波刃立銑刀與標準立銑刀在加工45#鋼時切削力的建模與對比分析

鄧亞弟， 稅妍， 向志楊， 王春江

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 引言

波刃立銑刀是在刀具的前刀面或者后刀片磨削出波形刃口的一種粗加工立銑刀， 依據刃口結構主要為分為前波刃和后波刃， 其中前波刃是在刀具的前刀片磨削出波形刃口， 但制造難度大，應用較少； 后波刃是在刀具的后刀片磨削出波形刃口， 具有良好的工藝性， 應用較為廣泛。

波刃立銑刀在切削過程中刃口各位置逐漸切入工件， 且產生的軸向力可以部分抵消， 所以在加工過程中切削力較小、 切削平穩、 減振性能較好、 切削效率及刀具的耐用度較高。

由于波刃立銑刀的切削性能及切削特點， 在汽輪機零部件的粗加工工序得到廣泛應用， 從建立波形刃刀具切削力的經驗模型入手， 對波刃立銑刀與標準立銑刀的切削力進行對比分析。

2 試驗原理與試驗方案

2.1 試驗原理

整個試驗利用均勻設計方法得出切削速度、切削進給和切削深度的三因素10 水平的均勻設計方案， 然后利用測力計得出各參數下的各切削分力。 對切削分力計算合力后利用回歸分析方法對試驗結果進行擬合， 得出在試驗范圍內的經驗模型， 然后根據經驗模型對波刃立銑刀與標準立銑刀在加工45#鋼時的切削力進行分析。

測力計利用壓電傳感器將其所受到的力轉化為電信號， 再由電荷放大器將電信號放大， 采集到的信號經過調理模塊處理后， 由數據采集卡記錄存儲在電腦中， 整個切削力采集系統的硬件組成如圖1 所示。

圖1 切削力采集系統組成圖

2.2 試驗設備

試驗設備為立式加工中心， 機床主軸功率15 kW， 最大扭矩 102 N·m， 最高轉速 12 000 r/min。切削刀具直徑為10 mm 的整體硬質合金立銑刀，其中波刃立銑刀型號為21M4100， 涂層為T9020，為后波刃整體硬質合金立銑刀。 標準立銑刀型號為 10M4100-70， 2 把刀具螺旋角都為 40°， 試驗材料為45#鋼。

2.3 試驗方法

本試驗采用了均勻試驗法， 其中影響因素選擇切削速度Vc、每齒進給量fz、切削深度ap三因素，依據試驗材料的特性， 切削速度80～120 m/min，每齒進給量 0.01～0.04 mm， 切削深度 2～12 mm，切削寬度統一選擇ae=1.5 mm， 選用均勻設計表U10*， 均勻設計偏差 D 取0.168 1， 得出試驗方案及試驗數據， 見表1。

表1 均勻設計方案與試驗數據

3 經驗模型的建立

3.1 波刃立銑刀切削力經驗模型建立

根據傳統切削理論， 切削深度ap、 切削進給fz、 切削速度Vc與切削力F 有如下關系：

式中， K 為修正系數。

對式 （1） 兩邊求對數， 得：

設 Y=lgF， B=lgK， X1=lgap， X2=lgfz， X3=lgVc，則式（2）轉化為：

應用全回歸法對試驗數據進行擬合， 建立回歸方程， 顯著性水平取α=0.05， 得到回歸系數：B= 2.488， a= 0.873， b= 0.648， c= -0.072。

對回歸方程進行顯著性檢驗：

（1）復相關系數

顯然0.8

（2）F 檢驗

表2為波刃立銑刀切削力模型的方差分析表。

表2 方差分析表

由表 2 可以看出， F=459.8451＞F（0.05,3,9）=4.757（查表）， 則拒絕假設H0， 即3 個自變量的總體回歸效果是顯著的。

由以上分析， 得到如下經驗模型：

對方程各項求偏回歸平方和 U（i）為：

U（3）=5.29e-4

U（2）=0.120

U（1）=0.362

求出各方程項對回歸的貢獻（按偏回歸平方和降序排列）：

U（1）=0.362， U（1）/U=83.5%

U（2）=0.120， U（2）/U=27.7%

U（3）=5.29e-4， U（3）/U=0.122%

該參數表征了方程中各變量對結果的影響。

3.2 標準立銑刀切削力經驗模型的建立

根據波刃立銑刀切削力經驗模型建立的方法得到標準立銑刀切削力的經驗模型為：

其中復相關系數R=0.995， 方差分析見表3。

表3 方差分析表（標準立銑刀切削力模型）

4 分析與討論

由式 （4-5） 可以看出， 在銑削 45# 鋼的過程中， 切削深度ap對切削力的影響最大（偏回歸平方和判斷），為83.5%，切削進給次之， 為27.7%，切削速度對切削力的影響較小， 只有0.122%， 采用后退法對切削速度的影響進行剔除， 得到切削力隨切削深度和切削進給變化的曲線如圖2 所示。

圖2 切削力與切削深度、 切削進給的關系

取切削速度vc=200 m/min， 切削進給 fz=0.04 mm/z， 得到波刃立銑刀與標準立銑刀切削力隨切削深度的變化曲線， 如圖3 所示。

圖3 切削力隨切削深度變化曲線

由圖3 可以看出在小切深情況下波刃立銑刀與標準立銑刀切削力大小相差較小， 但是當切削深度增加時， 標準立銑刀切削力的增長速度大于波刃立銑刀。

取切削深度ap=10 mm，切削速度vc=200 m/min，得到波刃立銑刀與標準立銑刀切削力隨切削進給的變化曲線， 如圖4 所示。

圖4 切削力隨切削進給的變化曲線

由圖4 可以看出波刃立銑刀與標準立銑刀的切削力都隨著切削進給的增大而增大， 標準立銑刀切削力增加速度高于標準立銑刀。

取切削深度ap=10 mm，切削進給fz=0.04 mm/z，得到波刃立銑刀與標準立銑刀切削力隨切削速度的變化曲線， 如圖5 所示。

圖5 切削力隨切削速度的變化曲線

由圖5 可以看出， 隨著切削速度的增大， 切削力呈小幅減小趨勢， 其中波刃立銑刀減小的幅度較小。

5 結論

本試驗對波刃立銑刀與與標準立銑刀在銑削45#鋼時的切削力進行了測量和建模， 由經驗模型可以看出在切削參數中切削深度對切削力的影響最大， 切削進給次之， 切削速度最小。 由波刃立銑刀與標準立銑刀的切削力對比可以看出波刃立銑刀比標準立銑刀具有更小的切削力， 特別是在大切深情況下。 所以波刃立銑刀應采用較大的切深， 可以有效發揮波刃立銑刀切削力較小的特點。