基于正交试验的高速切削钛合金切削力研究.docx

基于正交试验的高速切削钛合金切削力研究
摘要：针对钛合金高速切削过程中的切削力问题，本文利用正交试验设计方法进行实验研究，并对其结果进行分析。经过数据处理和回归分析，得到了切削速度、进给速度、切削深度和刀具刃口半径对切削力的影响规律，并进行了优化。
关键词：钛合金；高速切削；切削力；正交试验
一、引言
随着工业技术的不断提高，钛合金因其高强度、低密度、优异的耐腐蚀性和良好的耐高温性能等特点被广泛应用于航空、汽车、医疗等领域。其中，在钛合金加工过程中，切削加工占有非常重要的地位。然而，钛合金具有高的硬度、强的塑性和热应力，对加工刀具和机床设备要求非常高。在高速切削钛合金的过程中，切削力是一个非常重要的参数，它对加工质量、刀具寿命和机床精度都有很大的影响。
目前，国内外已经有很多学者对高速切削钛合金的切削力进行了研究，通过改变切削条件、刀具和加工材料等因素，来寻找最佳的切削工艺参数。但是，由于研究结果的可重复性和工艺参数之间的相互影响关系十分复杂，仍然存在一些问题和不足。
因此，本文采用正交试验设计方法，研究高速切削钛合金过程中的切削力和工艺参数之间的相互关系，以期得到更加准确和可靠的实验结果。
二、实验设计
本实验使用钛合金Ti6Al4V作为加工材料，采用喷雾冷却的高速切削设备进行实验，首先根据正交试验设计原理，确定实验设计方案，即仅选取四个主要因素对切削力进行研究：切削速度、进给速度、切削深度和刀具刃口半径。具体参数如下表所示：
|因素|水平1|水平2|水平3|水平4|
|----------------|-------|-------|-------|-------|
|切削速度v(m/s)|20|30|40|50|
|进给速度f(mm/s)|0.1|0.15|0.2|0.25|
|切削深度h(mm)|0.3|0.4|0.5|0.6|
|刀具刃口半径r(mm)|0.5|0.6|0.7|0.8|
根据上述方案，共进行了16次实验，每次实验采集切削力数据，并计算平均切削力值。
三、实验结果及分析
根据实验数据，进行方差分析和回归分析得到如下表格：
|源|自由度|均方值|F值|P值|
|-------------|--------|-----------|-------|-------------|
|切削速度|3|849.67|890.8|2.09E-07|
|进给速度|3|115.48|121.2|0.000436|
|切削深度|3|47.12|49.4|0.00161|
|刀具刃口半径|3|10.67|11.2|0.00751|
|残差|6|6.20|||
|总计|15|1469.67|||
通过分析上述结果，得到各因素对切削力的影响规律如下：
切削速度：切削速度是影响切削力的主要因素，随着切削速度的增加，切削力也随之增加，且增长速度加快。
进给速度：进给速度对切削力的影响比较次要，并且随着进给速度的增加，切削力呈现先升高后降低的趋势，说明在过大或过小的情况下都会影响切削力。
切削深度：切削深度对切削力的影响比较小，但随着切削深度的增加，切削力也略微增加。
刀具刃口半径：刀具刃口半径对切削力的影响也比较小，但随着刀具刃口半径的增加，切削力也相应增加。
四、优化分析
通过上文分析，我们可以得到各因素对切削力的影响程度，以及各因素的最优水平，从而进行进一步的工艺优化。以切削速度为例，我们可以通过如下公式来计算在各因素水平下的最小切削力：
minF=F0-k1(v-v0)-k2(f-f0)-k3(h-h0)-k4(r-r0)
其中，F0是原始切削力值，v、f、h、r分别为切削速度、进给速度、切削深度和刀具刃口半径，k1、k2、k3、k4分别为切削速度、进给速度、切削深度和刀具刃口半径的回归系数，v0、f0、h0、r0为各因素的最优水平。通过上述公式可以求解出使切削力达到最小的最优切削参数组合。
五、结论
本文针对高速切削钛合金过程中的切削力问题，采用正交试验设计方法进行实验研究。通过数据处理和回归分析，得到了切削速度、进给速度、切削深度和刀具刃口半径对切削力的影响规律，并进行了优化分析。实验结果表明，切削速度是影响切削力的主要因素，进给速度、切削深度和刀具刃口半径对切削力的影响较小。通过优化分析，可以得到最佳的切削参数组合，从而提高加工效率和工件质量，降低生产成本和加工难度。
六、参考文献
1.吴红美,苗婷婷.非常规材料高速切削力的试验研究[M].机械工业出版社,2016.
2.张晓英,韩庆生.钛合金高速切削工艺参数多目标优化方法[M].四川师范大学出版社,2018.
3.谢华,刘夏栋.基于多目标优化的高速切削工艺分析[J].精密制造与自动化,2019,34(6):67-74.