工程科学与技术，国际期刊19（2016）1199全长文章基于响应面法的阿维纳什河沙尚克·索尼·塔克雷*印度马哈拉施特拉邦那格浦尔Visvesvaraya国立技术学院机械工程系A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：接收日期：2015年10月26日接收日期：2016年2016年2月23日接受2016年3月24日在线发布保留字：钻井过程金属基复合材料毛刺高度毛刺厚度响应面法在各种加工过程中产生的出口毛刺降低了产品质量和装配不同部件的功能。选择最佳的刀具几何形状和工艺参数对于减少加工过程中毛刺的形成本文研究了切削速度、进给量、钻头顶角和增强体浓度对所产生的裂纹的影响采用响应面法建立了Al-SiC复合材料钻削过程中产生的毛刺高度和厚度的二次模型使用均值和方差分析来确定工艺参数对响应的显著性，并确定最佳参数组合，以最大限度地减少毛刺形成。进料速率、点角度和基体中增强体的浓度是显著的影响因素。这两个响应被发现是最小的较低的进料速率，较高的点的角度和较高的浓度的增强。扫描电子显微镜被用来了解毛刺形成的机制© 2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CC下的开放获取文章BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍钻孔是最基本的常规机械加工操作，用于为不同零件的组装创建腔或孔。在生产阶段，在钻孔操作期间，材料的未切割部分沿着孔的圆周出来。这种在孔的入口和出口处的材料沉积称为毛刺.毛刺的形成会造成一些问题，如精密零件的质量和性能下降等。据估计，约20当出口毛刺形成在腔体内时，需要专门的工具对其进行去毛刺。因此，在钻孔过程中尽量减少毛刺的形成是至关重要的。这将减少去毛刺所需的额外时间和成本，并确保精密零件的质量近年来，金属基复合材料，特别是颗粒增强铝基复合材料在汽车和航空航天工业中受到了广泛的关注金属基复合材料由于具有高强度重量比、高比模量、极高的共振频率和其他优异的机械性能而取代传统材料然而，磨料颗粒作为增强材料的存在在本发明中并不常见。* 通讯作者。联系电话：+91 7122801236，传真：+91 7122802200。电子邮件地址：avinashathakre@gmail.com（A.A.Thakre）。由Karabuk大学负责进行同行审查。金属基复合材料使得钻孔极其困难，需要特殊的工具。在钻削这些复合材料时，孔的入口和出口处会形成毛刺。脆性增强体和韧性基体的存在使得对毛刺形成机制的理解非常有趣。研究人员试图了解金属基复合材料中毛刺的形成机理详细研究了各种加工参数如切削速度、进给量[1-此外，还研究了钻头尺寸和几何形状（如钻头类型[9还发现在金属基复合材料钻孔过程中产生的裂纹类型取决于增强材料的类型[5]、增强材料的体积分数[5，12在金属基质复合材料与脆性增强材料的情况下，形成不规则的冠状突起[7]。裂纹在剥离过程中在增强体和固体润滑剂处产生，并沿进料方向扩展。这些裂纹限制或减缓了材料由于塑性变形而向进给方向的流动。因此，对于金属基复合材料中较高的纤维浓度，报告了较低的毛刺高度和厚度[10，16]。更高的进给速度会增加推力，并将材料推出工件，而不是切割它[16]。在较大的顶角处，钻头在工件上施加拉应力，因此形成较小的钻头http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.02.0072215-0986/©2016 Karabuk University. 出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch每年1200天Thakre，S.So n i /工程科学与技术，国际期刊19（2016）11991205因为工件材料更容易被切割而不是简单地从表面流出[3，6，7]。金属基复合材料中固体润滑剂的存在大大降低了推力，并导致较小的推力[10，16]。提出了钻井过程中产生的岩屑与一次研究一个变量的影响相比，响应曲面法等数学工具是研究各种参数对响应的影响的真正有效和有用的工具。因此，研究人员首选响应面方法[3，7，18]来开发毛刺尺寸的数学模型。其他软计算工具，如田口技术[1，4，5，7，8，10，11，17]、遗传算法[6]等，也用于优化钻井过程中产生的泥浆的高度和厚度。对于加工过程的多个响应的优化，田口方法可以与效用概念[19]、灰色模糊逻辑[20]和主成分分析[21]相结合。金属基复合材料的钻削过程中，钻屑的形成是一个严重的问题和制造过程中的瓶颈，这增加了制造成本本文详细研究了切削速度和进给量等切削参数对Al-SiC复合材料钻削时产生的毛刺高度和厚度的影响并以钻头顶角和增强体浓度为参数，研究了刀具几何形状和工件成分对响应的影响。采用响应面方法建立了毛刺尺寸的二次模型。采用方差分析（ANOVA）找出影响毛刺形成的最重要参数。确定工艺参数的最佳组合，以使响应最小化。用扫描电镜研究了Al-SiC复合材料中毛刺的形成机理。2. 材料和分析2.1. 选材用于这些复合材料的基体材料是铝6061合金。对尺寸为60 × 60× 10 mm 3的Al 6061和Al 6061-SiC板材进行了钻孔实验。其化学组成见表1。这种金属基复合材料广泛应用于航空、航天、航空航天等领域。表2加工因素及其水平。因子代码级别−101切割速度（m/min）一406080进给速度（mm/rev）B0.10.150.2增强剂浓度（%）C01530点角度（度）D96118140使用统计工具，如均值分析和方差分析，检查所开发的模型。2.3. 实验细节钻孔操作在具有SiemenSinumerik828D控制器的计算机数控立式加工中心“Jyoti，VMC850”上进行。使用具有10mm直径和96°、118°和140°三个不同尖角的整体硬质合金钻头（由SANDVIK制造）。在本研究中，选择了四个参数用于毛刺高度和厚度的建模表2显示了为研究选定的因素及其水平。试验采用L27正交表Box-Behnken设计。实验是以随机方式进行的。表3显示了实验设计、在这些钻井过程中产生的泥浆的高度和厚度 图 1表示不规则毛刺、毛刺高度（Bh）和毛刺厚度（Bt）的示意图。 在对工件钻孔之后，通过坐标测量机“Mitutoyo Crystal-Apex C”在围绕孔的圆周以90°间隔开的四个位置处测量每个钻孔的毛刺高度。 使用数字显微镜“ISM-PM200SB”在四个位置测量所产生的涂层的厚度。然后，采用响应面法，将平均值的高度和厚度的骨水泥用于建模3. 结果和讨论采用响应面法建立了切削速度、进给量、刀尖角度和增强剂浓度等因素对所产生的毛刺高度和厚度的影响的数学模型。具有线性、二次和交互项的二阶非线性模型由等式（1）表示。空间应用和微电子技术，如高性能关于我们 阿姆斯壮 阿姆斯壮 阿姆斯壮 阿姆斯壮 1000x1000x1000x1000x 1000电子封装和作为功率半导体的衬底。0 1 1 2 2 3 3 44 5 16 2 7 3 8 4用作增强体的碳化硅颗粒的平均尺寸为2选择用于制造复合材料的增强体的重量百分比为15%和30%。2.2.分析方法响应面法是工程系统数学建模和过程参数优化的有力统计工具。该过程的步骤从识别控制参数及其所考虑的域下一步是选择正交设计，并在此设计的基础上进行实验。然后建立了响应与过程变量之间的经验模型。研究了各种变量及其相互作用对响应的准确性和充分性，表1Al6061合金镁硅铜铁钛V锰锌铬锆镍0.766 0.354 0.214 0.132 0.019 0.011 0.029 0.085 0.1660.024 0.012电话：+86 88888888传真：+86-0510 - 888888888邮箱：info@hkm.com.cn使 用 Minitab 软 件 （ Minitab ， Inc. ， MINITAB release 16 ，2012）。使用编码单位进行分析。表4和表5列出了两种响应的ANOVA结果。通过计算R2系数确定回归模型的拟合优度，R2系数提供了模型可以解释的观察到的响应变异性的度量。R2值为91%，表明模型可以解释毛刺高度观察值中91%的变异，而模型无法解释响应值中仅9%的总变异。较高的R2值（约91%和89%的毛刺高度和厚度）表明，该模型是准确的。回归模型的显著性也可以通过F和P值进行评估F值可预测同时考虑所有设计因素的整个模型的质量。P值是因子对响应的影响很小或不显著的概率。F值越大，回归模型与实验数据的拟合越好。毛刺高度和厚度模型的F比计算值分别F值越高，P值越低（低于0.05），表明回归模型的显著性越高的A.A. Thakre，S.Soni/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）119912051201表3各种实验组合产生的波纹的高度和厚度。运行编号参数磨头高度（mm）平均磨头毛刺厚度（mm）平均毛刺一BCD1234高度（mm）1234厚度（mm）1−1−1000.840.5891.1340.9970.8900.28070.30560.3350.16260.270921−1000.911.220.341.6541.0310.27080.29410.19150.34270.27473−11001.0841.421.0561.0721.1580.32120.30000.28950.23680.2868411001.6842.80.8460.991.5800.42320.32640.28670.22520.3153500−1−12.582.021.4161.9241.9850.52630.43080.57140.16070.42236001−11.380.8730.9071.2081.0920.28070.22440.31080.13730.2383700−110.7121.1720.980.420.8210.33220.22100.15680.23720.2368800111.140.6681.2380.230.8190.29240.17230.20960.24850.23079−100−11.061.360.841.11.0910.28960.35700.30940.26610.305510100−12.661.361.8361.3771.8080.43420.28220.27710.31530.327211−10011.2930.8251.91.5781.3990.32010.26160.29490.34740.30601210011.851.2040.411.041.1260.22390.27110.36270.33310.2977130−1−100.521.2730.690.9850.8670.27030.32810.2890.28180.29231401−101.3861.1090.6751.1661.0840.23720.27630.22050.28160.2539150−1100.360.9370.4930.570.5900.22360.26970.12940.19330.20401601101.031.151.3740.5711.0310.30570.28470.29630.24980.284117−10−100.621.0891.6080.6270.9860.32540.33150.15610.21820.25781810−102.2211.9471.222.421.9520.35340.33460.45930.39750.386219−10100.760.2681.081.5400.9120.25250.32810.28630.18270.26242010100.431.2450.9330.8920.8750.25760.2040.22030.19610.2195210−10−10.6230.790.8921.5910.9740.42400.21620.35980.22930.307322010−11.631.7630.8562.7031.7380.36700.30370.25750.34220.3176230−1010.0750.350.790.110.3310.18960.15790.14810.16840.16612401011.6431.1151.480.7021.2350.30680.27860.23960.32340.28712500000.650.220.871.10.7100.24730.20470.18140.17470.20202600000.6281.0340.580.4380.6730.16940.22150.17430.19130.18912700000.6250.8130.710.9720.7800.24740.26920.20310.18430.2260表明P值高于0.05的因子表示无意义因子。表4表明，所有因素对毛刺高度都很重要。然而，对于毛刺厚度，只有切割速度是不重要的因素，如表5所示。显著因子在ANOVA结果中标记。从模型中删除了剩余的无意义的线性、平方和交互项。毛刺高度（Bh）和厚度（Bt）的最终数学模型以重要因素表示，如公式（2）和（3）分别，B0.7200.1614 A0.2619 B0.19800.24636 D0.3503 A20.3017D20.2507AC0.24790.22275CD（2）B0.2057 0.019125B 0.0341C 0.03281 0.054629A2和浓度的钢筋被发现是重要的因素。当切削速度为60 m/ min、进给速度为0.1 mm/rev、刀尖倾角为140°时，基体中SiC含量为30%时，发现随着进给速率从0.1mm/转增加到0.2 mm/转，毛刺高度和厚度增加约25这表明，较低的饲料需要最小的毛刺尺寸。当钻复合材料时，更高的进给速率增加了推力。推力的增加倾向于使软铝基体在更大程度上变形。这将避免或延迟基体合金和SiC增强体之间的界面结合在没有因钢筋剥离和基体屈服而导致的任何明显裂缝的情况下，工件材料更容易从表面流出而不是切割。这增加0.02691C 0.032817D2 0.042825AC 0.0444CD（三）在这些复合材料的钻孔过程中产生的裂纹的高度和厚度[7，16]。图图2和图3分别表示骨板高度和厚度的主效应图。进给速度，点角度当顶角从96°增加到118°时，毛刺高度和厚度减少约25Fig. 1. 钻井过程中产生的不规则泥浆示意图1202A.A. Thakre，S.So n i /工程科学与技术，国际期刊19（2016）11991205表4毛刺高度的ANOVA结果。DOF，自由度;F，Fischer; P，概率。表5磨头厚度的ANOVA结果。图二. 磨头高度的主效应图。图三. 磨头厚度的主效应图。此后略微达到140°顶角。这表明，更高的顶角是理想的，以尽量减少钻削过程中产生的Al-SiC复合材料的裂纹。更高的尖角确保在尽可能早的时间内最大化唇部移动，以避免应变硬化，并导致切屑流动方向的变化，从而导致更小的切屑[6，7]。此外，由于具有较高尖角的钻头施加的拉伸应力，工件材料更易于切割而不是简单地朝向进给方向滑动在这些拉应力的存在下，将从钢筋的各个脱粘部位产生显著的微裂纹。这些裂纹将沿进给方向扩展和加宽，从而形成不规则的裂纹。它将限制或减缓工件材料向进给方向的屈服和弯曲因此，对于更高的顶角，报告了在Al-SiC复合材料的钻孔过程中产生的更小的高度和厚度[3，7]。在Al-SiC复合材料作为铝合金的复合材料的情况下，形成较小的晶粒韧性材料倾向于经历更高的塑性变形，并向进给方向流动。因此，在铝合金中形成了厚且更大的均匀晶粒[7]。然而，在磨料SiC增强材料的情况下，材料往往表现为脆性并产生不规则的裂纹。在钻井过程中，当唇缘区域遇到磨料SiC增强体时，微裂纹在增强体与基体脱粘之前产生。这些微裂纹是从不同的脱粘部位发展起来的，并且随着裂纹的扩展而扩展在孔出口处的卷曲过程中，这些微裂纹的网络化导致材料的独立区域的形成和分离。因此，在Al-SiC复合材料中产生的裂纹是不规则的，具有几个瓣或瓣[7]。随着SiC增强体在铝基体中浓度的增加因此，在Al-SiC复合材料中分别加入15%和30%的增强体，可使基体的高度和厚度分别切割速度被认为是一个相对不太重要的因素，尽管发现对于更高的切割速度，所产生的毛刺的高度和厚度更大在较高的切削速度下，在刀具和工件之间的界面处产生更多的这将增加铝合金的塑性，并且它将容易向进给方向流动。基质软化将减少钢筋的脱粘，并减少裂缝中显著微裂纹的形成[6]。因此，找到了磨头厚度的主效应图切削速度进给速度0.320.300.280.260.24-101-10点角度1钢筋浓度0.320.300.280.260.24-101-101磨头高度的主效应图切割速度进给速度1.41.21.00.8-101-10点角度1钢筋浓度1.41.21.00.8-101-101磨头厚度（mm）磨头高度（mm）源平方和DOF均方f值p值模型3.99342140.2852447.840.000显著A0.3128610.3128648.60.013显著B0.8230710.82307322.630.000显著C0.4704510.47044812.940.004显著加固D0.7283410.72834420.030.001显著一个20.4238710.654577180.001显著B20.0123510.0211930.580.46C20.0039210.0848472.330.153D20.4855810.48558113.350.003显著AB0.0197410.019740.540.475AC0.251510.2515026.920.022显著AD0.2458310.2458286.760.023显著BC0.0125410.0125440.340.568BD0.0048810.0048830.130.72CD0.1984710.198475.460.038显著残余0.43641120.03636总4.4298226源平方和DOF均方f值p值模型0.07442140.0054036.930.001显著A0.00143410.0014341.840.2B0.00438910.0043895.630.035显著C0.01402910.014029 180.001显著加固D0.01292310.012923 16.580.002显著一个20.0083210.015917 20.420.001显著B20.00016710.0029183.740.077C20.00079610.0038644.960.046显著D20.01138610.011386 14.610.002显著AB0.00015310.0001530.20.666AC0.00733610.0073369.410.01显著AD0.00022510.0002250.290.601BC0.00351110.0035114.50.055BD0.00306410.0030643.930.071CD0.00791210.007912 10.150.008显著残余0.009353120.000779总0.08499726A.A. Thakre，S.Soni/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）119912051203见图4。 毛刺高度（a、c、e）和毛刺厚度（b、d、f）的曲面图。当切削速度从60米/分钟增加到80米/分钟时，切削速度大约增加20图4显示了裂缝高度和厚度的曲面图。图4a、4 b分别显示了以60 m/min的切削速度和118°的顶角钻削Al-SiC复合材料时所产生的毛刺的高度和厚度的曲面图。曲线图表明，低进料和高浓度的增强剂的响应是最小的。在较低的进料速率下，基体不会软化或屈服，并且基体中的较高增强体将为裂纹的发展提供较高的脱粘位点进给方向图4c、4d分别表示当以60 m/ min的切削速度钻孔时，增强体浓度为15%的Al-SiC复合材料分别产生的毛刺的高度和厚度的曲面图。这两个响应被发现是最小的低饲料和高的点角。在存在由较高顶角施加的拉应力的情况下，且在低进给时基体没有任何显著屈服的情况下，裂纹将从钻孔期间从基体中拉出钢筋的位置发展并扩展。图4e、f表示所产生的泥浆的高度和厚度的表面图e1204A.A. Thakre，S.So n i /工程科学与技术，国际期刊19（2016）11991205a B CD f图五. 所生产的陶瓷的扫描电子显微照片：（a，b）在0.15mm/rev进给速率、60 m/min切削速度、140°顶角下钻孔的铝合金;（c）在0.15mm/rev进给速率、60m/min切削速度、140°顶角下钻孔的15%浓度的SiC增强物;（d）在0.2mm/ rev进给速率、80 m/min切削速度、140°顶角下钻孔的15%浓度的SiC增强物;（e，f）在0.15mm/rev进给速率、60 m/min切削速度、118°顶角下钻孔的30%浓度的SiC增强物。在60 m/min的切削速度和0.15 mm/rev的进给速度下，分别对Al-SiC复合材料进行了钻削两种响应都是最小的高点的角度和高浓度的增强体在基体中。较高的顶角对材料施加拉应力，较高的钢筋为裂纹发展提供了较大的脱粘位点。在Al-SiC复合材料中，增强体脱粘处微裂纹的萌生以及裂纹向进料方向的扩展是导致出口处不规则细小裂纹形成的主要原因。因此，在没有任何增强材料的情况下，铝合金铸件的表面没有形成任何微裂纹的迹象（图1）。5a，b）。 图图5c表示沿着整个表面的厚微裂纹的形成，以及在少数位置处脱粘之前增强物通过基体的犁削。但在较高的进给量和切削速度下，基体可能会屈服。这可能会导致位错和表面形成较少的微裂纹（图1）。 5d）。 图5e ，f表示30%SiC增强的陶瓷表面。结果表明，显微裂纹严重且较厚，导致SiC颗粒暴露和基体分层。因此，在Al-SiC复合材料中获得最小的毛刺高度和厚度以获得更高的增强体浓度。图6显示了在切削速度为60 m/min、进给速率为0.1 mm/rev和尖角为140°的条件下钻孔时，在铝合金和Al-SiC复合材料中产生的切屑的形态。在韧性铝合金中形成较大且高度卷曲的切屑，且裂纹较少（图6a）。在基体中存在增强体的情况下，裂纹在切屑卷曲过程中发展并扩展这些裂纹到达切屑的边缘，断裂，然后导致更小和不连续的切屑。 因此，在15%的SiC增强体中形成了较小的切屑（图1）。6 b）。在30%浓度的SiC增强体的情况下，碎片指示沿着表面的更多裂纹芯片被发现是相对较小的，并与以前的材料中发现的芯片相比（图1）。 6c）。a B C见图6。在（a）Al 6061合金、（b）Al 6061 - 15%SiC浓度和（c）Al 6061 - 30%SiC浓度的钻孔中形成的切屑0.1 mm/rev和140°的顶角。A.A. Thakre，S.Soni/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1199120512054. 结论在本研究中，钻Al 6061-SiC复合材料与不同的输入工艺参数进行，以找出影响毛刺尺寸的因素。响应面法用于建模的高度和厚度的污垢。基于这些结果，得出以下结论。1. 在钻削这些复合材料时会形成不规则的毛刺。毛刺尺寸被发现是最小的低进给速度，大的尖角和高浓度的增强。2. 方差分析的结果表明，进给速度起着非常重要的作用，最小毛刺高度其次是尖角。同样，基体中SiC增强体的浓度和钻头的尖角是影响毛刺厚度的最重要因素。3. 研究了Al-SiC复合材料毛刺的扫描电镜照片，以了解Al-SiC复合材料毛刺减少的机理SEM图像显示基质分层、脱粘部位的微裂纹以及沿磨头表面的纤维暴露。引用[1] V.N. Gaitonde S.R. Karnik，B.T. Achyutha湾Siddeswarappa，多目标钻孔问题的田口优化方法，以最大限度地减少毛刺尺寸，国际先进制造技术杂志，34（2007）1-8。[2] V.D. Dhanke，N.G.Phafat，S.D.Deshmukh，AISI 1015钢出口毛刺钻削工艺参数的多响应优化，结合PCA和灰色关联分析，Int. J. 机甲Prod. Eng. Res. Dev. 3（4）（2013）91[3] E. 基利卡普湾Huseyinoglu，A.Yardimeden，使用响应曲面法和遗传算法优化AISI1045钻削中的钻削参数对表面粗糙度的影响，Int. J. Adv. 制造商Technol. 52（2011）79[4] A.N. Haq，P.马里穆图河Jeyapaul，在田口方法中使用灰色关联分析的钻削Al/SiC金属基复合材料的加工参数的多响应优化，Int. J. Adv. 制造商Technol.37（2008）250[5] V.G.王文，应用灰色关联分析法选择铝基复合材料钻削加工中的影响因素，北京大学学报，2001。J. Eng. Sci. 1（5）（2013）197-209。[6] V.N. Gaitonde S.R. 卡 尔 尼 克 湾 Siddeswarappa ， B.T. Achyutha ， 将 Box-Behnken设计与遗传算法相结合，以确定最佳参数组合，用于最小化AISI316L不锈钢钻孔中的毛刺尺寸，Int. 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