低頻振動鉆削工程陶瓷軸向力預(yù)測模型研究

陸勝凱

(江蘇省濱海中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

工程陶瓷因具有密度低、硬度高、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在軍事、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域有著重要作用，應(yīng)用前景極為廣闊[1]。由于工程陶瓷硬脆性的特點，在鉆削加工中易出現(xiàn)工程陶瓷出入口崩豁和刀具壽命低等問題，被公認(rèn)為是一種典型的難加工材料[2]。目前，工程陶瓷孔加工的方法主要采用金剛石鉆頭的機械加工和特種加工[3-4]。特種加工方法設(shè)備造價昂貴， 加工效率低。所以，采用金剛石鉆頭對工程陶瓷進行孔加工的方法仍是目前首選的方法[5]。

工程陶瓷鉆削加工中軸向力對工程陶瓷出入口崩豁和刀具壽命低有著重要的影響，學(xué)者們[6-7]對工程陶瓷加工鉆削軸向力進行了研究，其目的是改善工藝參數(shù)對孔表面質(zhì)量的影響，但是較少建立軸向力的預(yù)測模型。綜合考慮低頻振動鉆削中的主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和振動幅度對鉆削軸向力的影響，建立鉆削軸向力的模型，并進行試驗驗證，對加工參數(shù)的優(yōu)化和實際加工有一定的參考意義。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備

鉆削試驗設(shè)備為漢川XH715D加工中心、Mitis PG8040振動刀柄、金剛石鉆頭(內(nèi)徑φ6 mm/外徑φ8 mm)、測力儀和計算機。軸向力測量原理圖如圖1所示。

圖1 軸向力測量原理圖

1.2 工件試樣

工件為99.5%Al2O3工程陶瓷，厚度8 mm。Al2O3程陶瓷的物理特性參數(shù)如表1所示。

1.3 試驗方案

選取主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和振幅3個工藝參數(shù)作為正交試驗三因素，分別選取3個水平，構(gòu)成三因素三水平的正交試驗方案，要選用L9(34)型正交表。表2為低頻振動孔加工正交試驗表。

表1 Al2O3陶瓷物理特性參數(shù)

表2 低頻振動孔加工正交試驗表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軸向力試驗結(jié)果

在加工過程中，鉆削力是作用于刀具上的瞬時變化空間力。研究對象取最能反映鉆削力的z向軸向力。所有鉆削軸向力大小，均是在同樣條件下5次峰值區(qū)的均值。正交試驗方案和結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果

2.2 軸向力預(yù)測模型的建立

根據(jù)以往的試驗研究，陶瓷加工中的磨削力多為非線性冪函數(shù)模型[8]，影響低頻振動孔加工的軸向力F的工藝參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速n、進給速度f和振動幅度A。因而假設(shè)低頻振動孔加工的軸向力與3個工藝參數(shù)滿足關(guān)系：

(1)

式中，F(xiàn)為軸向力(N)；K為與刀具、工件等有關(guān)的系數(shù)；a1、a2、a3為待定系數(shù)。

對式(1)同時取對數(shù)進行線性化處理，得

InF=InK+a1Inn+a2Infr+a3InA

令y=InF；β0=InK；βi=ai，(i=1，2，3)；x1=Inn；x2=Infr；x3=InA

則建立多元線性數(shù)學(xué)模型：y=β0+β1x1+β2x2+β3x3

由此得到多元線性方程式組：

則有：y=Xβ，β=(XTX)-1XTy

2.3 軸向力預(yù)測模型的試驗驗證

采用其他工藝參數(shù)進行實際孔加工，通過得出的實際數(shù)據(jù)與預(yù)測值的比較，對建立的預(yù)測模型的可靠性和準(zhǔn)確性進行試驗驗證。預(yù)測模型的驗證試驗結(jié)果如表4所示。

表4 驗證試驗結(jié)果

將驗證預(yù)測模型試驗所得的實際軸向力與通過軸向力預(yù)測模型所得到的預(yù)測值相比較，同時使用絕對誤差和相對誤差2種計算方法，得到表5。

表5 軸向力的預(yù)測值與實際值

由表5可知，相對誤差的最大值為6.0%；相對誤差的最小值為3.4%，誤差均在6%內(nèi)，預(yù)測模型所計算預(yù)測值與實際測量值較為接近，具有較高準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié)論

1)針對低頻振動鉆削軸向力與多因素間復(fù)雜關(guān)系，非線性冪函數(shù)能建立可靠的軸向力預(yù)測模型。

2)通過試驗對比，得到氧化鋁工程陶瓷低頻振動孔加工軸向力F預(yù)測模型誤差值在6%內(nèi)，與試驗實際結(jié)果的數(shù)值較為接近，對工藝參數(shù)的優(yōu)化和實際加工刀具有一定的參考意義。