硬質合金刀具高速切削7075鋁合金表面粗糙度預測模型

謝林濤， 張 雁， 馬春露， 王春宇， 趙雙悅， 魯政熙

(長春大學 機械與車輛工程學院， 吉林 長春 130022)

Al7075-T6是一種冷處理鍛壓合金，是商用最強力合金之一；具有強度和硬度高、密度小、抗腐蝕性好等優異的綜合性能，已成為制造飛機蒙皮、壁板、肋和桁條等結構零部件的材料[1-2]。但是其熱脹系數大，切削時產生的切削熱易引起工件熱變形，且在切削時，易在刀刃形成熔焊現象[3]，影響加工精度和表面粗糙度，因此引起許多學者的關注并對其進行研究。

李立軍等[4]研究了刀具刀尖圓弧、前角及副偏角對銑削鋁合金表面粗糙度的影響規律以及影響權重；王一卓等[5]分析了轉速、背吃刀量以及刀具前角對切削鋁合金工件殘余應力的影響。羅西等[6]對PCD刀具在不同切削參數下鈍化對切削鋁合金表面粗糙度的影響進行了研究；姚煬等[7]利用DEFORM-3D有限元仿真軟件對PCD刀具高速切削鋁合金的切削力進行了仿真研究，為其切削參數的優選提供了理論依據。伍文進等[8]基于正交試驗對6061鋁合金進行了研究，分析了各個因素對粗糙度的影響規律及成因，通過極差和方差最終確定粗糙度的最優組合。

雖然很多學者對切削鋁合金進行了研究，但是在高速切削情況下，對硬質合金刀具切削鋁合金后工件表面質量研究還是較少。課題組通過改變刀尖圓弧半徑、切削速度、進給量和背吃刀量，利用正交試驗法，用硬質合金刀具對鋁合金材料進行大量高速切削試驗，測量其表面粗糙度；研究切削參數對表面質量的影響規律，為未來Al7075-T6的高速切削參數的優化提供一種研究方法。

1 試驗設計與結果分析

1.1 工件材料

工件材料為Al7075-T6鋁合金，其規格為?50 mm×300 mm，由產品質量檢測報告得知Al7075-T6鋁合金的化學成分和力學性能[9]如表1和表2所示。

表1 Al7075-T6鋁合金化學成分表

表2 Al7075-T6鋁合金力學性能

1.2 試驗設備

試驗機床為東昱精機CNL-100AL機床，如圖1所示，切削方式為干式切削，刀具采用株洲鉆石公司生產的硬質合金刀具，其型號為CNMG120408，牌號為YCB011，如圖2所示。

圖1 東昱精機機床Figure 1 Dongyu precision machine tool

1.3 正交試驗方案

為了研究各個因素對鋁合金表面粗糙度的影響，設計了以硬質合金刀具的刀尖圓弧半徑和切削三要素的4因素正交試驗，具體的因素水平表如表3所示。按照正交試驗方案進行切削試驗，試驗后冷卻12 h；然后使用WYKO N7910光學輪廓儀測量已加工表面的表面粗糙度，同一條件下，每段取3個點進行測量，測得粗糙度后取其粗糙度的平均值，測量的結果如表4所示。

表3 試驗因素水平表

圖3 切削參數對表面粗糙度影響曲線Figure 3 Influence curve of cutting parameters on surface roughness

表4 試驗方案及結果

1.4 試驗結果分析

極差分析法是正交試驗結果分析最常用的方法[10]，擁有計算簡單、直觀易懂等優點。以加工表面的粗糙度作為試驗指標對其結果進行極差分析，借此確定各個試驗因素對試驗指標的影響程度。極差分析計算結果如表5所示,其中ki(i=1，2，3)表示各因素影響切削結果的均值。由表5可知，在高速切削鋁合金試驗中各個因素對表面粗糙度的影響的顯著性由高到低分別是進給量f、刀尖圓弧半徑R、切削速度vc和背吃刀量αp，即f>R>vc>αp。

表5 表面粗糙度極差分析表

由圖3(a)可知，隨著刀尖圓弧半徑R的增加，鋁合金表面粗糙度呈先增大后減小趨勢，這是由于在實際切削過程中，刀尖圓弧半徑R的增大使得刀尖與工件接觸面積增大,使得切削力增大, 造成切削材料振動趨勢增大；同時因為鋁合金熔點較低，從而使得切屑附著在刀具表面，導致刀具切削質量下降，工件表面粗糙度增大；而在刀尖圓弧增加到一定程度后，隨之增大的切屑便不易附著在刀具表面，使得工件表面粗糙度有些許下降。

由圖3(b)可知，隨著切削速度vc的增大，工件表面粗糙度逐漸下降。在實際切削過程中，切削速度vc越大，切削變形越不充分，表面粗糙度越??；此外由于切削速度較高，不易產生積切屑瘤和鱗刺，所以切削速度增大，工件表面粗糙度減小。試驗中如采用較高的切削速度能得到較高的表面質量。

觀察圖3(c)可以發現，進給量f同工件表面粗糙度呈正相關，表面粗糙度隨著進給量的增加而增大，與理論粗糙度公式[11]Ra?f2/32R相符。在實際切削加工過程中，進給量的大小影響著工件上殘余幾何面積的大小，當f增大時，會增大殘留面積的高度，同時會增大切削力和摩擦力，進而會對表面粗糙度Ra產生影響，呈現出明顯變大的趨勢。

由圖3(d)可知背吃刀量αp越大工件表面的粗糙度越低。背吃刀量是通過切削刃基點并垂直于工作平面的方向上測量的吃刀量[12]，是每次進給時車刀切入工件的深度。在切削過程中，隨著背吃刀量的增加，切削深度隨之增大，引起了工件塑性變形增大而利于切削，此時表面粗糙度降低。

2 多元回歸模型預測

根據現有的正交試驗數據建立鋁合金的表面粗糙度預測模型，從而實現后續硬質合金加工7075鋁合金時對切削參數的選擇和調整，進而提高硬質合金加工效率和提升7075鋁合金表面質量。由于工件表面粗糙度同刀尖圓弧半徑R、切削速度vc、進給量f及背吃刀量αp沒有明顯的線性關系，遂假設其服從指數曲線分布，根據多元非線性回歸方程建立表面粗糙度模型，得方程式：

Ra=KRC1vcC2fC3apC4。

(1)

式中：K為工件表面粗糙度的影響系數；R為刀尖圓弧半徑；vc為切削速度；f為進給量；αp為背吃刀量；C1,C2,C3和C4為回歸系數。

將式(1)轉化成多元線性回歸方程；對其兩邊取對數得：

lnRa=lnK+C1lnR+C2lnvc+C3lnf+C4lnap。

(2)

令lnRa=y；lnK=C0；lnR=x1;lnvc=x2;lnf=x3；lnap=x4;則

y=C0+C1x1+C2x2+C3x3+C4x4。

(3)

式中：x1,x2,…,…,xn為回歸變量。

C1,C2,…,…,Cn為回歸系數,設(xi1,xi2,xi3,xi4,yi)T(i=1,2,…,9)是9個觀測值，將其轉化成矩陣形式：

也可表達為：

y=XC+ε。

(4)

式中ε為試驗誤差。

(5)

將表4中的數據代入式(3)得：

將X和y值代入公式中(5)可得

將所得數值代入式(1)中，可得Al7075-T6鋁合金的表面粗糙度模型為：

(6)

3 粗糙度預測模型檢驗及驗證

3.1 粗糙度預測模型顯著性檢驗

為了驗證所建立的表面粗糙模型的準確性，進行離差平方和計算，計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

RSS=TSS-ESS=2.263 937。

(10)

(11)

取工件表面粗糙度模型置信度為95%,即α=0.05，查F界值表可得F0.05(4,4)=6.39，F為2個均方的比值，通過式(11)計算得F=7.180 119 093>F0.005(4,4)，表明該預測模型是高度顯著，數據擬合情況較好，擁有較高的可信度，可以通過切削參數進行鋁合金表面粗糙度預測。

3.2 粗糙度模型試驗驗證

為了驗證建立的工件表面粗糙程度模型的準確性，對Al7075-T6進行高速切削試驗，在切削完成后,每一段取3個點測量粗糙度值，并取其平均值。

將表6中各個參數代入式(6)的預測模型之中，計算出其表面粗糙度。將預測結果同實際結果進行對比，結果如圖4所示。從圖4中可以看出表面粗糙度預測值同實際測量值的差值小于0.07 μm；觀察圖5可知，其誤差率在2%～6%之間，該模型預測誤差率最大不超過6%，可以達到硬質合金高速切削表面粗糙度的預測要求。

圖4 鋁合金表面粗糙度測量值與預測值對比Figure 4 Comparison of measured and predicted values of aluminum alloys surface roughness

表6 切削試驗驗證

圖5 鋁合金表面粗糙度預測值與測量值的誤差率Figure 5 Comparison of error rate between predicted value and measured value of aluminum alloy surface roughness

4 結語

針對金屬切削中的切削參數選擇及表面質量問題，課題組通過對刀尖圓弧R、切削速度vc、進給量f及背吃刀量αp對加工后工件表面質量的影響進行研究分析，建立了表面粗糙度預測模型。研究發現：在使用硬質合金高速切削Al7075-T6鋁合金時,對表面粗糙度影響最大的主要是切削速度和進給量，若采用高速、低進給可以獲得較好的表面質量；建立的預測模型試驗值與預測值誤差率在2%～6%之間，能夠準確地預測表面粗糙度，具有較高可信度；通過預測模型可分析切削參數對表面粗糙度的影響規律，為Al7075-T6的高速切削參數的合理選擇提供參考依據。