小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的切削合力研究

闕燚彬

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧 530004;2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州 545006)

小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的切削合力研究

闕燚彬1，2

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧 530004;2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州 545006)

通過多因素正交試驗(yàn)，應(yīng)用SPSS軟件建立不銹鋼小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的最大切削合力回歸經(jīng)驗(yàn)公式，同時對回歸模型進(jìn)行顯著性驗(yàn)證。最終得到對銑削參數(shù)的優(yōu)化選擇有一定的參考價值的分析結(jié)果。

小直徑銑刀;高速銑削;316L不銹鋼;切削合力;經(jīng)驗(yàn)公式

0 前言

316L不銹鋼屬難加工材料，其黏附性及熔著性強(qiáng)，銑削時沖擊、振動較大，銑刀刀齒崩刃和磨損非常嚴(yán)重。當(dāng)前，不銹鋼的小直徑高速加工技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者鮮有研究，所以通過小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼外形輪廓正交實(shí)驗(yàn)得出小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的最大切削合力回歸經(jīng)驗(yàn)公式，對優(yōu)化不銹鋼的銑削工藝參數(shù)、提高其加工效率、降低加工成本有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)條件及工件制備

1.1 實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備

(1)機(jī)床。實(shí)驗(yàn)采用Fanuc a-t14iflb加工中心(主軸最高轉(zhuǎn)速為24 000 r/min)，該加工中心的數(shù)控系統(tǒng)為Fanuc數(shù)控系統(tǒng)。

(2)刀具。實(shí)驗(yàn)采用刀具直徑為2 mm，刀柄直徑為4 mm的GUK品牌鈦鋁涂層鎢鋼硬質(zhì)合金兩刃平底銑刀，銑削方式采用順銑。

(3)切削合力采集系統(tǒng)。切削合力的采集系統(tǒng)包括:大連YDX-III9702型壓電式銑削測力儀、YE5850電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集軟件和計(jì)算機(jī)組成。YE5850電荷放大器如圖1所示。YDXIII9702壓電式銑削測力儀卻能以其高剛度、高靈敏度、高固有頻率能很好地滿足靜、動態(tài)測試的要求，可測出任意方向力的3個相互正交的分量 (Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)。

圖1 YE5850電荷放大器

測試系統(tǒng)在使用前要做好相應(yīng)的調(diào)試工作，首先給測力儀和電荷放大器設(shè)置專門的地線，使整個測力系統(tǒng)有一個統(tǒng)一的地線;然后，對電荷放大器進(jìn)行調(diào)試，合理選擇電荷放大器的量程和擋位，以便提高測量精度和減小噪聲。在數(shù)據(jù)采集軟件方面，由于此次的實(shí)驗(yàn)是小刀徑小切深的高速銑削，故實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)保持在100 N以內(nèi)，所選取的采樣頻率為10 kHz。

1.2 工件的制備

實(shí)驗(yàn)所提供的工件材料為316L不銹鋼，尺寸規(guī)格為120 mm×75 mm×50 mm，測量現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 測量現(xiàn)場

2 外形輪廓側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了建立不銹鋼小直徑銑刀高速銑削的切削合力模型，作者設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。通過正交試驗(yàn)和回歸分析法研究切削參數(shù) (切削速度vc、進(jìn)給速度vf、徑向切深A(yù)d、軸向切深A(yù)p)對工件切削合力的影響效果，同時建立切削合力的經(jīng)驗(yàn)公式。為了體現(xiàn)試驗(yàn)的實(shí)際工程意義，該試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的切削參數(shù)并按照本試驗(yàn)條件的要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以建立更加準(zhǔn)確的切削合力以及粗糙度回歸模型。正交試驗(yàn)的安排采用四因素三水平共27組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 側(cè)銑正交試驗(yàn)參數(shù)表

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

切削合力3個方向X、Y、Z的信號通過三向石英測力儀測得，進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)時，每一組參數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次切削，所以每一組參數(shù)的切削合力值取3次的平均值。

3 外形輪廓側(cè)銑正交試驗(yàn)切削合力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 側(cè)銑L27(313)正交試驗(yàn)參數(shù)安排表及試驗(yàn)結(jié)果

4 外形輪廓側(cè)銑切削合力回歸模型經(jīng)驗(yàn)公式的建立

回歸模型常用來確定兩個或兩個以上變量對目標(biāo)變量的定量關(guān)系，是一種常用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，廣泛用于生產(chǎn)中的預(yù)測和控制。在實(shí)際問題的曲線類型不易判斷時，可采用多項(xiàng)式進(jìn)行逼近，因?yàn)?，任意曲線都可以近似地用多項(xiàng)式來表示。如果變量y與x的關(guān)系可以假設(shè)為P次多項(xiàng)式，則多項(xiàng)式的模型為:

可以把上式的非線性項(xiàng)用不同的線性項(xiàng)來替代，則可以把上述問題用多元線性回歸分析的方法來解決。即令

同理，多元多項(xiàng)式回歸問題也可以化為多元線性回歸問題來解決。

在上述問題中，由于事先對于切削合力與4個考察指標(biāo)之間的回歸曲線類型未知，所以采用多項(xiàng)式逼近，建立完全二次多項(xiàng)式模型:

其中y表示切削合力，xi(i=1，2，3，4)分別表示切削速度、切削深度、進(jìn)給量和切削寬度4個因素;系數(shù)βi表示xi的線性效應(yīng)，βii表示xi的二次效應(yīng)，βij表示xi與xj的交互作用效應(yīng)。

利用SPSS軟件，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)逐步回歸分析結(jié)果，得到切削合力與4個因素的回歸模型如下:

5 外形輪廓側(cè)銑切削合力的回歸模型的顯著性檢驗(yàn)

上節(jié)所建立的切削合力的回歸模型 (4)只是一種經(jīng)驗(yàn)概率模型，不能將試驗(yàn)中由于試驗(yàn)條件的改變引起的波動同實(shí)驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來，對實(shí)際結(jié)果的擬合程度好壞有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)，為此需要采用方差分析對該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，方差分析的基本思想是將總的離差平方和QT分解為回歸平方和QA和剩余平方和QE兩部分來構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量，并作F檢驗(yàn)，進(jìn)而判斷各因素作用是否顯著。

式中:r為試驗(yàn)選取因素的個數(shù);n為試驗(yàn)組數(shù)，由正交試驗(yàn)表可知n=27、r=4。

則，由公式 (5)— (8)可得切削合力顯著性檢驗(yàn)表如表3所示。

表3 回歸模型顯著性檢驗(yàn)表

模型的決定系數(shù)R2=0.748，說明y的74.8%可以由模型確定。

回歸模型的F統(tǒng)計(jì)量 =12.456＞F0.01(5，21)=4.04，顯著性檢驗(yàn)的P值=0.000，遠(yuǎn)小于顯著性水平0.01，說明所建立的切削合力的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型顯著，能夠較好地預(yù)測切削合力。

另一方面，對模型中各個變量的系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到表4所示結(jié)果。

表4 回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表

從表4可知，各個變量的顯著性檢驗(yàn)的P值均小于0.05，各個變量都顯著。進(jìn)一步說明了建立的模型的合理性。

運(yùn)用經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)的切削合力回歸模型，比較該模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果誤差如表5所示。

表5 預(yù)測模型誤差分析表

從誤差分析表可以看出，所有試驗(yàn)的預(yù)測誤差均限制在10%之內(nèi)，可見所建立的切削合力預(yù)測模型預(yù)測性能較穩(wěn)定，可以用于側(cè)銑切削合力的預(yù)測。

6 結(jié)束語

應(yīng)用多因素正交試驗(yàn)法進(jìn)行了小直徑刀具高速銑削316L不銹鋼外形輪廓的試驗(yàn)，建立了順銑銑削316L不銹鋼外形輪廓的小直徑刀具銑削合力經(jīng)驗(yàn)公式，并通過了顯著性驗(yàn)證。應(yīng)用該公式可以提前對所選定銑削參數(shù)的加工的銑削合力進(jìn)行估算，對優(yōu)化不銹鋼的銑削工藝參數(shù)、提高其加工效率、降低加工成本有重要參考意義。

［1］曹雅莉.淺談高速切削技術(shù)與發(fā)展［J］.輕工科技，2013(7):57－58.

［2］白琨.超高速切削加工及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.新技術(shù)新工藝，2009(9):63－65.

［3］張伯霖，楊慶東，陳長年.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2003，32(4):85 －86.

［4］張華偉.小直徑銑刀高速銑削淬硬鋼過程動力學(xué)仿真與有限元分析［D］.南寧:廣西大學(xué)，2005.

Study of Cutting Force of Small Diameter Cutter with High Speed Milling of 316L Stainless Steel

QUE Yibin1，2
(1.College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi530004，China;2.Department of Electromechanical Engineering，Liuzhou Vocational and Technical College，Liuzhou Guangxi545006，China)

Multi-factor orthogonalexperimentwas carried out.SPSSsoftwarewas applied to establish regression empirical formula for cutting force of small diameter stainless steel cutter with high speed milling of 316 l stainless steel，at the same time，the notable significance for the regressionmodelwas validated.Finally，the analysis of the results is obtained to have certain reference value to the optimization ofmilling parameters selection.

Small diametermilling cutter;High-speed milling;316L stainless steel;Cutting force;Empirical formula

TH16

A

1001－3881(2015)21－156－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.038

2014－09－17

闕燚彬 (1981—)，男，工程碩士，講師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。E－mail:queyibin@sina.com。