电弧增材5B06铝合金铣削工艺参数优化研究

2022-11-15路坦杨光孙凤张爽

工具技术 2022年9期

路坦，杨光，孙凤，张爽

1沈阳工业大学工程实训中心；2沈阳航空航天大学机电工程学院；3沈阳工业大学电气工程学院

1 引言

随着电弧增材制造技术的发展，Al-Mg合金、Al-Cu合金等众多铝合金丝材被用作电弧增材材料。在众多电弧增材铝合金丝料中，Al-Mg合金由于良好的耐蚀性和可焊接性被大量应用于航空航天领域[1]。然而，经过电弧增材制造的工件在成形精度和表面质量等方面存在局限。为解决该问题，一般都是增材制造后利用减材技术，使工件达到公差及表面质量要求[2]。

目前，对于增减材复合制造技术，其加工工艺、理论以及方法等研究相对缺乏。因此优化切削工艺参数组合，使电弧增材件经铣削加工后达到最佳表面质量亟待研究[3]。国内外学者对于切削工艺参数的优化主要有两种方法。一种是根据设计的试验，利用算法对工艺参数进行优化，蔡旭林等[4]提出了基于云滴的粒子群切削工艺优化算法，该算法在满足机床性能、刀具寿命和加工要求的条件下得到工件的最佳加工参数；李爱平等[5]利用优化二分迭代算法优化了切削加工的三要素，不仅可以提高工件表面质量，而且还降低了工艺成本；李尧等[6]利用基因算法优化了切削工艺参数，上述切削参数的优化方法虽然可以进行优化求解，但是往往只考虑局部最优参数。另一种常用方法是根据设计的试验用数学统计方法对工艺参数进行优化分析。Matienga P.T.等[7]在总结大量试验数据的基础上，在切削时直接查找优化的工艺参数；Mvelchv S.等[8]利用统计方法对切削工艺参数进行优化；Kant G.等[9]根据材料成分优化工艺参数。这类方法虽然分析较为精准，但往往需要大量的试验数据支撑，且并未充分考虑各参数交互作用的影响。

本文对电弧增材铝合金5B06铣削工艺参数优化进行研究，通过试验得出该材料切削特性，根据切削特性利用曲面响应法，以主轴转速、进给速度和切削深度为优化变量，以表面粗糙度最低为目标，结合试验数据和统计方法得到高精度的回归模型，在分析工艺参数显著性以及交互影响基础上得出切削电弧增材5B06铝合金的最优参数组合，有针对性地解决了增减材工艺转换等基础问题，对增减材复合制造技术的发展提供了帮助。

2 试件制取及切削特性分析

2.1 电弧增材制造5B06铝合金

电弧增材制造试验条件包括KUKAKR30HA机器人、Fronius CMT4000电源以及与电源配合并能根据反馈信号进行回抽操作的VR1550送丝机。电弧参数如表1所示，利用电弧增材制造技术将直径1.6mm的5B06铝合金焊丝制造出成形尺寸为200mm×25mm×80mm的5B06铝合金，形貌见图1。电弧增材工艺参数见表1，所用焊丝成分见表2，所用基板牌号为1060，状态H112的纯铝板材，试验时以纯度为99.99%氩气作为保护气。

图1 电弧增材5B06铝合金形貌

表1 电弧增材工艺参数

表2 5B06铝合金焊丝成分 (%)

2.2 5B06铝合金切削特性分析

利用线切割机床设备从电弧增材5B06铝合金块中切割出用于切削特性分析和铣削参数研究分析的试件，切削特性分析试件见图2，取样位置见图3。硬度、拉伸强度及冲击韧性试验方法和制样符合国标标准。

图2 切削特性试验试件

图3 切削特性试件取件

2.2.1 室温硬度试验

硬度试验设备为HM200显微维氏硬度试验机，分别对试件正面与侧面进行5次硬度测试。经试验5B06铝合金试件正面平均硬度为80HV，侧面平均硬度为82HV，平均硬度值为81HV。

2.2.2 室温拉伸性能试验

拉伸试验设备为SHT5305伺服万能试验机，分别对横向和纵向拉伸试件进行试验。结果显示，5B06铝合金试件经纵向平均拉伸强度为312MPa，拉伸率为14%；横向拉伸强度为271MPa，拉伸率为8.33%，平均拉伸强度为291.5MPa，平均拉伸率11.17%。

2.2.3 室温冲击韧性试验

冲击韧性试验设备为JBH-300示波冲击试验机，分别对横向和纵向冲击韧性试件进行试验。结果显示，5B06铝合金试件的纵向冲击韧性为233.68J/m2，横向冲击韧性为224.67J/m2，平均冲击韧性229.18J/m2。根据试验，电弧增材5B06铝合金工件的加工性分级见表3，可见该材料属于易切削材料，具有优良切削性能。

表3 5B06铝合金工件的加工性分级

分析材料切削特性以及试验数据，当选用直径8mm硬质合金铣刀切削该材料时，主轴转速s的选择范围为1000～4000r/min，切削深度ap的选择范围为1～2mm，进给速度f的选择范围为100～300mm/min，切削宽度ae为刀具直径的30%[10]。

3 基于中心组合设计的响应面铣削试验

3.1 搭建试验平台

利用线切割机床设备从电弧增材制造5B06铝合金中切割出18块60mm×25mm×5mm试样用于参数研究试验(15块用于试验分析研究，3块用于试验验证)，通过专用工装将试件固定在工作台，刀具以设计的铣削形式和参数进行铣削加工。铣削工艺参数研究试验平台见图4。试验设备及刀具包括BM850T立式加工中心、φ8mm硬质合金四刃铣刀和2206B表面粗糙度测试仪。

图4 铣削工艺参数研究试验平台

3.2 试验方案设计与结果

根据响应曲面法，以试件铣削后表面粗糙度为响应值，主轴转速s，进给速度f，切削深度ap为自变量(设主轴转速为x1，进给速度为x2，切削深度为x3)。采用响应面分析软件Design Expert对试验进行设计和分析，首先对3个变量进行编码，水平编码见表4。

表4 变量水平编码

利用Design Expert软件的Box-Behnken中心组合原理设计试验方案。方案选取1个数据库和3个中心点，共15组试件[11]。在不同参数条件下，铣削后的电弧增材制造5B06铝合金试件见图5。利用粗糙度测量仪测量铣削后的表面粗糙度，测量方法按照GB/T 3505—1983标准，选择取样长度为0.8mm，评定长度为5倍取样长度，测量速度0.5mm/s，每个试件表面取3个测量点并计算均值。表5为具体工艺参数组合及测量结果。

图5 铣削后的试验试件

表5 工艺参数组合及试验结果

4 试验结果分析与验证

由于自变量对试件表面粗糙度的影响程度不尽相同，需要分析单因素和交互作用对表面粗糙度的影响，进而筛选出最优参数组合[12]，使得铣削电弧增材制造5B06铝合金时表面粗糙度值控制在最佳范围内。

4.1 回归方程建立与单变量显著性分析

根据表5试验数据，采用逐步回归分析方法，在建立响应面回归方程的基础上分析单变量对表面粗糙度的影响[13]。表6为回归模型方差分析表。

表6 回归模型方差分析

由方差分析表建立表面粗糙度Ra的二次多项式回归方程为

(1)

根据方差分析表中回归模型P<0.05、回归模型的失拟度P>0.05可以得出，本次试验建立的二次回归模型显著，失拟度不显著，表明该模型能够满足较好地分析及预测响应值与各因素之间的要求。此外，决定系数R2=0.96，也表明该方程拟合较好。根据图6回归模型正态分布可知，分布图呈明显的直线线性关系，表明该试验建立的二次回归模型合适，所以基于该模型的方差分析具有可信度，回归方程也具备有效性。

图6 残差/标准差正态分布

对单变量显著性进行分析，将回归方程中其他两个变量置零，得到单变量回归方程，通过对每个方程的效应分析及边际效应分析来判断各变量对响应值的影响[14]。

回归方程曲线如图7所示。分别得到主轴转速s、进给速度f和切削深度ap的回归方程，其关系式为

(2)

将上式各变量回归方程分别进行求导后，得到各变量边际方程为

(3)

图7 回归方程曲线

4.2 多变量响应曲面交互分析

利用曲面响应分析法对不同切削参数下的表面粗糙度进行交互分析，得出不同参数交互作用对表面粗糙度的影响。

图8表示切削深度ap在1mm，1.5mm，2mm三个水平下进给速度f和主轴转速s与工件表面粗糙度的响应关系。可知，切削深度ap=1.5～1.75mm时，表面粗糙度随主轴转速的增加显著下降，在主轴转速s>3400r/min时，表面粗糙度小于3μm。说明将主轴转速s增加至3400r/min时，进给速度f与切削深度ap对表面粗糙度的影响并不明显，5B06铝合金表面粗糙度可以控制在较好的范围内。

(a)ap=1mm

图9表示进给速度f在100mm/min，200mm/min，300mm/min三个水平下切削深度ap和主轴转速s与工件表面粗糙度的响应关系。可以看出，随着进给速度的增加，试件表面粗糙度值变化不大，说明进给速度对于试件表面粗糙度的影响并不显著。特别是当进给速度f=100mm/min时，表面粗糙度的变化幅度最小，随着主轴转速与切削深度的变化，表面粗糙度变化更加不明显，说明进给速度在较小水平时，切削深度与主轴转速的交互作用对表面粗糙度的影响较为不显著，铣削5B06铝合金工件时，工件的表面粗糙度可以容易地控制在较低范围内。当切削电弧增材5B06铝合金工件时，进给速度控制在较小范围内才能保证工件能够获得稳定且较高的加工表面质量。

(a)f=100mm/min

图10表示主轴转速s在1000r/min，2500r/min，4000r/min三个水平下切削深度ap和进给速度f与工件表面粗糙度的响应关系。当主轴转速s=1000r/min时，随着切削深度的增加，5B06铝合金试件的表面粗糙度值变大并且变化幅度较大；随着进给速度的增加，表面粗糙度变大，曲面变化幅度同样较大，这说明当铣削5B06铝合金工件时，在较低的主轴转速工艺参数下工件表面粗糙度受进给速度与切削深度的影响非常明显。对于铣削5B06铝合金，想要获得较低的表面粗糙度值，应避免低转速、大进给速度与切削深度的铣削方式。当主轴转速s=4000r/min时，表面粗糙度的变化幅度非常小，基本不受进给速度与切削深度的影响，说明高转速可以减小5B06铝合金工件的表面粗糙度，维持表面粗糙度的稳定，在保证加工效率的同时能得到较好的加工质量。

(a)s=1000r/min

4.3 工艺参数优化及验证

通过单变量、多变量交互作用分析以及回归方程方程的求解，得出铣削5B06铝合金最佳参数为转速2630r/min，进给速度100mm/min，切削深度1mm。在该参数下，回归方程预测试件的表面粗糙度为1.78μm，置信度为0.89。根据此参数对5B06试件进行铣削试验并检测其表面粗糙度，最终得出3个试件的表面粗糙度分别为1.79μm，1.67μm，1.63μm，其均值为1.69μm。该结果与模型预测数值误差仅为5.1%，说明通过本试验模型对该试件的表面粗糙度进行预测具有可行性。因此，确定该参数为切削电弧增材5B06试件的最佳参数。