2021年第4期_____________________________________________________________________________________________
Test and Quality
絵测与质量
无心车床车削钛合金棒材工艺参数与表面
粗糙度关系研究
**陕西省自然科技基金(2020JM-712)；西航职院校级重点课题(18XHZY-02)
豆卫涛① 史丽晨② 卢竹青③ 韩嘉或④ 贾永康② (①西安航空职业技术学院航空制造工程学院，陕西西安710089；
②西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055；③西部超导材料科技股份有限
公司质量部，陕西西安710018；④西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安710055)
摘 要：采用无心车床对钛合金棒料进行表面处理，以去除其表面缺陷，降低表面粗糙度，研究车削工
艺参数
主轴转速V 、进给速度F 、吃刀量知对表面粗糙度的影响规律。利用响应曲面法来设计实验，通过
对实验数据的回归分析，建立基于加工工艺参数(主轴转速、切削深度、进给速度)表面粗糙度预测 模型；分析车削工艺参数及其交互作用对表面粗糙度的影响规律，获得了车削最优工艺参数区间。 研究结果表明：车削工艺参数对工艺指标表面粗糙度的影响次序为；a p >f>V o 在工艺参数交互作用 中J •-知的交互作用对表面粗糙度影响最大；在最优车削工艺参数区间确定的工艺参数组合可满足
表面粗糙度心 小于0・8 pm 的生产要求。
关键词：无心车床；钛合金棒材；工艺参数；表面粗糙度
中图分类号:TG51 文献标识码:A
DOI ： 10.19287/j. cnki. 1005-2402.2021. 04. 016
Study on the relatio n ship betwee n tech no l ogical parameters and surface roughness
in titanium alloy bar's cutting by centerless lathe
DOU Weitao ①，SHI Lichen ②,LU Zhuqing ③,HAN Jiayu ④，JIA Yongkang ②
(①School of Aviation Manufacturing Engineering , Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute , Xi'an 710089, CHN ；
②College of Electrical and Mechanical , Xi'an University of Architecture and Technology , Xi'an 710055,
CHN ；③W estern Superconducting Material Technology Co., Ltd., Xi'an 710018, CHN ；④ C ollege of
Metallurgical Engineering , Xi'an University of Architecture and Technology , Xi'an 710055, CHN)
Abstract ：In order to remove the surface defects of titanium alloy bar and to reduce the surface roughness , titanium
alloy bar was cut by centerless lathe. In this paper , the respon surface method is ud to design the ex
periment. Through the regression analysis of the experimental data, the surface roughness pr
ediction mod el is established bad on the processing parameters ( spindle speed , cutting depth , feeding speed ) . The
influence law of turning process parameters and their interaction on the surface roughness is analyzed and
the optimal turning process parameter interval is obtained. The results show that the order of the influence of turning process parameters on the surface roughness of the process index is a p >f>V. In the interaction of process parameters , the interaction of f~a p has the greatest influence on the surface roughness. The
combination of process parameters determined in the optimal turning process parameter interval can meet
the production requirements of surface roughness less than 0.8 |Jim.
Keywords :centerless lathe ； titanium alloy bar ； technological parameters ； surface roughness 无心车床是对管、棒、盘圆等长圆金属除去表面氧
较低表面粗糙度的光亮圆材的理想设备，其工艺可替化层、裂纹，生产表面无缺陷的、具有较高尺寸
精度和
代传统酸洗工艺、普通车床与磨削加工等落后生产工
月§9*刻出滋*乜和%®
• 79 •
检测与质里Test and Quality ________________________
艺，环保高效。
无心车床主要由空心主轴、前夹送装置、前导向、
中后导机构、牵引小车组成，结构组成如图1。无心车 床的主要工作原理是：工作时，主轴带动前端的刀盘 (刀盘轴向均布4把刀具)高速旋转，从而实现剥皮;
主轴前部的前夹送装置(图中的V 型槽滚轮)将棒料 送入空心主轴，当工件脱离前夹送装置后，后部的牵引 小车提前夹住工件，确保工件做持续的轴向进给
运动E 。
钛及钛合金是20世纪50年代发展起来的一种 重要金属，具有比强度高、中温性能好、耐腐蚀、无磁及
焊接性能好等特点，一直是航空航天工业的“脊柱”之 一，市场需求巨大。但是一般钛材在轧制、拉丝及挤压 等工序过程中会存在表面裂纹、折叠等缺陷，有的棒材 放置后会出现生锈、腐蚀，表面会有氧化皮，这些都极
大地影响了钛材的表面质量，很难达到行业需求，因此 需要对坯料的表面进行处理，无心车床便是钛合金棒 料表面处理的理想设备。
国内外关于加工工艺参数对表面粗糙度影响规律
研究较多，研究多是针对普通车削或铳削工艺展开的。 杨振朝2等采用单个盘铳刀对时效处理后的超高强
度钢进行高速铳削实验，分析了切削工艺参数对表面 完整性的影响，结果表明表面粗糙度随铳削速度和每
齿进给量增大而增大，随铳削深度的增大，呈现出先增
大后降低的趋势，通过各因素不同水平对表面粗糙度 的影响规律图，确定了最优工艺参数组合。易湘斌⑶
等对不同冷却润滑条件下TB6钛合金高速切削表面
完整性进行了研究，探讨了冷却润滑条件对加工表面
形貌和表面变质层的影响，结果表明微油雾润滑加工
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时钛合金表面粗糙度低，且表面无明显晶粒变形，表明
加工表面塑性变形是影响粗糙度的主要因素。罗智 文⑷等采用正交实验法，对58SiMn 高强度钢车削表
面完整性进行了试验研究，结果表明降低进给速度是 减小工件表面粗糙度最直接有效的方法，提高切削速
度并不能使表面粗糙度明显减小。许金凯⑸等对TC4
微铳削表面完整性研究，通过极差分析得出主轴转速、 进给速度、切削深度对表面粗糙度值与残余应力值影 响的变化规律及主次顺序，得出了最优参数组合，结果
表明，在高转速、中低进给速度和切削深度的加工条件
下表面粗糙度值可以达到比较理想状态。Safarih ⑹等 采用铳削、干切削冷却方式在对TC4的表面粗糙度进行 研究时，得到切削速度由100 m/min 增大到300 m/min
时，粗糙度会增大55%；在切削速度为100 m/min 时, 粗糙度会随着进给量的增大而降低40%。P 戒⑺以钛
合金(T1-6A1-4V)为研究对象，从刀具磨损和切削力
两个方面对其表面完整性性能进行了评价。
以上研究均是针对具有常规表面的材料进行的,
但是当被加工表面具有初始缺陷时，所得到规律是否 适用，还需深入研究。本文针对无心车床对带有金属 氧化皮的TC4棒材进行表面处理时，进行其工艺参数
研究。采用响应曲面实验法研究了对TC4表面处理
过程中工艺参数对表面粗糙度影响规律；采用响应面 法建立表面粗糙度对主轴转速、切削深度、进给速度的
待优化预测模型，再进行工艺参数优化，从而确定最优 的工艺参数组合，以达到生产要求。
1实验设计
试验过程中采用自主生产制造安装的XF-WXC 无心车床，通过无心车床操作台来改变工艺参数，可以 准确快速地设置试验所需参数组合。刀片基体采用韩 国进口原料超微纳米颗粒，该刀具为无心车床专用九
边三角刀具，具有良好的韧性和耐磨性。修光刀采用
R 过渡，可有效提高刀片的耐用度和提高工件表面粗
糙度。工件材料为T16-A1-4V，又称TC4，其相关参数
如表1。
表1试验材料TC4相关参数
抗拉强度cr 6/MPa
残余伸长 应力oy/MPa
后天英语伸长率6/(%)
断面收缩 率 ”/(%)
密度 p/(g/cm 3)
硬度/HRC 熔点/弋工作温度/弋
晚上洗头好不好
89582510
25
4.5
301 660-100-550Fe/(%)C/(%)
N/(%)H/(%)0/(%)
Al/(%)
V/(%)
Ti/(%)
W0.30W0.10W0.05
W0.015
W0.20 5.5~6.8 3.5 〜4.5
余量
80
用§9“
刻出滋**和雷
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为揭示切削参数对表面粗糙度和加工精度偏差的影响规律，选用响应曲面设计中的中心复合设计法（central composite design,CCD）为车削工艺实验的设计方法，旋转系数为1.682，中心点个数为6。无心车床在进行表面处理时，进给量一般比较大，主轴转速和吃刀量较小，再结合材料的难加工性、刀具特性以及试验条件等多方面因素，将待优化的工艺参数分别设为：切削速度的零水平确定为600r/min，切削深度鶴的零水平确定为0.7mm，进给量于的零水平确定为1100 mm/miii，分别对3个自变量进行编码，得到如表2所示的各因素水平。其中，切削速度V的最大、最小值分别为400r/min和800r/min，切削深度a p的最大、最小值分别为0.5mm和0.9mm，进给量/的最大、最小值分别为900mm/min和1300mm/min o为提高试验数据的准确率，实际的试件长度大于试验所用的试件长度300rrnn，在装夹好试件后，先在多出的试件长度上进行车削加工，再进行试验参数加工。
表2待优化车削工艺参数及编码
编码0(r/min)a p/mm〃(mm/min)
-1.6824000.5900 -14810.581000
06000.71100
17190.821200
1.6828000.91300
2表面粗糙度预测模型
2.1表面粗糙度预测模型的建立
表面粗糙度的检测仪为TIME TR200粗糙度仪，每次实验的试件长度为1m，并在每组参数试验加工后的表面，随机选取3个不同位置的点检测其粗糙度，取平均值作为该组参数下所对应的表面粗糙度。实验安排和结果如表3所示。
为获得自变量（车削工艺参数）对因变量（表面粗糙度）影响规律，需构建响应曲面法中的目标响应
和工艺参数之间的数学回归模型。为了确定数学回归模型的类型，根据对实验结果的分析，得到表4中对4种 回归方程类型的分析结果，其中Sequential p-value（回归方程的连续性）值代表回归方程类型对实验数据匹配度，而完全二次的回归方程显著度小于0.0001，远远小于0.05，所以确定表面粗糙度与工艺参数之间的回归模型为完全二次回归模型，则设Ra为响应输出值只光），切削速度V、切削深度兔、进给量/分别为输入因子衍、先2、衍，则二阶数学回归模型方程式如下:________________________Test and Quality絵测与质里
333
y(%)=a0+X a i x i+X X a ij x i x j+
i=1i=1j=i+l
3
Y°^ii X i+£(1)式中口为模型系数,；为误差。
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表3粗糙度的实验结果
编号V/(r/min)a p/m m f/(mm/min)7?a/|JLm
14810.589810.832
27190.589810.854
34810.5812190.873唯美动漫壁纸
47190.5812190.964
54810.829810.874
67190.829810.995
74810.821219 1.204
87190.821219 1.407
94000.71100 1.089
108000.71100 1.267
116000.79000.897
126000.71300 1.206
136000.511000.695
146000.91100 1.133
156000.711000.728
166000.711000.739
176000.711000.735
186000.711000.741
196000.711000.725
206000.711000.735
表4回归方程类型分析结果
来源Sequential p-value R-sq(adj)R-sq(predicted)
线性0.00210.5146-0.4553
线性+两因子交互0.36650.5277-0.9252完全二次<0.00010.97130.8829
完全三次0.13110.9830-0.1661
根据试验所得数据，利用MINITAB对其进行非线性回归后，可以得到表面粗糙度与工艺参数之间的多元二阶回归模型：
Ra=18.13806-0.014414x V-0.018792xf-
10.62548x宓+ 1.33289x IO-6x V x/+
内变焦镜头1.84699x10-3x V x喝-5.17332x10-3x
fxa p+ 1.00902x IO-5x y2+6.92767x
IO-6x/+3.47409xa；(2)
•81•
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2.2表面粗糙度的预测模型方差分析
对回归模型进行方差分析，所得数据见表5。由 表5数据可知，主轴转速的P 值远远小于置信系数
0.000 1，且回归模型的F 二57.28〉2.424 4，所以对模型
的回归较为准确。
表5表面粗糙度与工艺参数的回归模型方差分析结果
来源平方和自由度均方
F
P
模型
0.8690.09557.28<0.000 1
歌曲滴答滴答原唱V 0.0410.04023.90
0.000 6f 0.15
10.15
87.98<0.000 1a p
0.2110.21126.39<0.000 1
V-f
2.850x10-31 2.850x10-3 1.72
0.219 5F
5.565x10-3
1 5.565x10-3
3.35
0.097 1%-f 0.04410.04426.280.000 4V 20.29
10.29
176.90
<0.000 1f
0.1410.1483.39<0.000 1a p 2
0.03510.03521.11
0.001 0
残差
0.017
10
1.662X10-3
标准差
R-Sq = 98.1%R-Sg （ a 龙）=96.38%
图2为回归模型的残差正态分布图，响应为R a ,
其中大部分真实值都落在预测值上，少部分真实值也 是对称分布在预测值两侧，表明该模型与实际结果拟
合较好。因此，该回归模型显著，可成为表面粗糙度的 预测模型。
图2正态概率分布图
3影响规律分析
3.1单因素影响规律分析
由表2可知，主轴转速、进给速度、吃刀量的P 值 远远小于置信系数0.000 1，且F 值大于F 0>05(9,10) =
3.020，所以主轴转速、进给速度、吃刀量对表面处理时
的粗糙度均有影响，同时由F ap >F f >F v 可知，吃刀量是
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影响表面粗糙度的主要因素，进给量次之，最后是主轴
什么招财转速。
图3表面粗糙度的主效应图
图3为表面粗糙度的主效应图，图中分别描述了
各工艺参数在5个水平下，对表面粗糙度的影响规律。 其中4区为主轴转速对粗糙度的影响,〃区为进给量
对粗糙度的影响,C 区为吃刀量对粗糙度的影响。
观察4区的图线可以发现，当主轴转速在400 ~600
r/min 增大的过程中，表面粗糙度呈减小的趋势，在600 r/min 时达到最小，在600〜800 r/min ，表面粗糙度急剧
增大。因为无心车床的主轴和电机之间的传动方式为 带传动，当转速大于600 r/min 时，带传动会出现抖动的 现象，从而导致主轴的颤振，引起表面粗糙度的增大。
观察B 区的图线可以发现，当进给速度在900〜
1 100 mm /min 增大的过程中，表面粗糙度呈减小趋
势，在进给速度较慢时，刀具和被加工材料之间的摩擦
和挤压更剧烈，且单位时间产生的切削热停留在被加 工表面的时间会相对延长，从而更容易使被加工件产 生塑性变形，甚至粘附在刀具的切削刃上，从而导致表
面质量变差；在1 100〜1 300 mm /min 时，表面粗糙度 又开始增大，在进给速度增大时，会迅速提高切削温
度、加剧了刀具的磨损，同时表面的残留高度也会随之 增加，从而导致表面质量变差。
观察C 区的图线可以发现，当吃刀量开始增加 时，表面粗糙度急剧增大，在0.5〜0.58 mm 以及0.7〜
0.82 mm 两个区间内，表面粗糙度呈急剧增大的趋势,
吃刀量增加，会导致切削力增大，切削的过程中也会加 剧刀具的振动，表面质量也会变差。
3.2交互影响规律分析
根据建立的表面粗糙度与工艺参数之间的二阶预 测回归方程，在确定某一因素的水平之后，可得到其余
两因素之间交互作用对表面粗糙度的影响规律。现确 定 F= 600 r/min ^/= 1 100 mm/min A a p = 0.7 mm，来分别
讨论工艺参数之间的交互作用对表面粗糙度的影响
ysl粉底
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用§9“
刻出滋**和雷
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规律。
Test and Quality絵测与质里
0.81 1.2 1.4 1.6 1.82
(b)Ra相对于7、坷的等高线
图5/=1100mm/min时，血与车削工艺参数之间的响应关系
(a)血相对于7、/■的响应曲面
V/(r/min)
(b)血相对于7、/的等高线
图4伟=0.7晌时，&与车削工艺参数之间的响应关系
由图4可知，当知二0.7mm时，恥随V的增大，呈现先减小后增大的趋势，当V大于600r/min时开始增大，增大的幅值较小。Ra随/的增大先减小后增大，当/'大于1100mm/min时,Ra开始增大，增大的幅值较大。从而说明，进给速度对Ra的影响要显著于主轴转速对Ra的影响且当吃刀量一定时，主轴转速和进给速度不能过快也不能过慢。
0.81 1.2 1.4 1.6 1.8
由图5可知，在/二1100mm/min条件下，随着吃刀量的增加，表面粗糙度呈增大趋势，当吃刀量鶴大于0.7mm时,Ra急剧增大；主轴转速从400r/min开始增大到600r/min时，表面粗糙度先是呈现缓慢的减小的趋势，当在600-800r/min增大的过程中，表面粗糙度增大，且增大的幅值较大，这就说明在进给速度一定时，吃刀量和主轴转速的交互作用要显著于在吃刀量一定时，主轴转速和进给量对Ra的影响。
0.70.80.91 1.1 1.2 1.3
//(mm/min)9000.5a”/mm
(b)血相对于爲、励等高线
图6冷600血血时，Ra与车削工艺参数之间的响应关系
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