基于正交法的模具鋼的優(yōu)化高速切削參數(shù)的實驗研究

李青祝，夏建生，竇沙沙，楊子潤

（鹽城工學(xué)院 優(yōu)集學(xué)院，鹽城 224051）

0 引言

切削是一種物理現(xiàn)象，用來去除材料從而達(dá)到所需工件的幾何形狀。在金屬切削中，當(dāng)被加工之工件與刀具作相對運動時，以刀尖碰觸工件，達(dá)到移除材料的目的，方可稱為切削加工。

高速切削系以較小的切入深度，較高的進(jìn)給。可以提高生產(chǎn)力、降低表面粗糙度、降低切削力、切削穩(wěn)定性較好，同時可以減少挾持系統(tǒng)熱變形[1,2]。

目前高速切削的數(shù)控設(shè)備的技術(shù)已趨于成熟，利用高速切削時的小切削量、高切削速等特點，即將熱處理過的硬化材料一次加工成形，且加工時間短、材料移除率高、切削力小及表面高精度的需求。這使加工技術(shù)不斷突破，朝向高速自動化發(fā)展，不斷提高生產(chǎn)力以及降低成本[3]。

用高速銑削熱處理過的模具鋼已普遍為模具業(yè)所接受，但切削條件相關(guān)資料不多。本文利用高速切削工具切削熱處理過的SKD61熱作模具鋼，研究高速銑削之最佳的切削條件[4]。

1 實驗研究

1.1 實驗方法與步驟

1）實驗設(shè)備： FANUC高速加工中心，華豐精密工具制造股份有限公司的?4R0.2 四刃鎢鋼圓鼻刀，Kosaka SE-1200 表面粗超度測量儀。

2）加工材料：實驗用熱處理SKD61 模具鋼，大小為100mm×100mm×25mm，硬化硬度分別為HRC44，HRC48 及HRC53三種。

使用高速加工中心精銑HRC44、HRC48 及HRC53SKD61三種硬度的模具鋼，利用正交表設(shè)定實驗參數(shù)，探討切削參數(shù)對工件表面粗糙度影響，并計算出最佳參數(shù)組合，對實驗結(jié)果進(jìn)行比較，找出每個因素最好最佳值，使模具加工質(zhì)量達(dá)到最佳條件。

實驗設(shè)計三個因子分別為切削速度、進(jìn)給量與切削深度。如表1所示，徑向切深保持2mm；銑削以順銑方式切削；冷卻方式為：乳化液；切削面積為4400mm2，利用直交表L9作為實驗安排，探討不同參數(shù)組合對表面粗糙度的影響[5]。

表1 實驗水平因子表

具體的實驗步驟如圖1所示。

在實際教學(xué)中，筆者運用“三動六步”的程序進(jìn)行操作（示例圖如下）[4]。課堂教學(xué)從“激情、入境”到“探究、深化”再過渡到“內(nèi)化、運用”，學(xué)生始終是課堂的主人，教師要尊重學(xué)生的個性及其獨特的思維方式。啟動階段讓學(xué)生進(jìn)入新知識的學(xué)習(xí)境界；互動階段讓學(xué)生多種感官全方位參與，促進(jìn)認(rèn)知與情感的和諧和互動的教與學(xué)關(guān)系的生成；能動階段將知識轉(zhuǎn)化為認(rèn)識事物、解決問題的能力。三個階段由淺入深、由近及遠(yuǎn)，讓學(xué)生有步驟、有次序地展開對詞匯的接納與吸收。

其中通過Minitabe軟件計算出各參數(shù)的信號噪聲S/N 比，求出各因子在各水平下的S/N 比反應(yīng)表(response table)，然后找出每個因子中比平均值最大之水平即為該實驗最佳參數(shù)。變異分析(analysis of varianCe)是驗證正交實驗是否正確，根據(jù)計算可以確定該因子在統(tǒng)計上是否有誤差，也可以找出各別因子對于目標(biāo)函數(shù)的貢獻(xiàn)程度。

圖1 實驗流程圖

1.2 實驗安排及結(jié)果

利用L9 直交表對SKD61模具鋼切削實驗，計算不同配置的切削速度、進(jìn)給量及切削深度對表面粗糙度影響的信號噪聲S/N 比，結(jié)果列于表2中。

1.2.1 材料硬度為HRC44實驗分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出HRC44下各因子水平數(shù)對表面粗糙度的關(guān)系圖如圖2所示，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA 變異數(shù)分析，結(jié)果如表3所示。

圖2 HRC44各因子S/N影響圖

表3 HRC44的ANOVA 變異數(shù)分析表

從上面分析中可以得出硬度為HRC44 最佳參數(shù)組合為A3B3C2，即為切削速度300m/min(240000rpm) 、進(jìn)給量0.03mm 、切削深度0.10mm，用上述參數(shù)組合進(jìn)行加工實驗的驗證，得到加工后表面粗超度為0.546μm。從圖2中還可得出切削速度的影響最大，切削深度次之，進(jìn)給量最不明顯。

圖3 HRC48各因子S/N影響圖

銑削材料硬度HRC53的ANOVA 變異數(shù)分析之結(jié)果，顯著水平P水平值設(shè)定為0.05，可以得出切削速度P 值小于0.05 為顯著因子，其他兩個因子皆大于0.05 ，為不顯著因子。

1.2.2 材料硬度為HRC48實驗分析

表4 HRC48的ANOVA 變異數(shù)分析表

從上面分析中可以得出硬度為HRC48最佳參數(shù)組合為A3B2C2，即為切削速度300m/min(240000rpm) 、進(jìn)給量0.02mm 、切削深度0.10mm，用上述參數(shù)組合進(jìn)行加工實驗的驗證，得到加工后表面粗超度為0.545μm。從圖3中還可得出切削速度的影響最大，切削深度次之，進(jìn)給量最不明顯；切削深度的影響會比銑削硬度為HRC44 來的的更明顯。

銑削材料硬度HRC53的ANOVA 變異數(shù)分析之結(jié)果，顯著水平P水平值設(shè)定為0.05，可以得出切削速度P 值小于0.05 為顯著因子，其他兩個因子皆大于0.05 ，為不顯著因子。

1.2.3 材料硬度為HRC53實驗分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出HRC53下各因子水平數(shù)對表面粗糙度的關(guān)系圖如圖4所示，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA 變異數(shù)分析，結(jié)果如表5所示。

圖4 HRC53各因子S/N影響圖

表5 HRC53的ANOVA 變異數(shù)分析表

從表5分析中可以得出硬度為HRC53 最佳參數(shù)組合為A3B2C1， 即為切削速度300m/min(240000rpm) 、進(jìn)給量0.02mm 、切削深度0.05mm，用上述參數(shù)組合進(jìn)行加工實驗的驗證，得到加工后表面粗超度為0.555μm。

銑削材料硬度HRC53的ANOVA 變異數(shù)分析之結(jié)果，顯著水平P水平值設(shè)定為0.05，可以得出只有切削速度P 值小于0.05 為顯著因子，其他兩個因子皆大于0.05 ，為不顯著因子。

2 結(jié)論

本文在高速銑削熱處理后三種硬度HRC44、HRC48 及HRC53的SKD61 模具鋼，用正交法探討切削速度、進(jìn)給量與切削深度三個參數(shù)對粗超度的影響，得出如下結(jié)論。

1）硬度為HRC44 最佳加工參數(shù)為切削速度300m/min(24000rpm)、進(jìn)給量0.03mm，切削深度0.10mm；HRC48為切削速度300m/min(24000rpm)、進(jìn)給量0.02mm、切削深度0.10mm；HRC53 則是切削速度300m/min(24000rpm)、進(jìn)給量0.02mm，切削深度0.05mm。

2）切削速度 300m/min(24000rpm) 的加工效率比100m/min(8000rpm) 下快三倍，在追求加工時效快速的條件下，可選用高的主軸轉(zhuǎn)速。

3）從 ANOVA 變異數(shù)分析可以得到主軸轉(zhuǎn)速對于表面粗糙度的影響最大，切硬度越高，影響越顯著。故在銑削加工時，首先要進(jìn)行轉(zhuǎn)速的選定，當(dāng)達(dá)到期望之表面粗糙度時，再調(diào)整進(jìn)給與切削深度，以達(dá)到理想的表面質(zhì)量。

4）進(jìn)給量與切削深度在實驗中為不顯著因子，當(dāng)把水平間距提高進(jìn)行實驗，當(dāng)進(jìn)給高于0.06mm以上，實驗后刀具出現(xiàn)明顯磨損。

[1]H.Schulz, , “High-Speed Machining”, Annals of CIPR,1992, 412: 637-643.

[2]H.Schulz, , “The History of High-Speed Machining”,Proceedings of the Sino-G Joint Symposium on High-Speed and High Precision Machining, 1999: 1-8.

[3]J.M.Vieira, A.R.Machado and E.O.Ezugwu,“Performance of Cutting Fluids during Face Milling of Steels”, Journal of Materials Processing Technology, 2001,166: 244-251.

[4]O.Cakir, M.Kiyak, E.Altan, “Comparison of Gases Applications to Wet and Dry Cutting in Turning”, Journal of Materials Processing Technology, 2004, 153-154: 35-41.

[5]J.Wang, “The Effect of Multi-Layer Surface Coating of Carbide Inserts on the Cutting Forces in Turning Operations”, Journal of Materials Processing Technology,2000, 97: 114-119.