鄧星，邵明輝，李順才，胡雨婷

(江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 前言

TC4鈦合金是一種典型α+β鈦合金，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度高及焊接性好等優(yōu)良特性，在航空航天、醫(yī)療器械、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是由于TC4鈦合金導(dǎo)熱率低、屈強(qiáng)比高、塑性變形范圍窄小等性能特點(diǎn)，導(dǎo)致在鈦合金材料銑削加工過程中，在刀具刃口附近積聚的銑削熱不易散失，容易造成嚴(yán)重的刀具磨損，導(dǎo)致零件加工效率低、加工成本高、加工質(zhì)量難以保證。因此，研究TC4鈦合金銑削加工時(shí)的表面溫度特性，對(duì)進(jìn)一步了解TC4鈦合金的加工性能，優(yōu)化銑削參數(shù)，提高加工效率等方面具有重要意義。黃揚(yáng)研究了鈦合金切削加工過程中刀具溫度場的建模、測量與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多工況下切削力、切削形態(tài)和界面熱源的準(zhǔn)確預(yù)測。李寶棟等進(jìn)行了鈦合金2D切削溫度仿真，建立了切削溫度的二次響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型，最后進(jìn)行了切削溫度試驗(yàn)驗(yàn)證。王沁軍和孫杰研究了高速銑削條件下工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金切削力、切削振動(dòng)等的影響規(guī)律。李占杰等采用紅外測溫儀研究了干式高速銑削參數(shù)對(duì)錫鉍合金工件切削溫度的影響。米少偉等采用人工熱電偶法研究了無涂層刀具和涂層刀具高速銑削過程中銑削參數(shù)對(duì)刀具溫度分布的影響。陶亮等人采用不同冷卻方式對(duì)鈦合金切削過程進(jìn)行仿真分析，揭示了不同冷卻方式對(duì)鈦合金切削過程的影響規(guī)律。王晨羽和李金泉基于動(dòng)態(tài)力學(xué)模型研究了鈦合金切削過程進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律。劉亞軍等開展了鈦合金疊層構(gòu)件螺旋銑孔界面切削熱研究。向瑩和張祺開展了切削力預(yù)測數(shù)學(xué)模型研究。趙雪峰等研究了刀具鈍化非對(duì)稱刃口對(duì)銑削溫度場的影響，研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)刀具鈍化刃口優(yōu)化，提高加工水平具有重要意義。劉具龍等建立刀具/工件接觸區(qū)域溫度預(yù)測模型，通過半人工熱電偶測溫試驗(yàn)對(duì)模型的可行性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。馮答從理論模型、仿真分析及橢圓振動(dòng)輔助車削試驗(yàn)方面對(duì) EVC 切削溫度進(jìn)行了研究。沈雪紅和王哲運(yùn)用ABAQUS仿真理論，模擬車削加工過程中的切削力和切削溫度場，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

目前，雖然已有許多學(xué)者開展了鈦合金加工性能的研究，但由于加工設(shè)備、工藝、材料以及試驗(yàn)設(shè)備、方法的不同，針對(duì)TC4鈦合金銑削加工表面溫度的研究仍不夠深入，尤其缺少針對(duì)鈦合金銑削最高溫度的預(yù)測模型。本文作者通過單因素試驗(yàn)，利用紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集銑削刀具與工件接觸區(qū)域溫度的動(dòng)態(tài)信號(hào)，研究不同銑削參數(shù)下TC4鈦合金銑削區(qū)域最高溫度的變化特征；建立鈦合金銑削最高溫度與銑削參數(shù)的關(guān)系模型，為鈦合金切削熱的理論與數(shù)值模擬研究提供參考。

1 試樣材料及設(shè)備

TC4鈦合金試件尺寸為218 mm×201 mm×40 mm，其化學(xué)成分如表1所示。采用北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的XKA714系列數(shù)控立式銑床，配合BT40刀柄，選用國產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具，型號(hào)為KATO XOEX120404FR。采用FLIR E60系列非接觸式紅外熱像儀和安裝FLIR Tools采集軟件的計(jì)算機(jī)組成銑削溫度測試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集刀尖與工件接觸處的銑削溫度。試驗(yàn)時(shí)采用順銑，干銑削條件。試驗(yàn)系統(tǒng)、設(shè)備及材料如圖1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備及材料

2 試驗(yàn)方案

FLIR紅外熱像儀定位刀尖與工件接觸處區(qū)域，利用其配套的溫度采集與分析軟件，實(shí)時(shí)采集TC4鈦合金被加工區(qū)域的最高溫度、最低溫度及平均溫度，采樣頻率為15 Hz，每次采樣時(shí)間為60 s。此次試驗(yàn)主要研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度對(duì)銑削溫度的影響規(guī)律，每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平,分別為 700、850、1 000、1 150 r/min，分別為8、10、12、14 mm/min，分別為1、2、3、4 mm。試驗(yàn)流程如圖2所示。為防止試驗(yàn)失誤造成數(shù)據(jù)缺失，在相同的銑削參數(shù)下進(jìn)行2次銑削試驗(yàn)，后文可根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性及分析需要選取單數(shù)或雙數(shù)編號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 試驗(yàn)流程

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 銑削區(qū)溫度特征值的時(shí)間歷程曲線

銑削試驗(yàn)結(jié)束后，由FLIR Tools采集軟件可以導(dǎo)出熱像儀定位測溫區(qū)域的最高溫度、平均溫度、最低溫度，從而得到相應(yīng)的溫度時(shí)間歷程曲線。圖3所示為不同銑削參數(shù)下測溫區(qū)域最高溫度的時(shí)間曲線。

由圖3可知：(1)銑削區(qū)最高溫度隨時(shí)間的變化曲線大致可分為2個(gè)階段:快速下降階段、比較平穩(wěn)的波動(dòng)階段;(2)銑削參數(shù)值越低，銑削溫度越低，但隨著銑削參數(shù)的增大，并非單調(diào)增加，如圖3(a)中=1 150 r/min時(shí)的比=850 r/min時(shí)的低,圖3(b)及圖3(c)中也出現(xiàn)類似的情況。

圖3 不同銑削參數(shù)下測溫區(qū)域Tmax的時(shí)間歷程曲線

3.2 溫度特征值隨銑削參數(shù)的變化規(guī)律

基于紅外熱像儀FLIR Tools軟件依次提取各次試驗(yàn)中的最大溫度，研究單因素銑削參數(shù)對(duì)測溫區(qū)域的影響，繪制隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及銑削深度的變化曲線如圖4所示。

圖4 Tmax隨銑削參數(shù)的變化曲線

由圖4可知：在3個(gè)銑削參數(shù)中，當(dāng)其他2個(gè)銑削參數(shù)不變時(shí)，隨著第3個(gè)銑削參數(shù)的增加，總體呈上升趨勢。因?yàn)殡S著切削參數(shù)的增大，刀具克服金屬彈、塑性變形抗力所做的功和克服摩擦力所做的功增加，產(chǎn)生的切削熱也顯著增加，故總體呈上升趨勢，但個(gè)別曲線出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象。

3.3 銑削溫度關(guān)于銑削參數(shù)的三元二次多項(xiàng)式回歸模型

由上述分析可知，銑削參數(shù)變化對(duì)TC4鈦合金的銑削溫度有明顯影響。為進(jìn)一步探究銑削參數(shù)對(duì)銑削區(qū)域溫度的影響，預(yù)測不同銑削參數(shù)下的銑削溫度，基于表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Design-Expert軟件里的Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度分別為因素A、B、C及以最大溫度為響應(yīng)值的響應(yīng)面優(yōu)化法試驗(yàn)，建立銑削區(qū)域最大溫度關(guān)于銑削參數(shù)的三元二次多項(xiàng)式回歸模型，并對(duì)銑削溫度進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，得到3個(gè)銑削參數(shù)的最佳值。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的三元二次多項(xiàng)式回歸模型如下：

=39270 8-0030 848+5352 78+

42886 70+0006 37·-0000 11·+

表3 方差分析

圖5 最大實(shí)測值Tmax與溫度擬合值的對(duì)比曲線

利用該軟件為響應(yīng)值設(shè)置最小化目標(biāo)，得到的最佳條件為=700 r/min、=8 mm/min、=1 mm。

4 結(jié)束語

本文作者以TC4鈦合金為試驗(yàn)材料，用紅外熱像儀實(shí)時(shí)采集銑削區(qū)域的溫度，研究不同銑削參數(shù)下TC4鈦合金試樣的溫度變化，并用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了響應(yīng)面分析，建立了三元二次多項(xiàng)式模型,得到響應(yīng)值最大溫度最小化的最佳條件。結(jié)果表明：(1)隨著切削參數(shù)的增大，刀具克服金屬彈、塑性變形抗力所做的功和克服摩擦力所做的功增加，產(chǎn)生的切削熱也顯著增加；(2)建立的回歸模型可靠，可以較好地預(yù)測給定銑削參數(shù)下的最大溫度；(3)得到硬質(zhì)合金刀具銑削TC4鈦合金時(shí)使為最小時(shí)的最佳銑削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速=700 r/min、進(jìn)給速度=8 mm/min、銑削深度=1 mm。