溫度特征值隨銑削參數的變化規律

基于紅外熱像儀FLIR Tools軟件依次提取各次試驗中的最大溫度，研究單因素銑削參數對測溫區域的影響，繪制隨主軸轉速、進給速度及銑削深度的變化曲線如圖4所示。

圖4 Tmax隨銑削參數的變化曲線

由圖4可知：在3個銑削參數中，當其他2個銑削參數不變時，隨著第3個銑削參數的增加，總體呈上升趨勢。因為隨著切削參數的增大，刀具克服金屬彈、塑性變形抗力所做的功和克服摩擦力所做的功增加，產生的切削熱也顯著增加，故總體呈上升趨勢，但個別曲線出現先上升后下降的現象。

3.3 銑削溫度關于銑削參數的三元二次多項式回歸模型

由上述分析可知，銑削參數變化對TC4鈦合金的銑削溫度有明顯影響。為進一步探究銑削參數對銑削區域溫度的影響，預測不同銑削參數下的銑削溫度，基于表2試驗數據，通過Design-Expert軟件里的Box-Behnken Design試驗設計方法，進行以主軸轉速、進給速度、銑削深度分別為因素A、B、C及以最大溫度為響應值的響應面優化法試驗，建立銑削區域最大溫度關于銑削參數的三元二次多項式回歸模型，并對銑削溫度進行數值優化，得到3個銑削參數的最佳值。

表2 試驗數據

根據表2中的試驗數據，得到的三元二次多項式回歸模型如下：

=39270 8-0030 848+5352 78+

42886 70+0006 37·-0000 11·+

表3 方差分析

圖5 最大實測值Tmax與溫度擬合值的對比曲線

利用該軟件為響應值設置最小化目標，得到的最佳條件為=700 r/min、=8 mm/min、=1 mm。

4 結束語

本文作者以TC4鈦合金為試驗材料，用紅外熱像儀實時采集銑削區域的溫度，研究不同銑削參數下TC4鈦合金試樣的溫度變化，并用Design-Expert軟件對試驗數據進行了響應面分析，建立了三元二次多項式模型,得到響應值最大溫度最小化的最佳條件。結果表明：(1)隨著切削參數的增大，刀具克服金屬彈、塑性變形抗力所做的功和克服摩擦力所做的功增加，產生的切削熱也顯著增加；(2)建立的回歸模型可靠，可以較好地預測給定銑削參數下的最大溫度；(3)得到硬質合金刀具銑削TC4鈦合金時使為最小時的最佳銑削參數：主軸轉速=700 r/min、進給速度=8 mm/min、銑削深度=1 mm。