基于响应曲面法的钛合金TC4切削力试验研究

陈博

【摘 要】为优化钛合金TC4车削参数，基于响应曲面法设计试验，建立了切削力二阶响应曲面模型，研究了车削参数对切削力的影响规律，以切削力最小为目标对车削参数进行了优化。研究结果表明：建立的模型精确度高，车削参数优化结果为v=124.35 m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

【关键词】TC4；车削参数；响应曲面法；切削力

中图分类号：TG506 文献标识码： A 文章编号： 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

合金由于具备良好的综合力学机械性能而被广泛的应用于航天、航空、医疗、化工等领域。然而，热导系数低、弹性模量小、加工硬化严重等问题又使得钛合金被划归为难加工材料[1]。切削力是研究切削过程的重要物理量，其大小对刀具寿命、加工质量有重要影响[2-3]。因此，建立切削力预测模型，研究钛合金切削力的变化规律，对于延长刀具寿命，优化切削参数有重要意义。

响应曲面法（Response Surface Methodology，RSM），是建立过程模型并对模型进行优化的一种统计学试验设计[4]。本文基于响应曲面法设计试验，建立了钛合金TC4切削力预测模型，分别研究了切削参数单因素项及交互项对切削力的影响规律。最后以切削力最小为目标对车削参数进行了优化，为钛合金TC4车削参数的优选及刀具寿命的提升积累了试验数据。

1 试验条件

试验材料及刀具几何参数如表1所示，机床选用Leadwell-T6型全功能数控车床，切削方式为单向走刀精车外圆。

将数控车床、工件、刀具、Kistler测力仪、电荷放大器、数据采集装置、电子计算机按图1所示进行连接，使用DynoWare软件对切削力数据进行采集。

2 试验设计

采用BBD响应曲面法设计试验，选取切削速度v、进给量f、背吃刀量ap3个车削参数为自变量，分别以x1、x2、x3表示。确定自变量变化范围：v为60-140 m·min-1，f为0.2-0.8mm·r-1，ap为0.1-0.7mm。按照方程Xi=xi-x0/Δx对自变量进行编码，其中Xi为编码值，xi自变量真实值，x0为中心点处自变量真实值，Δx为自变量变化步长。自变量的编码及水平如表2所示，其中0代表中心点，+1、-1代表因子点。

利用图1所示的切削力采集系统采集试验过程中的主切削力Fc，共进行17组钛合金TC4车削试验，结果如表3所示。

3 切削力建模

图2a为方程预测值与实际实验值的对应关系，图中所有的点基本在同一直线上，说明两组数据吻合程度良好；图2b为标准化残差与方程预测值的对应关系，图中所有的点随机分布，此时标准化残差与方程预测值不相关，说明拟合公式假定有效。

4 车削参数对切削力的影响规律

图3为钛合金TC4在车削条件下，当其他因素处于0水平时，单因素项对切削力Fc的响应曲线。由图3（a）-（c）可知：

（1）切削力Fc随背吃刀量ap的增加而升高，这是因为切削宽度aw随ap的增大而增大，此时刀具前刀面与切屑的接触面积增大，故切削力Fc升高。

（2）切削力Fc随进给量f的增加而升高，这是由于切削厚度ac随进给量f的增大而增大，此时切削变形抗力和摩擦抗力都会增大，故切削力Fc升高。

（3）切削速度v对切削力Fc的影响较为复杂，当切削速度v低于100m·min-1时，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，剪切力变小，故切削力有所降低；当切削速度v大于100m·min-1时，刀具磨损加剧，切削力有所上升但整体趋于平稳。

图4为当其他车削参数处于0水平时，交互项对切削力Fc的响应曲面，该曲面及其对应的等值线图能够直观的反映出响应值与交互项之间的关系。通过方差分析可知，交互项中只有ap和f对Fc的影响显著。如图4所示，Fc随ap和f的增加而升高，但升高的幅度不同，这是由于切削面积和切削厚度的增加都会导致切削力的升高造成的。

综上，在车削钛合金TC4时，小切削深度、小进给量、大切削速度是降低切削力Fc的有效手段。以切削力Fc最小为目标，对车削参数进行优化。在试验给定的车削参数范围内，得到的最优结果为：v=124.35m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

5 结语

（1）基于响应曲面法建立的切削力二阶响应曲面模型精确度高，在给定的车削参数范围内，能够有效的预测和分析车削钛合金TC4时的切削力Fc。

（2）单因素项v、f、ap对Fc的影响显著。切削力Fc随f、ap的增加而升高，随v的增加有所波动，当v大于100m·min-1时趋于平稳。

（3）交互项ap和f对Fc影响显著，对钛合金TC4进行切削力建模时，应考虑交互项对Fc的影响；

（4）在试验给定的切削参数范围内，以切削力Fc最小为目标，使用二阶响应曲面模型对车削参数进行优化，得到的最优结果为：v=124.35m·min-1、f=0.51mm·r-1、ap=0.7mm。

【参考文献】

[1]刘战强，艾兴，李甜甜，等.PCBN刀具加工TC4钛合金的切削加工性[J].山东大学学报（工学版），2009，39（1）：77-83.

[2]杨毅青，徐东东.铣削力建模技术研究及实验对比[J]. 中国科技论文，2015，10（4）：391-397.

[3]赵凯，刘战强.铣削力预测方法和影响因素综述[J].机械科学与技术，2015，（8）：1190-1200.

[4]梁永收，史耀耀，任军学，等.基于响应曲面法的 GH4169铣削力预测模型研究[J].机械科学与技术，2010，29（11）：1547-1552.

[5]闫东平，姜彬.基于响应曲面法的鈦合金TC21铣削参数优化[J].工具技术，2016，50（8）：18-22.