硬质合金立铣刀铣削c18钛合金切削力的正交优化

硬质合金立铣刀铣削c18钛合金切削力的正交优化

不等齿间距立铣刀的仿真分析钛合金具有强度高、热强度好、耐腐蚀性好等优点，在航空航天和国防等领域得到广泛应用。它通常用于航空车辆的大组件和框架材料。在钛合金切削过程中,刀具的几何参数对金属的变形、切削力、切削温度和刀具磨损都有显著影响,从而影响切削效率、刀具耐用度、加工表面质量和加工成本。因此,为了充分发挥刀具的切削性能,对钛合金铣削过程中的刀具几何参数优化具有重要意义。国内外学者对钛合金切削过程中刀具几何参数对切削性能的影响进行了大量的研究工作。C.-F.Wyen研究了圆角切削刃刀具对钛合金Ti6AL4V切削性能的影响。对摩擦力的计算提出了一种新的算法,结果表明在切削刃半径为10μM时,摩擦力最小。Shirase.K分析了不等齿间距立铣刀的铣削过程,表明在两种不等齿间距(120,100,80,60°和120,60,120,60°)下,均可以有效减少振动和表面误差。Wang使用整体硬质合金加工TC4钛合金,研究了刀具前角和螺旋角对切屑的影响,表明角度的选择是相互关联的,分开选择不能得到期望的理想值。Takeuchi研究了球头立铣刀切削刃形状、前刀面和后刀面对于刀具寿命的影响。在稳定的加工条件下,细微的改变前刀面和后刀面的参数,可延长刀具寿命。林琪研究了刀具齿数、前角、螺旋角对铣削Ti6Al4V时铣削力和铣削温度的影响规律,刀具齿数对铣削力的影响最大,其次是前角、螺旋角。王洪祥对钛合金铣削过程进行有限元分析,表明当刀具前角为10°至20°,后角为12°至20°,螺旋角为30°至45°时比较适钛合金TC4的铣削。王其琛研究了TC18钛合金铣削加工过程中的刀具磨损形态和磨损机理,表明对于无涂层刀具铣削TC18钛合金时,刀具的失效形式主要为崩刃。在大飞机的研制中,高强度钛合金的大量应用是一个重要趋势,特别是一些关键受力部位的大型构件通过采用新型高强度钛合金材料来获得更高性能。TC18钛合金作为一种应用于飞机对接框类零件的超高强度合金,切削余量大,表面硬度极高,因此采用合适的加工刀具进行高效铣削非常重要。本文采用正交试验法,使用K44硬质合金立铣刀进行了TC18钛合金铣削试验,研究了刀具几何参数(前角、容屑槽角、螺旋角、端齿前角、不等分角)对切削力的影响规律,建立了基于刀具几何参数的切削力预测模型,并以获得最小切削力为优化目标,对刀具几何参数进行了优化,为TC18钛合金航空结构件的铣削加工提供了实验依据。2钛合金磨坊实验2.1cr-1fe+实验采用的材料为TC18钛合金,名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe,该合金属于过渡型(α+β)合金,兼有(α+β)和β合金的性能特性,具有强度高、耐高温、变塑性好、淬透性高、抗腐蚀能力强等优点。试件形状为长方体,几何尺寸为110mm×67mm×80mm。2.2铣削参数选择实验机床选用VMC850三坐标数控加工中心;刀具采用K44硬质合金平底立铣刀,刀具直径为12mm,4齿,每组实验都采用新刀具,共采用16把刀具;铣削参数选择通用的一组钛合金铣削参数:机床主轴转速为1500r/min,每齿进给量为0.02mm/z,铣削深度为0.5mm,铣削宽度为5mm,悬深为32mm;铣削方式为顺铣,采用乳化液冷却。切削力测量系统由Kistler9255B三向动态压电式测力仪、Kistler5017A电荷放大器和DEWE3010数据采集与处理系统组成。在数据读取时,连续提取50个周期的最大切削力取平均值作为切削力的数值,图1为典型铣削力信号。2.3端齿前角和不等分角铣刀的几何参数很多,前角的大小影响刀尖的锋利程度,容屑槽角度影响刀具的排屑性能,螺旋角大小与切削阻力密切相关,端齿前角对切削性能的影响较大,不等分角能够有效抑制金属铣削加工过程中的颤振问题。因此在本实验中,选取的有:前角、容削槽角、螺旋角、端齿前角和不等分角,如图2所示。本文采用五因素四水平正交试验的方法进TC18钛合金的铣削实验,分别测量出X和Y方向的切削力,其中Y为走刀方向。具体刀具几何参数选择和切削力测量结果如表3所示。3结果与分析3.1试验结果的显著性检验根据表3中的实验数据,采用最小二乘算法,进行多元线性回归,求得X和Y方向切削力的经验公式:式中:γ0———前角;φ———容屑槽角;β———螺旋角;γf———端齿前角;θ———不等分角。在建立经验过程中,由于不等分角的取值是从0°开始,在回归分析的过程中,取10-10代替。采用F值检验法对回归方程进行显著性检验,F值检验法规定:实验因素数为m,实验次数为n,给定显著性水平为:0.05,若F<F0.05(m,n-m-1),则称Y与Xi间没有明显的线性关系,回归方程不可信;若F>F0.05(m,n-m-1),则称Y与Xi间有显著的线性关系。本文m=5,n=16,查F分布表得F0.05(5,10)=3.33。由计算得切削力的回归方程F值分别为7.71与5.43,均大于F0.05(5,10)=3.33,方程显著。刀具参数的回归方程与实际情况拟合较好,建立的经验公式可信。铣削力对各刀具参数的相对灵敏度即为参变量的指数。由此可知,在钛合金高速铣削条件下,X向的铣削力对螺旋角最为敏感,对容屑槽角的变化敏感次之,然后依次为端齿前角和前角,对于不等分角的变化最不敏感。Y向铣削力同样对螺旋角最为敏感,对端齿前角的变化敏感次之,然后依次为前角和容屑槽角度,对于不等分角的变化同样最不敏感。3.2不同容屑槽角对切削性能的影响根据表3中的切削力测试结果,可以看出X向切削力是Y向切削力的2.5倍左右,X向切削力的大小范围为:25~42N,Y向切削力的大小范围为:10~18N。对表3中的切削力测试结果进行极差分析,并分别绘制前角、容削槽角、螺旋角、端齿前角和不等分角对切削力的影响曲线,如图3所示。可以看出,刀具几何参数对切削力Fx的影响大小顺序为:端齿前角>螺旋角>容屑槽角>不等分角>前角;刀具几何参数对切削力Fy的影响大小顺序为:端齿前角>前角>不等分角>螺旋角>容屑槽角度。根据图3(a)所示,随着前角的增大,X向的切削力值随之减小;随着容屑槽角的增大,X向的切削力值随之降低;随着螺旋角的增大,X向的切削力值随之降低;随着端齿前角的增大,X向的切削力值降低;随着不等分角的增大,X向的切削力值先降低后又升高。根据图3(b)可知,随着前角的增大,Y向的切削力随之减小;随着容屑槽角的增大,Y向的切削力值先降低然后略有升高;随着螺旋角的增大,Y向的切削力值随之降低;随着端齿前角的增大,Y向的切削力值降低;随着不等分角的增大,Y向的切削力值先降低再升高后又降低呈折线形变化。由刀具理论可知,随着前角的增大,刀具刃变得更加锋利,因此X、Y向切削力值随之减小,但是前角过大会使刀刃的强度变小,在加工中易出现振动、卷刃和崩刃,在本次实验中选取前角为10°时X、Y向铣削力值均最小。随着容屑槽角度的增大,X向的铣削力随之减小,这是因为一般刃数少的铣刀随着容屑槽增大,排屑良好,Y向铣削力随容屑槽角度变化规律不是很明显。立铣刀的螺旋角越大,工件与刀刃的接触线越长,施加到单位长度的刀刃上的负荷会减小,从而有利于刀具寿命。并且,径向切削阻力随着螺旋角的增大而减小,从而随着螺旋角的增大,X向的切削力一直在减小,Y向铣削力总体也保持着下降的趋势。随着端齿前角的增加,X、Y向铣削力值均明显下降。这是因为随着端齿前角的增大,底刃前刀面与轴线的夹角增大,刀具更锋利且更容易切入,因此铣削力降低,8°时X、Y向铣削力均达到最小值。在铣削过程中,等分角铣刀因易产生加工系统自激振动而降低加工表面质量、精度及效率。不等分角的选取是否合理,会直接影响到切削的稳定性。随着不等分角的增大,X向铣削力先降低后上升,Y向铣削力值变化一波三折,在3°时,铣削力达到最小。3.3刀具几何参数组合根据极差分析结果以及图3中各刀具几何参数对切削力的影响规律,对刀具几何参数进行优选。首先以X向最小切削力为优化目标,获得最佳刀具几何参数组合为:前角为10°,容削槽角为40°,螺旋角为45°,端齿前角为8°,不等分角为5°;以Y向最小切削力为优化目标,获得最佳刀具几何参数组合为:前角为10°,容削槽角为30°,螺旋角为45°,端齿前角为8°,不等分角为3°。由于X向切削力比Y向切削力大,因此综合考虑X和Y向切削力时,以X向切削力为主,因此最终获得最优刀具几何参数组合为:前角为10°,容削槽角为40°,螺旋角为45°,端齿前角为8°,不等分角为5°,此时X向铣削力Fx为25.17N,Y向铣削力Fy为9.95N。4铣削tc18钛合金的切削力和内(1)建立了基于刀具几何参数的切削力预测模型,