高速干銑削高強鋼銑削力及表面粗糙度研究*

于英釗，高 軍，鄭光明，楚滿福，李 源，張 旭

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000)

0 引言

AISI4340鋼是一種高強度馬氏體鋼，被廣泛應用于航空航天制造、汽車及輪船等關鍵部件中，如飛機起落架，軸承、齒輪的制造等[1-2]。但在切削加工過程中切削力大，刀—屑接觸區長度變小容易發生粘結，使刀具磨損加快，刀具壽命下降，同時影響加工表面質量，屬于典型的難加工材料[3-4]。

涂層刀具具有高的硬度和耐磨性，抗氧化性好，化學穩定性高等優點，在高強鋼高速切削領域應用較廣泛[5-6]。國內外學者對涂層刀具車銑削加工高強度鋼的切削力及表面粗糙度進行了大量的研究。Suresh等[7]選用復合涂層(TiN/TiCN/Al2O3)刀具車削AISI4340鋼，得出切削力隨進給量和切削深度的增加而增大、隨切削速度的增大而減小的結論，選用較低的進給量和較高的切削速度有利于降低表面粗糙度。鄭光明等[8]通過高速干車削300M鋼，得出了加工表面粗糙度隨切削速度、進給量和切削深度的增加而增大的結論。Das等[9]采用硬質合金刀片干切削加工AISI4340鋼，探究切削參數的變化對切削力的影響及其變化規律。Sahoo等[10]分別選用無涂層和復合多涂層刀具進行車削AISI4340鋼進行對比試驗，研究涂層材料的變化對切削力及表面粗糙度的影響。

目前，較多的研究集中在車削加工以及低速銑削加工，高速銑削高強度鋼的研究較少，本文采用PVD—TiAlN-TiN硬質合金涂層刀具對難加工材料AISI4340鋼進行了高速銑削正交試驗，研究切削參數對銑削力及加工表面粗糙度的影響程度，為高速銑削AISI4340鋼參數優化及加工效率的提高提供試驗依據。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗設備

高速銑削試驗在五軸數控加工中心DMU70 eVolution上進行，機床主軸的最高轉速18000r/min。銑削力的測量采用KISTLER公司9257B型壓電式三向銑削力測量系統，選用CS-3200型便攜式表面粗糙度儀測量加工表面粗糙度值。圖1為高速銑削現場照片。

圖1 高速銑削現場照片

1.2 刀具選擇

試驗刀具采用日本京瓷公司生產的可轉位立銑刀，刀片基體材料為硬質合金，涂層材料為PVD -TiAlN+TiN復合涂層，牌號為PR830，型號為BDMT-11T308ER-JT。刀桿型號為MEC25-S20-11T(標準型)，直徑D=25mm。

1.3 工件材料

工件材料為AISI4340高強鋼，工件材料表面硬度：(43±1)HRC，采用線切割加工成100mm×100mm×75mm形狀的方塊進行干銑削試驗。AISI4340鋼的主要化學成分如表1所示。

表1 AISI4340鋼的主要化學成分(質量比：%)

1.4 試驗設計

采用順銑、干切削方式，試驗過程中為避免刀片間的相互干涉，只安裝一個刀片。選用四因素正交試驗設計方案，研究高速銑削過程中銑削參數對銑削力及加工表面粗糙度的影響。試驗因素分別取軸向切削深度(ap)、銑削速度(vc)、每齒進給量(fz)和徑向切削深度(ae)，每個因素取4個水平，分別用1、2、3和4表示。試驗因素及水平設置如表2所示。每次銑削長度為100mm。記錄測力儀顯示的銑削力變化和粗糙度儀顯示的粗糙度值。

表2 正交試驗因素及水平設計

2 試驗結果分析

圖2所示為刀具在正常磨損階段銑削力動態變化曲線圖，三條曲線由上到下分別表示X方向、Y方向和Z方向(如圖1)的銑削力變化情況。銑削加工中，銑刀刀齒在切入和切出工件時，引起銑削厚度不斷變化，因此銑削力隨著刀具的切入和切出呈現周期性的變化。從銑削力動態曲線可以看出，一個周期內銑削力波動較大，為保證試驗數據統一性，均選取切削中期的平均值正向銑削力的峰值進行記錄。加工表面粗糙度值是在刀具達到正常磨損階段的測量結果。正交試驗測得銑削力值以及加工表面粗糙度值見表3。

(vc =350m/min，fz =0.03mm/z，ap =0.4 mm，ae =1 mm)圖2 銑削力動態變化

表3 正交試驗結果

2.1 切削參數對銑削力的影響

圖3所示為根據正交試驗結果運用極差法處理數據，繪制的切削參數對銑削力影響的直觀圖。從圖中可以看出切削參數對銑削力影響的變化趨勢。從圖中可以看出，切削參數的改變對Z向切削力的變化很大，因此本試驗中Z向切削力為銑削過程中的主切削力。

(a)軸向切削深度對切削力的影響

(b) 銑削速度對切削力的影響

(c) 每齒進給量對切削力的影響

(d) 徑向切削深度對切削力的影響圖3 切削參數對銑削力的影響

(1)ap對銑削力的影響

隨著ap的增大，Fy和Fz呈增大的趨勢，而Fx基本保持在70 ～ 90N范圍內波動。ap增大使單位時間內切除材料體積隨之增大，導致工件表層變形增大，產生摩擦阻力增大，從而使銑削力逐漸增大。

(2)vc對銑削力的影響

隨著vc的提高，Fy和Fz呈現減小的趨勢，而Fx基本保持在65 ～87.8N范圍內。一方面，vc的提高，使前刀面上的摩擦系數降低，剪切角隨之增大，則變形系數減小，銑削力減小；另一方面，vc不斷提高，切削溫度急劇升高，使AISI4340鋼表面發生熱軟化。同時從相變上分析，高的切削溫度能夠使馬氏體轉變成奧氏體[11]，表面硬度降低，從而使銑削力降低。

(3)fz對銑削力的影響

fz主要對Fz影響較大。隨著fz的增大，刀具銑削厚度增大，導致變形抗力增大，使Fz不斷增大，同時切削功隨之增大，使Fy也相應的增大。Fx在64.5～88.5N范圍內波動。

(4)ae對銑削力的影響

隨著ae的增大，Fy和Fz呈減小的趨勢。Fx在50～97N范圍。ae增大，AISI4340鋼表面變形系數減少，摩擦系數也減少，產生摩擦阻力減小，因此銑削力也隨之減少。

2.2 切削參數對加工表面粗糙度的影響

圖4所示為根據正交試驗結果運用極差法處理數據，繪制的切削參數對加工表面粗糙度影響的直觀圖。從圖中可以看出切削參數對加工表面粗糙度影響的變化趨勢。

(a)軸向切削深度對表面粗糙度的影響

(b) 銑削速度對表面粗糙度的影響

(c) 每齒進給量對表面粗糙度的影響

(d) 徑向切削深度對表面粗糙度的影響圖4 切削參數對加工表面粗糙度的影響

(1)ap對Ra的影響

Ra隨著ap的變大而近似地成比例增加。這是由于ap不斷增大，單位時間切去工件體積增大，導致銑削力逐漸升高，使AISI4340鋼加工表面粗糙度增大。

(2)vc對Ra的影響

隨著vc的提高，主切削力Fz不斷減小，Ra減小。同時，隨著vc不斷提高，切削溫度急劇升高，使AISI4340鋼表面發生熱軟化現象，有利于降低加工表面粗糙度。

(3)fz對Ra的影響

隨著fz的增加，Ra呈上升趨勢。fz的增加，會使進給方向上表面殘留高度升高，同時刀刃自身的粗糙度也會反映到工件表面上去，導致加工表面粗糙度增大。

(4)ae對Ra的影響

隨著ae的增大，AISI4340鋼受到的銑削力減小，使加工表面粗糙度減小。

2.3 建立經驗模型

根據最小二乘法對正交試驗結果進行回歸分析，并依據表3中的數據利用 MATLAB 軟件建立銑削力及加工表面粗糙度的預測經驗模型為：

Fx=318.7132ap0.0646vc-0.1154fz0.2430ae-0.1301(N)

(1)

Fy=120.9484ap0.3363vc0.3326fz0.2723ae-0.3269(N)

(2)

Fz= 964050.98ap-0.8853vc-1.0350fz1.0554ae0.0821(N)

(3)

Ra= 0.1747ap0.1245vc0.2884fz0.1262ae-0.0250(μm)

(4)

從主切削力經驗公式可以看出，fz和vc對Fz的影響較大。從加工表面粗糙度經驗公式可以看出，fz、vc及ap對Ra影響較大。

表4 經驗公式檢驗

從表4中檢驗經驗值來看，切削力波動大，相對誤差在10%以內，可以接受，所求經驗公式符合度較高。

綜合分析切削參數對銑削力及加工表面粗糙度的影響，并根據經驗公式，PVD —TiAlN-TiN涂層刀具高速銑削AISI4340鋼時，建議切削參數為：ap= 0.2～0.4mm，fz= 0.03～0.06 mm/z，vc= 350～450 m/min，ae= 3～4mm。

3 結論

(1)主切削力Fz隨著軸向切削深度和每齒進給量的增加而變大，而隨著銑削速度和徑向切削深度的增加而減小。每齒進給量和銑削速度對其影響較大。

(2)工件加工表面粗糙度隨著每齒進給量、軸向切削深度的增加而增大，隨銑削速度、徑向切削深度的增加而減小。

(3)PVD —TiAlN-TiN涂層刀具高速銑削AISI4340鋼的適宜切削參數為：ap= 0.2～0.4mm，fz= 0.03～0.06 mm/z，vc= 350～450 m/min，ae= 3～4mm。