Cr12模具鋼銑削性能的研究*

陳孝光 王永國 劉 鋼 李 明 姜良銀 黃文鑫

(①上海大學機電工程與自動化學院，上海，200072；①上海工具廠有限公司，上海，200093；③機械工業高速精密工具工程技術研究中心，上海， 200093)

隨著工業的高速發展以及生產水平的不斷提高，具有高效率、低成本、節約原材料和產品質量好等特點的模具成型工藝越來越多地代替傳統的切削加工工藝和其他加工工藝。如溫拔、冷拔、精沖、冷擠壓、冷彎、熱擠壓以及壓鑄工藝等，均已得到廣泛應用。例如70%以上的汽車、拖拉機、電機、電器、儀表零件，80%以上的塑料制品，70%以上的日用五金等都是用模具成型的方法來生產的［1-2］。

模具制造過程中，需要提供很高的精度與加工效率，以達到現代工業的需求。機械加工作為模具加工過程中的通用性較好的加工方式被廣泛應用［3-4］，銑削加工為機械加工中主要加工方式。模具銑削加工過程中，切削力的大小與進給量、切深、表面速度等切削條件有很大關系，且與刀具壽命有關并影響到工件的加工精度。而加工工件表面粗糙度是衡量已加工表面質量的重要指標。影響切削加工表面粗糙度的因素也很多，如切削加工條件、工件材料、機床振動、刀具參數以及產生的積屑瘤、鱗刺等。銑削表面粗糙度可以通過預測模型來預測［5］。

本文采用理論分析與切削試驗相結合的方法分析研究了銑削Crl2模具鋼時切削參數與切削力和表面質量的關系。

1 切削力實驗研究

1.1 實驗設計

本實驗采用正交試驗設計方法進行設計，對于Cr12槽銑與側銑分別設計實驗參數。以減少試驗次數，有利于線性回歸數學模型的建立。本文銑削的材料為Cr12淬硬模具鋼，硬度為230 HB。

表1 試驗加工條件

切削力實驗在DMG公司生產的DECKEL MAHO DMU 50 evo linear五軸加工中心上進行。刀具采用上海工具廠生產的MG-4BA35M-D6-M1PCS，直徑為6 mm的整體硬質合金TiN涂層立銑刀(圖1)。

實驗過程中的加工條件見表1。銑削力信號采集采用瑞士KISTLER 5070測力儀，構成如圖2、3所示。

本試驗分為槽銑與側銑。采用正交試驗方法設計三因素三水平與四因素三水平正交試驗。切削參數如表2、表3所示。試驗編號及對應參數分別見表4、表5。表中：Vc、fz、ap、ae、n、F 分別表示刀具線速度(m/min)、每齒進給量(mm/z)、軸向切深(mm)、徑向切寬(mm)、轉速(r/min)、進給速度(mm/min)。

表2 槽銑試驗參數

表3 側銑試驗參數

表4 槽銑正交試驗設計參數(ae=d0)

表5 側銑正交試驗設計參數

1.2 實驗結果

不同實驗條件下槽銑和側銑的切削力如圖4、5，其中 f1、f2、f3分別為 x、y和 z向切削力?？梢钥闯?，對槽銑和側銑，z向切削力f3基本上與加工參數無明顯相關性，故而可以不考慮。而本研究中f2為主切削力，因而我們考慮f2與加工參數的變動關系建立銑削數學模型。記f2為Fz。

2 銑削力數學模型

本研究采用多元回歸方法，分別用兩種切削方式的結果來建立切削力與切削參數之間的關系模型。

在實踐過程中，一般使用指數公式作為切削力的經驗擬合公式，這種指數回歸方程通常用于正交試驗設計場合，適合本研究的使用。由金屬切削原理可知，在機床、刀具和工件材料確定的情況下，銑削力Fz和銑削參數之間的關系可表示為［6］

其中變動參數為銑削深度ap，每齒進給量fz，銑削寬度ae和轉速n。已知銑刀齒數z=4，銑刀直徑d0=6 mm。由此得到其經驗公式為

特別的，對于槽銑，經驗公式為

以下為通過以上所述的公式以及實驗得到的數據，應用多元線性回歸的方法求得的切削力經驗公式。

2.1 側銑的銑削力數學模型

對式(2)進行線性化處理，即取對數。本研究中，刀具直徑不變，得到

在式(5)中，b0、b1、b2、b3、b4為待求的 4 個數值；y、x1、x2、x3、x4分別取 n個不同的數值(本次試驗中 n=9)。

對于線性方程(5)，n個試驗點，各點的偏差為

應用多元線性回歸的方法并利用Matlab將試驗結果進行多元線性回歸分析，通過最小二乘法對參數b0、b1、b2、b3、b4進行估計，從而得到主切削力 FZ與銑削深度ap、每齒進給量fz、銑削寬度ae、轉速n之間的線性回歸模型［7］。如下：

2.2 槽銑的銑削力數學模型

對于槽銑，由于其ae也為d0，為常數。因而可對式(5)進行化簡。令b0=lgCF+b5lgd0+b3lgae，y=lgFzlg4，x1=lgap，x2=lgfz，x4=lgn，則上式(5)化為下式：

通過Matlab編程求出b0=-0.4617，b1=0.9491，b2=0.6535，b4=0.8454。得出方程為

3 銑削力實驗結果分析

對于側銑，通過最小二乘法計算得到 R2為92.5%，R越大，數據擬合得越好。F統計量值為12.375，取檢驗的顯著水平為0.01，由F分布臨界表(α=0.01)查得 F0.01(P，n-P-1) =12.06，則得到的回歸方程是顯著的。

回歸方程呈顯著性，但并不一定所有自變量對因變量的影響都顯著，自變量對因變量的影響不顯著說明二者之間關系呈非線性或者與二者無關［6］。所以要對回歸系數進行顯著性檢驗，以考察每個切削參數對切削力的顯著程度。對假設 H0i：bi=0(i=1、2、3、4、5)進行檢驗，所用統計量為

取檢驗的顯著水平為0.01，查表得t1-α/2(n-k-1)=t0.995(3)=5.8409，進行顯著分析可得：

由回歸系數顯著性檢驗可知，對于Fz，影響顯著性排序為：

對于槽銑，銑削力的數學模型：R2=99.0%，F統計量值為160.593，取檢驗的顯著水平為0.01，由F分布臨界表(α =0.01)查得 F0.01(P，n-P-1) =15.98，則得到的回歸方程是顯著的，與實際情況擬合較好。

由回歸系數顯著性檢驗可知，對于Fz，影響顯著性排序為：

4 粗糙度分析

側銑粗糙度數據如圖6。可以得出：在對Cr12模具鋼的側銑過程中，粗糙度與銑削力并不是嚴格對應增減的，而是在不同區段呈不同特性。在Fz＜150 N的時候，其粗糙度穩定在Ra=0.2～0.5 μm之間；在Fz=150～220 N范圍內，粗糙度與銑削力呈正相關關系。在Fz=150 N時候，Ra得到最小值。因而在該范圍內，應盡量設法使銑削力減小。同時，在側銑過程中，銑削力集中在Fz=150～220 N范圍內。因而對于實際加工，若要減小粗糙度值，應該首先考慮減小切削力。

5 結語

在五軸加工中心上對Cr模具鋼進行銑削試驗，通過對加工條件與銑削力和表面粗糙度的關系進行分析，建立了數學模型，并通過一系列的分析，得出以下結論：

(1)在低速銑削段內，切削力大小與轉速關系不明顯。而與ae、ap有很大關系。要減小銑削力，提高加工表面質量，通過調整這些參數就可以達到目的。具體的調整方向與優先度為：增大ae，增大ap、提高fz、增大n(側銑)或降低n(槽銑)。

(2)當銑削力較小時，表面粗糙度隨切削參數的變化不大；當切削力超過一定范圍后，表面粗糙度值則會明顯增大。因而在精密切削時，考慮到加工質量，切削參數的選取必須保證其切削力Fz=(140～200)N。

(3)為了減小銑削過程中的銑削力，通過對文中的數學模型進行分析，本文給出的切削參數的推薦范圍為：n=4000～5000 r/min，ae=0.5～0.8 mm，fz=0.08 ～0.12 mm/z，ap=4 ～6 mm。

［1］甄瑞麟，模具制造工藝學［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［2］魏慶岐，國內外模具鋼的概況［J］.河北冶金，1996(1)：42-45.

［3］趙國艷，趙曉明，許黎明.高速銑削加工中進給量和進給間隔對表面粗糙度的影響［J］.上海交通大學學報，2005，39(1)：108-103.

［4］吳衛國，王貴成，馬利杰，等.精密車削Cr12模具鋼的表面粗糙度研究［J］.工具技術，2007(41)：38-40.

［5］田欣利，佘安英.基于回歸分析方法的銑削表面粗糙度預測模型的建立［J］.制造技術與機床，2008(11)：101-103.

［6］韓榮第，周明.金屬切削原理與刀具［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.

［7］王沫然.MATLAB與科學計算［M］.北京：電子工業出版社，2003.