高速铣削7050-T7451铝合金表面粗糙度研究

黄晓明，孙 杰

（山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061）

7050-T7451铝合金属于 Al-Zn-Mg-Cu系列合金，具有强度高、断裂韧度大、抗应力腐蚀性能好等优点，能有效提高飞机结构件的强度与刚度，降低飞机的空重，是航空航天工业应用最广泛的铝合金材料之一，广泛应用于现代飞机整体框、梁、壁板、长缘条等整体结构件［1－2］.

高速铣削能获得较高的材料去除率、很高的加工精度和良好的加工表面质量，因此在现代制造业中受到普遍重视［3］.表面粗糙度轮廓算数平均偏差（Ra）是高速精加工表面质量指标中的一个重要评价参数，粗糙度值的大小直接影响着零件的耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性，同时也影响着零件的装配精度和质量.影响表面粗糙度的因素很多，其中切削用量的选取是主要因素，特别是各切削用量值之间的匹配关系对加工表面粗糙度尤为重要.目前因铣削工艺参数选择不当而造成零件加工质量较差、加工效率较低的情况还比较严重，因此如何选择合理的铣削参数以降低铝合金的加工表面粗糙度，保证加工质量就显得尤为重要.

本文通过正交试验研究分析铣削参数对7050－T7451铝合金表面粗糙度的影响规律，为实现铝合金航空材料的高效、经济加工提供可靠的依据.

1 R a经验公式系数的确定

在高速铣削加工中，切削参数主要有：切削速度、进给量、轴向切削深度和径向切削深度.根据金属切削原理研究，在机床特征和刀具几何参数确定的前提条件下，表面粗糙度与切削参数之间存在复杂的指数关系［4－5］，设定本试验的铣削表面粗糙度经验公式的通用形式为

式中：C为取决于加工材料、切削条件的修正系数；v为切削速度；fz为进给量；ae为径向切宽；ap为轴向切深；b1，b2，b3，b4为待定系数.

为了建立预测模型，进行数学回归分析，须将非线性方程转化为线性方程.在式（1）两边分别取对数使之变换成线性函数，得：

令y＝lgRa，b0＝lgC，x1＝lgv，x2＝lgfz，x3＝lgae，x4＝lgap.

则

建立多元线性回归方程，采用矩阵形式表示为

式中：β0，β1，β2，β3，β4为变量x对应统计参数，b0为参数β0的最小二乘估计回归系数；εi（i＝1，2，…，16）为试验随机变量误差.

2 试验方法

2.1 试验材料与设备

试验材料选用美国Kaiser Aluminum ＆Chemical Corp.公司生产的7050-T7451预拉伸毛坯件，其主要力学性能如表1所示.

表1 7050-T7451铝合金力学性能Tab.1 Mechanical properties of 7050-T7451

试验是在五轴高速加工中心DMU-70V上进行的，其主轴最高转速18 000 r·min－1，最大功率为15 kW.刀具选用三齿硬质合金整体立铣刀，刀具几何结构为：前角19°，后角10°，直径为20 mm，刀尖圆弧半径1 mm.工件加工面为平面，铣削方式为顺铣，切削环境为干切削.

本试验采用Wyko NT9300光学轮廓仪测量工件表面形貌和粗糙度.为减小测量误差，在同一工件表面上选取5个测量点，取平均值作为试验值.

2.2 试验参数的选取及结果

在高速精加工中，切削用量的匹配对表面粗糙度值的大小影响很大，对于不同材料、不同精度要求的工件，需要进行大量的试切试验来确定.为减少试验次数，提高预测模型的准确性，采用4水平4因素正交回归试验的方法.按照高速精铣的要求，参考实际生产工况选取切削参数，同时适当扩大主轴转速的范围.试验方案、切削参数及试验结果如表2所示.

图1 实验设置Fig.1 Experimental set-up

图2是v＝502 m·min－1，fz＝0.14 mm，ap＝6 mm，ae＝6 mm加工参数下的表面形貌测试结果.从图中可以看到明显的交叉织网状形貌，这是由于铣削时铣刀前一齿与后一齿之间会有残留高度，每条均匀间隔突起的棱脊位移量等于铣削参数中的fz，反映出了铣刀切削刃的运动轨迹.

表2 正交铣削试验参数及结果Tab.2 Orthogonal experiment schemes and experiment results

3 分析与讨论

3.1 正交试验铣削参数的极差分析

图2 7050-T7451铝合金铣削表面Fig.2 Surface of 7050-T7451 aluminum alloy

根据表2的粗糙度测试结果，做出正交试验极差分析图，如图3所示.从图3可以直观地看出各切削参数对表面粗糙度的影响程度及变化趋势.轴向切削深度ap和每齿进给量fz增大使表面粗糙度呈现增大的趋势，并且fz的影响程度比较明显；而随着切削速度v的提高，粗糙度值则减小；切削宽度ae对表面粗糙度的影响不明显.因此，在实际生产中选取切削用量时，从减小表面粗糙度值的角度出发，在刀具寿命允许的条件下，建议采用较高主轴转速、较低进给率和轴向切削深度.

图3 铣削参数对表面粗糙度影响的极差分析Fig.3 Range analysis of milling parameters on R a

3.2 经验模型及检验

根据表面粗糙度经验公式中常系数的确定方法，对表2中的各数据进行多元线性回归计算，建立7050－T7451高速铣削时的表面粗糙度的经验公式：

由于表面粗糙度模型只是一种假设，要判断模型的拟合程度，必须对其进行检验.根据经验公式（5），计算不同加工参数组合下，7050-T7451铝合金表面粗糙度，将计算数值与试验值进行对比，如图4所示.从图4可以看出，所建预测模型呈高度显著状态，与实际情况拟合得很好，所以用本模型预测该铝合金的表面粗糙度具有较高的可信度.

图4 预测模型值与试验测量值对比图Fig.4 Scatterplot of the measured Ra and the predicted R a of the prediction model

3.3 方差分析

由以上分析可以得出，回归方程是高度显著的.为了研究自变量对因变量作用的显著程度，对试验结果进行方差分析.方差分析是将因变量y的总变异分解成归因于不同变异原因x的分量，研究各种分量对总变异的重要性.采用F检验，与给定显著水平的标准（F0.05（3，3）＝9.28）相比较，F值越大说明铣削参数对表面粗糙度影响越明显.从表3中可以看出，各个铣削参数对表面粗糙度的影响显著性排序为：fz＞v＞ap＞ae.进给速度和主轴转速的影响显著，是影响表面粗糙度的主要因素，而其他两个参数的影响较小.

4 结语

通过对航空铝合金7050-T7451材料进行高速切削试验，利用多元回归正交分析法建立其表面粗糙度预测模型，使用本模型进行表面粗糙度值的计算，可以减少试验次数，具有很高的可信度.铣削参数对表面粗糙度的影响显著性排序为：fz＞v＞ap＞ae.每齿进给量和切削深度的增大使粗糙度值呈现增大的趋势，而随着切削速度的提高，粗糙度值则减小.

表3 表面粗糙度加工参数显著性检验分析表Tab.3 Significance testing of the machining parameters on R a

［1］刘兵，彭超群，王日初，等.大飞机用铝合金的研究现状及展望［J］.中国有色金属学报，2010，2（9）：1705－1715.

LIU Bing，PENG Chaoqun，WANG Richu，et al.Recent development and prospects for giant plane aluminum alloys［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，2（9）：1705－1715.

［2］林纲，林慧国，赵玉涛.铝合金应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2006.

LIN Gang，LIN Huiguo，ZHAO Yutao.Manual for application of aluminium alloys［M］.Beijing：China Machine Press，2006.

［3］李亮，何宁，何磊，等.高速铣削铝合金时切削力和表面质量影响因素的试验研究［J］.工具技术，2002，36（12）：19－25.

LI Liang，HE Ning，HE Lei，et al.Experimental research on influencefactors of cutting force and surface quality during high speed milling alalloy［J］.Tool Engineering，2002，36（12）：19－25.

［4］袁哲俊.金属切削实验技术［M］.北京：机械工业出版社，1988.

YUAN Zhejun.Metal cutting experiment technology［M］.Beijing：China Machine Press，1988.

［5］王万中.试验的设计与分析 ［M］.北京：高等教育出版社，2004.

WANG Wanzhong.Design and analysis of experiment［M］.Beijing：Higher Education Press，2004.