0Cr18Ni9不銹鋼車削力試驗(yàn)研究

王文龍,馬利杰

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

0Cr18Ni9不銹鋼車削力試驗(yàn)研究

王文龍,馬利杰

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

切削力是切削加工中的一種伴隨現(xiàn)象,切削力的大小直接影響到刀具壽命、加工質(zhì)量和加工效率.在分析車削力時(shí)域特征的基礎(chǔ)上,通過0Cr18Ni9不銹鋼的正交車削試驗(yàn),研究了切削參數(shù)對(duì)切削力波動(dòng)系數(shù)的影響規(guī)律.結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)性是車削力的基本屬性,切向分力和進(jìn)給分力是車削力的主要成分；切削用量三要素中,切削深度ap對(duì)進(jìn)給分力波動(dòng)系數(shù)Qf和切向分力波動(dòng)系數(shù)Qc都有著顯著的影響,兩者隨ap的變化趨勢(shì)基本一致.

不銹鋼；車削力；時(shí)域特征；切削參數(shù)；波動(dòng)系數(shù)

不銹鋼材料由于具有強(qiáng)度剛度高、耐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、韌性大等優(yōu)良的物理力學(xué)性能,在航空航天、國防軍工、儀器儀表等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用.然而,不銹鋼屬于典型的難加工材料,切削過程中具有切削力大、導(dǎo)熱系數(shù)低、切削溫度高等特點(diǎn)[1].因此,深入開展不銹鋼切削試驗(yàn)研究,優(yōu)化工藝參數(shù),對(duì)于改善不銹鋼加工質(zhì)量、提高加工效率、延長刀具使用壽命具有十分重要的意義.

切削力是切削過程中刀具對(duì)工件的作用力,主要來源于被切削層金屬的彈塑性變形力和刀具、工件、切屑3者之間的摩擦力[2].同時(shí),切削力大小直接反映了工件材料的切削加工性、刀具材料和刀具幾何參數(shù)選取的合理性以及切削變形程度的大小等[3].目前切削力的主要研究方法有實(shí)驗(yàn)法、解析法和有限元分析法[4-7].相對(duì)于其他兩種方法,實(shí)驗(yàn)法具有針對(duì)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、可信性好等優(yōu)勢(shì),因此被大量應(yīng)用.

本文在對(duì)車削力時(shí)域特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過0Cr18Ni9不銹鋼的外圓車削試驗(yàn),研究了切削參數(shù)對(duì)車削力波動(dòng)系數(shù)的影響規(guī)律.

1 不銹鋼車削力的時(shí)域特征

切削力時(shí)域特征是指切削過程中動(dòng)態(tài)切削力的特征值（包括最大值、平均值、最小值、幅值等）隨切削時(shí)間變化的基本規(guī)律.時(shí)域特征是通過時(shí)域波形的不同來體現(xiàn)的[8].通過時(shí)域特征分析可以實(shí)現(xiàn)切削過程和加工質(zhì)量的分析、監(jiān)控和預(yù)測(cè).

1.1 車削力的時(shí)域波形

車削加工時(shí)切向力的時(shí)域波形見圖1.

圖1 車削加工的切向力時(shí)域波形Fig.1 The time domain waveform of turning tangential force

由圖1可知,一個(gè)完整的切削過程通常包括切入階段（AB段）、正常切削階段（BC段）和終止階段（CD段）.在AB段,隨著刀具逐漸切入工件,刀具的切削橫截面積AD和材料切除率逐漸增加,因此切削力呈上升趨勢(shì)；而在CD段,隨著切削過程逐漸停止,材料切除率逐漸減小,切削力則表現(xiàn)為下降趨勢(shì).

由于開始和終止切削過程中刀具易受到?jīng)_擊,所以切入和終止階段（AB段和CD段）切削力的穩(wěn)定性比正常切削階段（BC段）差,切削力瞬時(shí)值呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)量.由于工件材質(zhì)不均、斷屑排屑等因素影響,即使在正常切削階段（BC段）,切削力時(shí)域波形也不同于靜態(tài)加載過程,而是一個(gè)隨著切削時(shí)間推移且按照某種規(guī)律上下波動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程.

根據(jù)上述現(xiàn)象,動(dòng)態(tài)性是切削力時(shí)域波形的基本屬性,它能夠反映切削過程的穩(wěn)定程度,而這種穩(wěn)定程度可以通過切削過程中的峰峰值Fp-p與平均值Fm的比值來衡量,其表達(dá)式為

式（1）中Q為切削力波動(dòng)系數(shù).Q與工藝系統(tǒng)剛性、工件材料均勻性等因素密切相關(guān),Q越大,切削力的相對(duì)波動(dòng)量越大,切削過程就越不穩(wěn)定,切削力對(duì)工藝系統(tǒng)和加工質(zhì)量的影響也就越顯著.

1.2 各切削分力對(duì)比

車刀是一種單刃刀具,加工過程中其所受到的力如圖2所示.為了測(cè)量和分析方便,空間力F常被分解為3個(gè)相互垂直方向上的分力：切向分力Fc、進(jìn)給分力Ff和背向力FP.

圖2 車削力示意Fig.2 Schematic diagram of turning force

圖3為車削加工三向分力的時(shí)域波形,通常情況下,切向分力Fc和進(jìn)給分力Ff都大于背向力FP.原因是：切向分力Fc代表主運(yùn)動(dòng)方向上的分力,主運(yùn)動(dòng)速度高,功率消耗大,擔(dān)負(fù)主要的切削工作；進(jìn)給分力Ff是保持切削過程連續(xù)所需要的力,一般也比較大；而背向力一般都比較小.

圖3 車削加工三向分力的時(shí)域波形Fig.3 The time domain waveform of turning three-component

圖4為圖3中各切削分力的平均值比較.

圖4 車削加工各切削分力對(duì)比Fig.4 The comparison of each turning cutting force

基于上述分析,動(dòng)態(tài)性是切削力的基本屬性,切向分力Fc和進(jìn)給分力Ff是切削力的主要分量.因此,下文主要分析切削參數(shù)對(duì)進(jìn)給分力波形系數(shù)Qf和切向分力波形系數(shù)Qc的影響規(guī)律.

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)在CA6140車床上進(jìn)行（如圖5所示）.試驗(yàn)過程中,利用SDC-CJ4F精密通用測(cè)力儀獲取動(dòng)態(tài)切削力,并借助DASP數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對(duì)切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理.

圖5 試驗(yàn)裝置Fig.5 Test device

2.1.2 工件材料 0Cr18Ni9不銹鋼,俗稱304,它是應(yīng)用最廣泛的一類不銹鋼,廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)設(shè)備、普通化工設(shè)備、核能工業(yè)等領(lǐng)域,其主要化學(xué)成有C、Mn、P、S、Si、Cr、Ni,這些元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大概為0.08%、2.00%、0.045%、0.030%、1.00%、18.0%～20.0%、8.0%～11.0%.實(shí)驗(yàn)選用Φ80 mm、總長為300 mm的棒料,每一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)車削15 mm的外圓長度.

2.1.3 刀具選擇 刀具選用YW1型硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位外圓車刀（如圖6所示）其幾何角度為：前角γo=10。、后角、主偏角負(fù)偏角刃傾角、副后角

圖6 試驗(yàn)用車刀Fig.6 The experimental tool

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用三因素四水平正交組合試驗(yàn),表1為正交試驗(yàn)因素水平表,其中因素A、B、C分別表示切削參數(shù)中的切削速度vc/（m/min）、進(jìn)給量f/（mm/r）和切削深度ap/mm,試驗(yàn)選擇L16（45）正交表,共需16次試驗(yàn).

表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)不銹鋼外圓車削正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表2.

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The test results

為了更為直觀地分析切削參數(shù)對(duì)波動(dòng)系數(shù)的影響,現(xiàn)對(duì)波動(dòng)系數(shù)的均值及極差進(jìn)行統(tǒng)計(jì).結(jié)果見表3.

表3 波動(dòng)系數(shù)Q的均值及極差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 The mean and range of statistical results of fluctuation coefficient Q

由表3可知,三因素對(duì)Qf影響的極差R1、R2和R3分別是：0.406、0.214、1.045；而對(duì)Qc影響的極差R1、R2和R3分別是：0.076、0.257、0.230.切削用量三要素中,切削深度ap（因素C）對(duì)兩分力的波動(dòng)系數(shù)都有著顯著的影響,而切削速度vc（因素A）和進(jìn)給量f（因素B）的影響較為復(fù)雜.切削深度ap對(duì)進(jìn)給分力波動(dòng)系數(shù)Qf和切向分力波動(dòng)系數(shù)Qc的影響規(guī)律對(duì)比見圖7.

圖7 切削深度ap對(duì)Qf和Qc的影響Fig.7 The influence of cutting depth apon Qfand Qc

從圖7可以看出,Qf和Qc隨切削深度ap的變化趨勢(shì)是基本一致的,并且在精加工階段（切削深度一般比較小）Qf比Qc大,因此進(jìn)給方向上的切削力波動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量有著更為顯著的影響,從提高加工質(zhì)量方面考慮,應(yīng)該優(yōu)先降低進(jìn)給分力波動(dòng)系數(shù)Qf.

4 小結(jié)

一個(gè)完整的車切削力時(shí)域波形包含切入階段、正常切削階段和終止階段,這個(gè)過程不同于靜態(tài)加載過程,而是一個(gè)隨著切削時(shí)間推移且按照某種規(guī)律上下波動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程.因此動(dòng)態(tài)性是切削力時(shí)域波形的基本屬性,它能夠反映切削過程的穩(wěn)定程度；車削切向分力Fc和進(jìn)給分力Ff是車削力的主要分量.切削用量三要素中,切削深度ap對(duì)進(jìn)給分力波動(dòng)系數(shù)Qf和切向分力波動(dòng)系數(shù)Qc都有著顯著的影響,兩者隨ap的變化趨勢(shì)是基本一致.在精加工階段,應(yīng)該優(yōu)先降低進(jìn)給分力波動(dòng)系數(shù)Qf.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Experimental study on 0Cr18Ni9 stainless steel turning force

Wang Wenlong,Ma Lijie
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

The cutting force is a concomitant phenomenon in cutting process,directly affects the life of tool, machining quality and efficiency.Based on the analysis of cutting force feature in time domain and by orthogonal turning experiments of 0Cr18Ni9 stainless steel,the influence law of cutting parameters on cutting force fluctuation coefficient was studied.The results showed that：the basic properties of dynamic cutting force is the main component, the tangential force and feed force are the main components of turning force；Of the three elements of cuttingparameters,the cutting depth has significant effects on the feeding component fluctuation coefficient Qfand the tangential component fluctuation coefficients of Qc,both have the basically same tendency with the change of ap.

stainless steel；turning force；time domain features；cutting parameters；fluctuation coefficient

TG501.3

A

：1008-7516（2015）01-0049-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.012

2014-11-11

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（132102210152）

王文龍（1988—）,男,河南延津人,碩士研究生.主要從事先進(jìn)切削理論與技術(shù)研究.

馬利杰（1972—）,男,河南宜陽人,博士,副教授.主要從事先進(jìn)切削理論與技術(shù)、精密加工技術(shù)研究.