基于响应曲面法的GH4169铣削参数优化及实验研究.pdf

:./.基于响应曲面法的 铣削参数优化及实验研究常星星史精平胡梦婷葛 鑫(安徽天航机电有限公司安徽 芜湖)摘 要:机械加工的表面质量会极大地影响零部件的使用寿命 该文以降低镍基高温合金 加工过程中的表面粗糙度为目标对镍基高温合金 的铣削参数进行优化 基于响应曲面法分析了铣削参数(转速、进给量、切削深度)对表面粗糙度的影响规律建立了铣削参数与表面粗糙度之间的二次多项式模型并进行了验证确定了降低表面粗糙度的最优工艺参数组合 研究结果表明当././.时粗糙度可达到.采用最优参数组合进行加工实验并对铣削加工后的表面粗糙度进行测量得出粗糙度实测值与模型预测值的相对误差为.可见所建立的模型是准确的 可满足某些航空航天高精度零部件表面质量特性因此该模型对 铣削加工具有指导意义关键词:响应曲面参数优化表面质量中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.()././.:引 言不同的加工工艺和条件对加工表面的完整性有直接影响从而导致工件的疲劳性能显著不同 这对于航空领域的承重结构非常重要因为疲劳断裂(占承重失效的 以上)对零件最终表面完整性的影响作用十分显著 学者们多年来专注于这一领域的研究并取得了许多积极成果从以往采用相同加工工艺的研究成果可以得出结论表面粗糙度值越高加工表面上的微缺口越深局部微应力集中越严重 这将对工件的疲劳性能产生负面影响 是最常用的镍基高温合金之一它广泛用于制造航空发动机整体叶盘、叶片、驱动轴和其他承重结构 目前 主要通过数控铣削加工 然而优异的机械和热性能也会导致较差的可加工性因为刀具磨损快、切削颤振和切削力大等特点会限制加工精度和表面完整性的进一步提高基于此笔者以 钛合金铣削加工的关键因素(转速、进给量、切削深度)为影响因子以加工后的表面粗糙度为目标值运用响应曲面分析法对加工的参数进行拟合与分析通过建立的工艺标准数学模型对数据的正态分布进行验证寻找最优的参数组合为进一步提高 铣削加工的表面质量提供有力的借鉴 实验条件及步骤.实验材料为保证实验中所用的材料的统一性降低不同参数铣削加工时表面粗糙度测量引起的误差选择一块较大面积的 板进行铣削其形状如图 所示研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:常星星()男安徽六安人助理工程师主要从事航空航天中高精度零部件的制造与研究方面的科研工作.实验设备深度铣削的实验机床选用五轴加工中心 该机床通过后台将实验中的每一组数据进行输入确认以保证加工参数的准确性其机体与操作界面如图 所示图 板料 图 五轴加工中心 采用 粗糙度仪测量工件表面粗糙度如图 所示测量精度可以达到.将待测件水平放置后通过探针在加工轮廓面移动求得均值图 粗糙度仪 响应曲面法及试验影响因素响应曲面法()针对设计的影响因素与响应值之间的函数进行分析针对实验结果回归分析建立高精度的高次多项式数学模型目前响应曲面法应用的范围较为广泛 铣削加工中转速、进给量、切削深度 是铣削加工的三个主要的因素根据目前加工中常用的铣削数值以加工后零件的表面质量为目标因子设计相应曲面试验方案中因子数 星号臂值 试验因素及水平编码如表 所列表 试验方案转速/(/)进给量/(/)切削深度/.试验结果及分析.试验结果选择 的硬质合金刀具在选定的 料板进行铣削在五轴加工中心 控制面板上输入程序以间隔 的间距铣削每一组参数其铣削加工后的试验件如图 所示图 铣削加工件 采用航空清洗剂对加工后 料板表面进行清洗去除油污及杂质清洗后用吹气机将每组的加工层吹干 为保证 粗糙度仪测量结果的正确性将测量探头在每组试验的加工面沿不同的轮廓移动 次 次求得的均值记为该组试验的结果.响应曲面法结果通过 选用响应曲面的中心复合设计对试验方案进行编排其结果如表 所列表 加工表面粗糙度测量值试验序号转速/(/)进给量/(/)切削深度/表面粗糙度/.表面粗糙度的响应曲面分析据表 试验中表面粗糙度测量值建立转速、进给量、切削深度 与表面粗糙度之间的函数关系式采用二阶方程拟合响应曲面方程式如下:显著模型.转速.进给量.进给量.残差./失拟.纯误差./总离差./从表 可以发现表面粗糙度 的 值为.结果表示该模型呈显著特征因此可以得到转速、进给量、切削速度与表面粗糙度模型的回归方程其曲面方程可表为:.().表面粗糙度响应曲面分析试验中数据点聚集分布表示正态分布的残差程度在分布中观测是否所有的试验点近似一段线条允许存在一部分数据点分散于线条外如直线、曲线、型线都可表示数据采集点的函数关系 如图 为残差分布图从图中可以发现所有的离散点均集中于一条直线附近表明表面粗糙度的残差基本服从正态分布此回归模型的预测具有一定的准确性与参考价值图 残差分布图 钛合金铣削加工过程中对于航空航天中的零部件制造零件表面质量通常可达 级因此表面粗糙度是衡量航空产品优劣的重要指标 在探究转速、进给量、切削深度 与表面粗糙度之间的关系中等高线图和三维响应曲线图可以分析两个自变量之间的交互作用并可以从曲线的变化规律找出最优的范围 如图 为两两因素对粗糙度影响的等高线图和三维响应曲线图图 转速与进给量对表面粗糙度的影响 从图 可以看出:转速与进给量的交互作用较为明显 在 铣削加工中当转速一定时从三维响应曲线图中可以看出进给量与粗糙度呈二次函数关系在一定范围内粗糙度随着进给量的增加而增加当增加到某个值时粗糙度随着进给量的增加而降低研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用图 转速与切削深度对表面粗糙度的影响 从图 中可以得出:在一定的范围内当切削深度不变时粗糙度随着转速的增加而增加同时当转速一定时粗糙度与切削深度呈正相关 因此对于材料余量不大时力求粗加工一次铣削完成但是当余量较大时可通过相对降低切削深度和提高转速来保证工件质量图 进给量与切削深度与表面粗糙度的影响 从图 可以得出:在一定范围内当切削深度不变时粗糙度与进给量呈“二次函数”关系当进给量增加时粗糙度随之增加当进给量达到某个值时粗糙度随进给量的增加而降低 因此对于航空中高精度零件加工时进给量的选择至关重要.表面质量参数优化根据 试验分析表面粗糙度数学模型得到 钛合金铣削加工的表面粗糙度最优的参数组合即当 ././.时工件加工预测的表面粗糙度.为保证实验的合理性将该组数据加工 次测量的结果实际值与模型的预测值平均误差在.左右这表明数学模型所预测的目标值是可信的 结 论文中对镍基高温合金 铣削中加工参数进行研究通过响应曲面法建立铣削三要素与质量的模型关系并通过一系列相关试验进行验证得到以下结论()通过响应曲面法的运用建立转速、进给量、切削深度与表面粗糙度之间的数学回归方程及模型并通过等高线图和三维响应曲面图分析两两因素之间的交互作用可以为 钛合金铣削加工提供参考()以降低工件表面粗糙度、提高表面质量为响应目标通过 试验分析预测最优的参数组合得出:当././.时粗糙度值达到.同时实验验证表面其预测值可靠 其中粗糙度实测值与模型预测值的相对误差为.所建立模型的准确性可满足某些航空航天高精度零部件表面质量特性要求参考文献:马芳薇谭 靓李丰玉等.铣削参数对 高温合金表面完整性的影响.航空精密制造技术():.史玉凯.铣削参数对 高温合金表面完整性及低周疲劳性能影响.上海:华东理工大学.():.():.():.():.():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验