高強(qiáng)鋼P(yáng)CrNi3MoVA數(shù)控銑削工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

姜合萍，姜繼春，苗立琴，喬　歡，崔萬瑞

(長春設(shè)備工藝研究所，吉林 長春 130012)

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高強(qiáng)鋼P(yáng)CrNi3MoVA數(shù)控銑削工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

姜合萍，姜繼春，苗立琴，喬歡，崔萬瑞

(長春設(shè)備工藝研究所，吉林 長春 130012)

摘要：針對(duì)PCrNi3MoVA高強(qiáng)鋼數(shù)控加工特點(diǎn)，開展了銑削工藝試驗(yàn)，測(cè)量了不同切削用量條件下切削力的變化，分析了切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律，建立了切削力與切削用量間關(guān)系模型，并對(duì)模型的有效性進(jìn)行了分析驗(yàn)證，可以輔助工藝人員優(yōu)化選擇切削參數(shù)，提高難加工材料數(shù)控加工效率。

關(guān)鍵詞：回歸分析；試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理；切削參數(shù)優(yōu)化

高強(qiáng)鋼P(yáng)CrNi3MoVA是一種典型難加工材料，在裝備制造過程中應(yīng)用較多。PCrNi3MoVA材料屬于中碳鋼，鋼中含有鉻和錳等元素，這些元素提高了鋼的強(qiáng)度和硬度，鋼中含有的硅元素易形成氧化物，切削時(shí)會(huì)加劇刀具的磨損。材料抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到1 350 MPa，材料的這些化學(xué)及物理性質(zhì)使其具有強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性高，熱導(dǎo)率低以及散熱差等特點(diǎn)[1]，使數(shù)控加工過程中刀具磨損快、壽命低。數(shù)控機(jī)床選用的切削參數(shù)普遍較低，機(jī)床效率難以很好發(fā)揮；因此，企業(yè)迫切需要開展高強(qiáng)鋼P(yáng)CrNi3MoVA材料的高效數(shù)控加工技術(shù)研究，優(yōu)化切削參數(shù)，提高產(chǎn)品數(shù)控加工效率。

1數(shù)控銑削工藝試驗(yàn)

在高強(qiáng)鋼P(yáng)CrNi3MoVA材料數(shù)控切削過程中，切削力是衡量材料切削性能的重要指標(biāo)，它直接影響著切削溫度、刀具耐用度和工件表面質(zhì)量等。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)多種銑削工藝試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析，找到高強(qiáng)鋼切削力與切削參數(shù)變化間的規(guī)律，指導(dǎo)操作人員在數(shù)控加工過程中優(yōu)化選擇切削參數(shù)。

1.1試驗(yàn)條件

本項(xiàng)目試驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)控加工設(shè)備、刀具系統(tǒng)及切削力檢測(cè)設(shè)備組成。

1)數(shù)控加工設(shè)備：立式加工中心。

2)銑削刀具：選用雙刃YT硬質(zhì)合金φ16 mm立銑刀。

3)切削力檢測(cè)設(shè)備：采用壓電式動(dòng)態(tài)銑削測(cè)力儀，切削力測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

1.2單因素切削工藝試驗(yàn)

分別做切削速度vc、進(jìn)給量f和背吃刀量ap對(duì)三向切削力(即主切削力Fz、進(jìn)給力Fx和切深抗力Fy)影響的單因素試驗(yàn)，固定3種切削參數(shù)中的2種參數(shù)，改變1種參數(shù)，進(jìn)行材料的銑削加工，通過數(shù)據(jù)分析得到各單因素變化對(duì)切削力的影響規(guī)律。固定進(jìn)給量f、背吃刀量ap，改變切削速度vc，切削力隨切削速度變化曲線如圖2所示。

圖2　三向切削力隨切削速度變化曲線

通過單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，隨著進(jìn)給量f、背吃刀量ap的增加，三向切削力Fx、Fy和Fz也隨之增大；隨著切削速度vc的增加，三向切削力Fx、Fy和Fz有所下降。

1.3三因素三水平正交試驗(yàn)

在單因素工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，開展了切削速度vc、進(jìn)給量f和背吃刀量ap的三因素三水平正交試驗(yàn)，綜合分析三因素變化對(duì)切削力的影響，得到切削力隨切削參數(shù)變化的數(shù)學(xué)模型。三因素三水平正交試驗(yàn)因素水平對(duì)照表見表1。

表1　因素水平對(duì)照表

按照正交試驗(yàn)方法，確定切削參數(shù)組，開展工藝試驗(yàn)。采用銑削測(cè)力儀進(jìn)行切削力的動(dòng)態(tài)測(cè)量，利用切削力采集與數(shù)據(jù)處理GDFMS軟件系統(tǒng)進(jìn)行切削力數(shù)據(jù)處理。銑削過程中連續(xù)采集數(shù)據(jù)，得到的三向切削力Fx、Fy和Fz變化曲線(見圖3)。選取各曲線上切削力最大值作為測(cè)量值，三因素三水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

圖3　三向切削力變化曲線

試驗(yàn)組數(shù)ap/mmf/mm·min-1vc/m·min-1Fx/NFy/NFz/N1116060.29521.9503.3692132080.38676.3633.364.431480100.48752770112.941.516080.38759.6813.395.551.5320100.48896.91008.9112.961.548060.2919831909.8597.872160100.481444.41456.6471.28232060.292856.12984.6964.19248080.382495.12515.6681.5

2基于回歸分析的工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1三向切削力經(jīng)驗(yàn)公式擬合

通過測(cè)力儀測(cè)得數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析，得到主切削力Fz、進(jìn)給力Fx、切深抗力Fy與切削速度vc、背吃刀量ap、進(jìn)給量f之間的關(guān)系，形式如下[2]：

Fi=CFiapxFifyFivczFi

(1)

式中，CFi是由工件材料和切削條件決定的系數(shù)。實(shí)際工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后得到如下經(jīng)驗(yàn)公式。

主切削力：

Fz= 258.24ap3.024 8f0.772 0vc-1.298 3

(2)

切深抗力：

Fy= 393.88ap1.806 1f0.554 4vc-0.621 9

(3)

進(jìn)給力：

Fx= 621.11ap1.731 4f0.564 0vc-0.735 8

(4)

對(duì)上述回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，切削力與工藝參數(shù)的相關(guān)程度用相關(guān)系數(shù)R衡量，式2～式4的相關(guān)系數(shù)R分別為0.943、0.988和0.981，R越接近1，表示相關(guān)程度越高。使用YT的硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行炮鋼銑削工藝試驗(yàn)，隨著進(jìn)給量f、背吃刀量ap的增大，切削力也增大，背吃刀量ap作用效果大于進(jìn)給量f的作用效果，影響因素顯著性排序?yàn)閍p>f>vc。

2.2切削力隨切削參數(shù)變化的仿真分析

根據(jù)式2～式4，分別固定3個(gè)切削參數(shù)中的任何一個(gè)，采用特征曲面與三維等高線圖來表達(dá)其他2個(gè)因素與切削力的關(guān)系[3]。

首先分析主切削力Fz隨切削參數(shù)變化情況。固定vc=120m/min,作主切削力Fz隨進(jìn)給量f、背吃刀量ap變化的特征曲面、三維等高線，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示；固定ap=2.1mm, 作主切削力Fz隨進(jìn)給量f、切削速度vc變化的特征曲面、三維等高線；固定f=200mm/min, 作主切削力Fz隨背吃刀量ap、切削速度vc變化的特征曲面、三維等高線。分析特征曲面、等高線仿真結(jié)果可知，背吃刀量ap和進(jìn)給量f增大，主切削力Fz也隨之增大。切削速度vc增大，主切削力Fz隨之減小。

同理，可針對(duì)式3、式4，在指定切削條件下，分別做特征曲面、三維等高線，分析得到進(jìn)給力Fx、切深抗力Fy隨切削參數(shù)變化的規(guī)律，可以為工藝人員選用切削參數(shù)提供依據(jù)。

圖4　　vc=120 m/min,主切削力Fz隨f、ap　變化的特征曲面

圖5　vc=120 m/min,主切削力Fz隨f、ap　變化的特征三維等高線

3結(jié)語

分析了高強(qiáng)鋼P(yáng)CrNi3MoVA材料切削特點(diǎn)，開展了切削參數(shù)對(duì)切削力影響的銑削工藝試驗(yàn)。應(yīng)用三因素三水平正交試驗(yàn)方法，通過切削力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析，得到了切削參數(shù)對(duì)三向切削力影響關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并得到了影響顯著性大小排序規(guī)律。通過優(yōu)化與控制主要影響因素，優(yōu)化了切削參數(shù)，提高了數(shù)控加工效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭文虎.難加工材料加工技術(shù)[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 吳順興.金屬陶瓷刀具高速銑削超高強(qiáng)度鋼銑削力及刀具磨損研究[D],湖南：湖南科技大學(xué)，2013.

[3] 解麗靜,王強(qiáng).38CrSi切削加工性的試驗(yàn)研究[D]，北京：北京理工大學(xué)，2008.

責(zé)任編輯馬彤

Research on the High-strength PCrNi3MoVASteel Cutting Experimental Data Processing

JIANG Heping, JIANG Jichun, MIAO Liqin, QIAO Huan, CUI Wanrui

(Changchun Equipment and Process Institute, Changchun 130012， China)

Abstract：This paper is aimed at the high-strength PCrNi3MoVASteel cutting characteristic.The cutting experiments are done.Cutting fore is collected in different cutting paramenters. The relations are studied between the cutting fore and cutting paramenters.The relation model is established and the model’s effective is proved.The model is toolled for process worker to select cutting paramenters.The cutting efficiency is improved.

Key words:regressiong analysis, experimental data analyzing， optimize cutting paramenters

收稿日期：2015-08-21

作者簡介：姜合萍(1972-)，女,研究員，主要從事數(shù)字制造技術(shù)、高效數(shù)控加工技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A