TC4 鈦合金鉆削力試驗研究和數學模型建立

于鵬飛， 王子敬

（1.忻州通用機械有限責任公司技術中心， 山西 忻州 034000；2.北方魏家峁煤電有限責任公司安全監察部， 內蒙古 鄂爾多斯 010308）

引言

TC4 鈦合金具有密度小、比強度高、抗蝕性好以及焊接性能良好等優點，目前在航天飛行器、船舶、汽車以及醫療行業都有非常廣泛的應用[1-2]，所以對鈦合金的高效高質量加工就顯得尤為重要。但是對TC4 鈦合金的機加工是比較困難的，在加工過程中該種加工材料會對刀具造成不同程度的損傷，特別是在鉆孔加工時，半封閉式的加工方式對刀具的破壞尤其嚴重。所以研究加工過程中的鉆削力變化特性，對改善鉆頭受力狀態和提高TC4 工件的加工質量具有較大意義。

對鉆削力的研究一直是國內外學者所關注的重點，在各方面已經取得了很大的進展，得出了一系列具有較高參考價值的結論。目前，對于TC4 鈦合金的鉆削力研究主要以有限元仿真和試驗為主，通過對二者結論進行對比分析，從而得出較為準確的結論，文獻[3]運用數值模擬和試驗相結合的方式對鉆削力進行了全面的研究，文獻[4-5]通過對試驗數據進行統計分析，擬合得出了鉆削力的數學表達式，并做了進一步的對比分析，證明了數學表達式具有不錯的計算效果。

為了充分考慮多因素下鉆削力的變化規律，并達到能夠對其進行理論預測的效果，本研究開展了一系列鉆削力試驗，并在大量數據統計分析的基礎上對鉆削力的變化規律和數學模型進行了研究。

1 TC4 鈦合金鉆削試驗

1.1 正交試驗設計

為了研究TC4 鈦合金鉆孔過程中的鉆削力，設計了本試驗。試驗中主要獲取在不同加工參數下的鉆削力數據，分析其在不同加工參數下的變化規律。試驗設備和材料如表1 所示，鉆孔系統結構如圖1所示。

表1 試驗設備和材料

圖1 鉆孔系統

本試驗制定三個影響因素，分別是鉆頭直徑、主軸轉速和進給速度，如表2 所示。

表2 試驗參數設置

1.2 試驗結果分析

根據正交試驗設計理論，在SPSS 環境中確定因素水平分布后，得出如下頁表3 所示的試驗結果統計表（采用L16（45）正交分布）。

表3 正交試驗結果統計

根據方差分析表（表4）中的檢驗統計量F 值的大小可以得出各因素對軸向力和扭矩的影響程度排序分別為：進給速度＞主軸轉速＞直徑，進給速度＞直徑＞主軸轉速。

表4 方差分析結果

1.3 鉆削力變化規律分析

圖2 所示為主軸轉速為300 r/min、進給速度為60 mm/min 時不同鉆頭直徑下的的鉆削力變化曲線。

從圖2 中可以看出，隨著鉆頭直徑的增大，軸向力和扭矩均隨之增大。

圖2 軸向力和扭矩隨鉆頭直徑變化曲線

圖3 所示為鉆頭直徑為7 mm、進給速度為90 mm/min 時不同主軸轉速下的鉆削力變化曲線。

從圖3 中可以看出，隨著主軸轉速的增大，軸向力和扭矩均逐漸減小。

圖3 軸向力和扭矩隨主軸轉速變化曲線

圖4 所示為鉆頭直徑為7 mm、主軸轉速為700 r/min 時鉆削力隨進給速度的變化曲線。

圖4 軸向力和扭矩隨進給速度變化曲線

從圖4 中可以看出，隨著進給速度的增大，軸向力和扭矩都逐漸增大。

2 多元回歸分析

為了得出多種影響因素共同作用下鉆削力的數學模型，運用統計學理論并基于指數模型，在SPSS Statistics 中進行多元回歸分析，可以形成基于試驗數據的鉆削力數學模型。該模型可以對鉆削力進行有效預測。初始模型如式（1）：

式中：α1、α2、α3和β1、β2、β3分別為鉆頭直徑、主軸轉速和進給速度對軸向力和扭矩的影響指數。對式（1）進行對數轉換后為：

以式（2）模型為基礎進行回歸分析，得到多因素鉆削力數學模型，如式（3）：

比較偏回歸系數后可知各影響因素對軸向力F和扭矩T 的影響大小分別為進給速度v＞主軸轉速n＞直徑d、進給速度v＞直徑d＞主軸轉速n，這與正交試驗結果是一致的。

3 結論

本研究對多種影響因素下的鉆削力變化規律進行了試驗，并進行了統計分析，得出了關于鉆削力的一系列結論：

1）通過試驗得出了各因素對鉆削力的影響規律，即，軸向力和扭矩隨鉆頭直徑和進給速度的增大而增大，隨主軸轉速的增大而減小。

2）運用多元回歸分析法對鉆削力的數學表達式進行了分析，得出了能夠預測鉆削力大小和變化規律的理論模型。

3）通過試驗數據分析和數學模型分析，得出了各影響因素對鉆削力的影響程度大小，即，對軸向力和扭矩影響最大的均為進給速度，而對軸向力和扭矩影響最小的分別是鉆頭直徑和主軸轉速。