小直徑刀具高速銑削316L不銹鋼的單因素及因素交互試驗研究

闕燚彬

（柳州職業技術學院機電工程學院，廣西 柳州545006）

0 前言

316L不銹鋼是醫療器械及海水淡化工程所用的主要材料，屬難加工材料。高速加工有減少切削力、排屑效果好、效率高等優點，是數控加工的重要發展趨勢之一，小型輪廓銑削是醫療器械及海水淡化工程部件加工時經常遇到的加工難點。目前國內外對小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼項目鮮有研究，確定試驗方案及相關參數，優化銑削工藝參數，對提高加工效率、降低加工成本有重要意義。

1 單因素試驗及結果分析

單因素實驗是指對一個因素進行實驗，而將其他因素都固定，從而得到每個因素的優選值。本文采用單因素實驗，分別進行了切削速度、徑向切深、軸向切深和進給速度對加工切削合力和振動的影響規律研究。

為避免切削量引起的誤差，試驗采用單側順銑方式，從右到左，從下到上依次銑削，切削示意圖如圖1所示[1]。

圖1 切削走刀示意圖

1.1 切削速度的影響

為保證工件的加工質量，不銹鋼的小直徑銑刀高速銑削特別需要控制好加工產生的切削力及工藝系統振動。

1.1.1 切削速度對徑向切削力的影響

圖2是切削合力F隨切削速度的變化關系，可見，在軸向切削深度、徑向切削深度和切削進給量不變時，切削合力并不是單一的隨著切削速度的增大而增大或減小，當切削速度從40 m/min增加到60 m/min時其切削合力下降了10%左右，而當切削速度從60 m/min增大到80 m/min時其切削力增加了50%左右，當切削速度從80 m/min增大到100 m/min再到120 m/min時其切削合力是逐步降低的。其中當切削速度從80 m/min增大到100 m/min時切削合力下降增加了60%左右，切削速度從100 m/min增大到120 m/min時切削合力下降了10%左右。

切削速度上到80 m/min對降低切削合力有顯著效果，所以正交試驗的切削速度水平選擇80 m/min、100 m/min、120 m/min較好。

圖2 切削合力、振動隨切削速度的變化曲線

1.1.2 切削速度對振動的影響

從圖2中可知，隨著切削速度的增加，振動的幅值越來越大，當切削速度達到100 m/min時，振動幅值開始有下降趨勢。對比切削速度對切削合力的影響曲線圖，根據能量衰減理論，切削振動在一定程度上反映了一種能量，隨著切削速度的增加，切削振動逐漸增大，切削蓄積能量也逐漸增大，隨著刀齒的進給移動，能量發生衰減，能量的衰減致使刀具發生振動，切削速度的增大使能量的衰減減慢，致使加工過程更加不穩定，加工時的振動更加劇烈。

1.2 徑向切深的影響

在不銹鋼的小直徑銑刀高速銑削過程中，徑向切深的大小直接影響到工件的固有剛度，進而影響到銑削時的切削合力和振動幅值，通過對徑向切深的分析可以有效研究徑向切深對加工特性的影響。

1.2.1 徑向切深對切削力的影響

從圖3可知在不銹鋼的小直徑銑刀高速銑削時，切削合力F隨徑向切深的增大緩慢增大，變化幅度不大，其主要原因是由于切深較小時工件的讓刀變形致使實際切削深度均較小，切削體積變化也較小，致使切削力變化趨勢不大。

圖3 切削合力、振動隨徑向切深的變化曲線

1.2.2 徑向切深對振動的影響

從圖3可知在切深從0.04 mm增加到0.08 mm段，加工時的振動幅值較為平穩，并在切深0.06 mm增加到0.08 mm段，振動幅值有緩慢增加。切深從0.08 mm增加到0.1 mm段，振動幅值有20%的下降，在0.1 mm增加到0.12 mm變化不大。

1.3 軸向切深的影響

軸向切深變化直接影響到金屬切削體積的變化，進而加工時的力和振動，最終將影響到工件的加工質量。以下通過單因素法采用不同的軸向切深分析加工時軸向切深對工件加工過程的影響。

1.3.1 軸向切深對切削力的影響

從圖4可知，在軸向切深從0.04 mm增加到0.06 mm段，切削合力成緩慢下降趨勢，總共下降5%左右，軸向切深從0.06 mm增加到0.12 mm段，切削合力都成緩慢上升趨勢，其中0.06 mm到0.08 mm、0.08 mm到0.1 mm、0.1 mm到0.12 mm各段切削合力的增大值都在5%左右。

圖4 切削合力、振動隨軸向切深的變化曲線

1.3.2 軸向切深對振動的影響

隨著軸向切深的增大，實際切削量也逐漸增大，致使切削力增加，工件的回彈振動增強，從圖4可以看出，隨著軸向切深的增大，振動幅值逐漸增加。0.04 mm 到 0.06 mm、0.06 mm 到 0.08 mm、0.08 mm到0.1 mm、0.1 mm到0.12 mm各段的振動幅值增加量保持在5%左右。

1.4 進給速度的影響

進給速度的變化不僅會引起切削層厚度的變化進而影響切削力，還會改變刀屑的摩擦系數和切削剛度，對加工的振動有較大影響。

1.4.1 進給速度對切削力的影響

從圖5可知，隨著進給速度的增大，徑向切削力也逐漸增大，但增加趨勢平緩，沒有大的拐點，主要由于進給量的增加會引起切削層厚度的增加，進而導致單位切削量的增加,在進給速度從0.02 mm到0.025 mm時切削力增加了20%左右。

圖5 切削合力、振動隨進給速度的變化曲線

1.4.2 進給速度的振動的影響

從振動隨進給速度的變化趨勢圖5可以看出，進給量的變化是引起工件加工穩定性的主要因素之一，從切削力隨進給速度變化曲線可以看出，因為進給速度的增大導致了切削層厚度的增加，引起了切削力的增加，但進給量的增大亦會導致變形系數以及切削層摩擦系數的減小，從而使得工件加工時的穩定性有所提高，工藝系統的振動穩定性有所好轉。但是，如果進給速度持續增加，持續增大的切削力影響了銑削過程穩定性，進而引起振動增大。

根據各因素的切削合力和振動單因素分析結果可知，正交試驗的四個因素水平應取表1所列較為理想。

表1 外形輪廓銑削正交試驗參數表

2 因素交互試驗

通過對各因素取放大試驗數值進行兩兩交互試驗，觀察試驗試驗數值內是否存在較強的交互作用。小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼外形輪廓的試驗方案如表2至表7所示。為了減少試驗的主觀誤差，試驗結果采用重復三次求平均得到[2]。

表2 切削速度與軸向切深的試驗參數表

表3 切削速度與進給速度的試驗參數表

表4 切削速度與徑向切深的試驗參數表

表5 軸向切深與進給速度的試驗參數表

表6 軸向切深與徑向切深的試驗參數表

表7 徑向切深與進給速度的試驗參數表

判別兩個因素是否有交互作用，基本方法是按試驗安排表2～7所示的二元表進行試驗，根據結果進行分析，如相應的參數連線相交，就是交互作用很強的一種表現[3]。

通過分析交互試驗結果發現，切削速度與進給速度、軸向切深與徑向切深兩組在試驗數據范圍內對切削合力結果有較強的交互作用。因此，正交試驗將考慮這兩組交互作用。

3 結束語

通過對單因素試驗和正交試驗的結果分析，本試驗根據四因素三水平L27（313）正交試驗表安排試驗。四個因素水平取值如表1所列，考慮切削速度與進給速度、軸向切深與徑向切深兩組的交互作用。本文得出的結論為開展316L不銹鋼小直徑高速銑削參數優化研究確定了試驗方案，奠定了基礎。