工藝參數(shù)對30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼銑削力及銑削溫度的影響

齊 明 章 健 黃文濤 王啟家 鄭耀輝 王 蓮

（①國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007；②沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；③中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

30CrMnSiA 鋼作為中碳調(diào)制型高強(qiáng)鋼，不僅具有較高的強(qiáng)度還具備良好的韌性、耐磨性、抗疲勞性和抗沖擊性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶鐵路及汽車的各種特殊耐磨零件及關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)[1-3]。30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼在切削過程中存在切削力大、切削溫度高和加工硬化嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致其難以得到進(jìn)一步的應(yīng)用[4]。因此，研究銑削參數(shù)對30CrMnSiA銑削力和銑削溫度的影響，對選擇合適的切削參數(shù)、提高加工效率和延長刀具壽命至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了切削參數(shù)對高強(qiáng)鋼切削性能的研究。李堯等[5]運(yùn)用有限元分析方法研究了30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼切削過程中內(nèi)應(yīng)力分布情況，并通過單因素試驗(yàn)研究了主軸轉(zhuǎn)速和刀具前角對切削力的影響。結(jié)果表明，隨著刀具前角的增大，切削力先減小后增大；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，切削力先增大后減小。劉振祥等[6]通過單因素銑削試驗(yàn)研究了30CrNi2MoVA 高強(qiáng)鋼切削用量對切削溫度的影響，結(jié)果表明，隨著切削深度和切削速度的增大，切削溫度明顯升高，進(jìn)給量對銑削力的影響較小。劉貞等[7]通過對3 種刀具進(jìn)行正交銑削試驗(yàn)，對比研究了30CrMnSi 高強(qiáng)鋼的銑削加工性能和不同刀具的耐用度，并建立了刀具耐用度經(jīng)驗(yàn)公式。Yang Z C 等[8]通過開展高速銑削16Co14Ni10-Cr2Mo 超高強(qiáng)度鋼，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度與每齒進(jìn)給量和銑削速度呈負(fù)相關(guān)。Kumar M S 等[9]通過銑削試驗(yàn)研究了AISI 52100 高強(qiáng)鋼不同切削參數(shù)對干式和低溫銑削的切削溫度的影響，結(jié)果表明，低溫銑削相比于干式銑削，切削溫度顯著降低。張昱等[10]采用正交試驗(yàn)分析不同銑削參數(shù)對AerMet100 超高強(qiáng)度鋼表面粗糙度、表面形貌和金相組織的影響，結(jié)果表明主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響最顯著。Xu J等[11]運(yùn)用曲面響應(yīng)法研究了硬質(zhì)合金刀具銑削AF1410 高強(qiáng)鋼參數(shù)對銑削力和表面粗糙度的影響，建立了預(yù)測模型，并使用NSGA-Ⅱ進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。王忠建等[12]采用正交試驗(yàn)法研究了30CrMnSiA 大去除率下銑削參數(shù)對銑削力的影響，結(jié)果表明，減小徑向切深可以有效降低粗加工切削力。

目前，國內(nèi)外關(guān)于銑削參數(shù)對各種高強(qiáng)鋼銑削力、表面粗糙度和刀具壽命進(jìn)行了大量的研究，但針對30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼的銑削力和銑削溫度的研究較少。因此，本文采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行銑削試驗(yàn)，研究銑削參數(shù)對30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼切削力和切削溫度的影響，為實(shí)際加工中銑削參數(shù)的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及刀具

試驗(yàn)工件材料為30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼，試件長為75 mm、寬為75 mm、高為20 mm，化學(xué)組成見表1。為方便試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前使用銑刀在工件正反表面各加工3 個槽，試驗(yàn)在各個槽的邊上進(jìn)行，試驗(yàn)加工過程如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)用刀具選用DongHang四齒硬質(zhì)合金平頭銑刀，刀具型號為D12-30-75-4T，刀具直徑12 mm，前角為8°，后角為12°螺旋角為40°。采用干式、順銑進(jìn)行銑削。

圖1 銑削試驗(yàn)示意圖

表1 30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

銑削實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用沈陽機(jī)床集團(tuán)有限公司的VMC-850B 三軸立式加工中心，采用Kistler 三向壓電測力儀和電荷放大器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并采集實(shí)時三向銑削力，如圖2 所示。試驗(yàn)過程中使用FLIR ResearchIR Max4 紅外熱成像儀采集穩(wěn)定銑削階段的銑削區(qū)溫度和切屑溫度，溫度采集裝置及試驗(yàn)布局如圖3 所示。

圖2 銑削力采集設(shè)備

圖3 銑削力采集設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法研究銑削參數(shù)對銑削力和銑削溫度的影響。在銑削過程中，對銑削效率、銑削質(zhì)量和刀具磨損影響最大的銑削參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf、銑削深度ap和銑削寬度ac，因此選取以上4 個參數(shù)作為因素。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)選取各因素水平，因素水平數(shù)為4，設(shè)計L16（44）正交試驗(yàn)方案，見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2 銑削力結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2 設(shè)計的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行16 組銑削試驗(yàn)。通過測力儀獲取的切削力數(shù)據(jù)由于諸多不可控因素的影響，會出現(xiàn)許多異常、多余和無效的數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，因此需要對得到的銑削力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[13]。截除銑刀切入工件和切出工件階段的銑削力，對中間穩(wěn)定銑削階段數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)漂移和低通濾波處理，選取處理后銑削數(shù)據(jù)的最大值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在銑削加工過程中，刀具與工件摩擦和擠壓變形產(chǎn)生切削熱，隨著銑削加工的進(jìn)行，切削熱累積使得銑削溫度急劇上升，切屑帶走大量的熱量，工件和刀具也通過熱傳導(dǎo)將刀尖的熱量傳走，銑削溫度會逐漸穩(wěn)定到最大值，銑削結(jié)束時，銑削溫度會逐漸降低。本次實(shí)驗(yàn)通過紅外熱成像儀測量加工過程中的銑削區(qū)溫度和切屑溫度，得到的數(shù)據(jù)去除銑削前期的溫度上升階段和銑削末期的溫度下降階段，選取銑削穩(wěn)定階段的溫度平均值作為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。表3 為本次正交試驗(yàn)結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

對表3 中的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。可以看出，進(jìn)給速度vf對Fx、Fy和Fz的影響最為顯著，說明進(jìn)給速度對銑削力的影響最大；銑削參數(shù)對Fx影響程度為進(jìn)給速度＞銑削寬度＞主軸轉(zhuǎn)速＞銑削深度，最優(yōu)銑削參數(shù)為n=2 500 r/min，vf=160 mm/min，ap=0.5 mm，ac=1.5 mm；銑削參數(shù)對Fy影響程度為進(jìn)給速度＞銑削深度＞主軸轉(zhuǎn)速＞銑削寬度，最優(yōu)銑削參數(shù)為n=2 500 r/min，vf=160 mm/min，ap=0.4 mm，ac=1.5 mm；銑削參數(shù)對Fz影響程度為進(jìn)給速度＞銑削深度＞銑削寬度＞主軸轉(zhuǎn)速，最優(yōu)銑削參數(shù)為n=2 000 r/min，vf=160 mm/min，ap=0.5 mm，ac=1.5 mm。

表4 銑削力極差分析結(jié)果

由極差分析結(jié)果可繪制各銑削參數(shù)對銑削力的影響直觀圖，如圖4 所示。可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，三向銑削力均減小，其中Fx變化幅度最大，且主軸轉(zhuǎn)速增大到1 500 r/min 后，銑削力的減小速度大幅降低；隨著進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度的增大，三向銑削力均增大，其中Fx增速最大，F(xiàn)y和Fz增速較小。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給速度和銑削深度的增大，切削面積增大，刀具每刃去除的材料增多，受到的工件變形阻力增大；隨著銑削寬度的增大，切屑的長度增大，刀具與切屑和工件的摩擦路程變長，更多的摩擦力導(dǎo)致銑削力增大。

圖4 各銑削參數(shù)對三向銑削力的影響

根據(jù)以上分析，進(jìn)給速度對銑削力的影響較大，銑削寬度、銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速影響較小，且各銑削參數(shù)主要影響X方向銑削力的大小，對Y方向和Z方向影響較小。因此，在生產(chǎn)時間允許的情況下，為了控制銑削力，提高刀具壽命，應(yīng)使用較高的主軸轉(zhuǎn)速和較低的進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度。優(yōu)選銑削參數(shù)為：n=2 500 r/min，vf=160 mm/min，ap=0.5 mm，ac=1.5 mm。

2.3 方差分析

對表3 中的三向銑削力結(jié)果進(jìn)行方差分析，查F值分布表得，臨界值F選取F0.05（3,3）=9.28，F(xiàn)0.01（3,3）=29.46。對比三向銑削力的F值與臨界值，得到各銑削參數(shù)對銑削力的影響顯著性，分析結(jié)果見表5。

表5 銑削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析

由表5 可知，各銑削參數(shù)對Fx的影響均顯著，進(jìn)給速度vf對Fx影響十分顯著；銑削寬度ac對Fy的影響不顯著，其余參數(shù)對Fy的影響均顯著；進(jìn)給速度vf對Fz的影響十分顯著，主軸轉(zhuǎn)速n對Fz的影響不顯著，銑削深度和銑削寬度影響顯著。方差分析結(jié)果的顯著性大小順序與極差分析結(jié)果相同。

2.4 銑削力經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)正交試驗(yàn)銑削力結(jié)果，建立銑削力的指數(shù)型模型，并分析計算模型參數(shù)，得到銑削力與銑削參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：

運(yùn)用spss 軟件對得到的3 個經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行多元回歸分析，得到的計算結(jié)果見表6。根據(jù)復(fù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)原則，R＞0.8 表明公式擬合良好，R值越接近1，公式擬合性越好。再根據(jù)F值檢驗(yàn)法檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式顯著性，本次正交試驗(yàn)的試驗(yàn)因素為4，試驗(yàn)次數(shù)為16，查F分布表得F0.01（4,11）=5.67，三向銑削力的F值均大于F臨界值，表明經(jīng)驗(yàn)公式模型的線性關(guān)系十分顯著。

表6 銑削力多元回歸分析

2.5 銑削溫度極差分析

對表3 中的銑削溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表7。可以看出，銑削深度和銑削寬度對銑削溫度的影響較大，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對銑削溫度的影響較小。銑削參數(shù)對銑削溫度的影響程度：銑削深度＞銑削寬度＞主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度。最優(yōu)銑削參數(shù)為n=2 500 r/min，vf=240 mm/min，ap=0.4 mm，ac=1.5 mm。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果

由銑削溫度極差分析結(jié)果可繪制各銑削參數(shù)對銑削力的影響直觀圖，如圖5 所示。可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑削溫度降低；隨著進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度的增大，銑削溫度增大，且增幅較大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度的增大，使得切削刃與切屑和工件的接觸面積和摩擦長度增大，摩擦產(chǎn)熱增多；此外，進(jìn)給速度和銑削深度的增大會使切削面積增大，材料發(fā)生的塑形變形增大，引起產(chǎn)熱增多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，為降低銑削溫度，提高刀具壽命，在不影響生產(chǎn)進(jìn)度的情況下，應(yīng)采用較大的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度。

圖5 各銑削參數(shù)對銑削溫度的影響

3 結(jié)語

通過正交試驗(yàn)研究了銑削參數(shù)對30CrMnSiA 高強(qiáng)鋼銑削力和銑削溫度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)給速度對三向銑削力的影響最為顯著，銑削寬度、銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速影響較小，且各銑削參數(shù)主要影響X方向銑削力，對Y方向和Z方向影響較小。

（2）在生產(chǎn)時間允許的情況下，為了控制銑削力，提高加工表面質(zhì)量，應(yīng)使用較高的主軸轉(zhuǎn)速和較低的進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度。

（3） 銑削參數(shù)對銑削溫度的影響程度大小：銑削深度＞銑削寬度＞主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度，為降低銑削溫度，提高刀具壽命，在不影響生產(chǎn)進(jìn)度的情況下，應(yīng)采用較大的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給速度、銑削深度和銑削寬度。