高速車削淬硬軸承鋼切削力試驗(yàn)研究

李素燕， 王冠中， 韓志民

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心， 黑龍江 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 教務(wù)處， 黑龍江 哈爾濱 150022)

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高速車削淬硬軸承鋼切削力試驗(yàn)研究

李素燕1， 王冠中2， 韓志民1

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心， 黑龍江 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 教務(wù)處， 黑龍江 哈爾濱 150022)

采用正交試驗(yàn)，并結(jié)合基于試驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了PCBN刀具高速車削淬硬軸承鋼的切削力及其變化規(guī)律，且對(duì)徑向切削力模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,影響軸向力的主次因素為切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量；影響徑向力、切向力和切削合力的主次因素為背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度；各切削分力隨背吃刀量和進(jìn)給量的增大呈線性增加趨勢(shì)，隨切削速度的增加是先增大而后又減小，徑向力的增大趨勢(shì)遠(yuǎn)大于軸向力和切向力。方差分析結(jié)果顯示，切削力的回歸模型線性關(guān)系高度顯著，利用該模型對(duì)切削力進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)果可靠，并進(jìn)一步驗(yàn)證了背吃刀量是影響徑向切削力的主要因素。

高速車削； 切削力； 軸承鋼； 正交回歸分析； 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

0 引 言

淬硬鋼是典型的耐磨材料，其加工性較差，這類工件經(jīng)淬火或低溫回火后硬度高達(dá)50～65 HRC，廣泛應(yīng)用于制造各種對(duì)硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件，如軸承、齒輪和精密量具等[1]?，F(xiàn)階段，高速硬切削已成為淬硬鋼零件的一種重要加工方法，而切削力作為高速硬切削過程中控制的重要指標(biāo)之一，研究預(yù)測(cè)其變化規(guī)律來優(yōu)化切削工藝，從而有助于減小或消除切削振動(dòng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)淬硬鋼零件的高品質(zhì)加工具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此方面的內(nèi)容開展了諸多研究。于靜[2]等通過正交設(shè)計(jì)對(duì)淬硬模具鋼Cr12MoV(60 HRC)進(jìn)行高速車削試驗(yàn)，分析了切削用量和刀具變量對(duì)切削力的影響規(guī)律，并建立了切削力的經(jīng)驗(yàn)公式；李玉甫[3]等通過切削試驗(yàn)研究了PCBN刀具切削淬硬GCr15鋼時(shí)，切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律，結(jié)果表明，切削力與切削深度和進(jìn)給量在一定范圍內(nèi)呈線性上升的關(guān)系，而與切削速度呈非線性關(guān)系；史振宇[4]等采用多因素正交試驗(yàn)的方法，對(duì)不同硬度的AISI 440C不銹鋼進(jìn)行干硬切削，基于多因素正交回歸分析，建立了AISI 440C不銹鋼的切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)方程進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，分析了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響；Bartarya[5]等采用CBN刀具進(jìn)行AISI 52100鋼的全因素實(shí)驗(yàn)，研究了切削參數(shù)對(duì)刀具切削性能的影響，給出了合理的切削參數(shù)范圍，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了切削力和表面粗糙度回歸模型;Beňo[6]等采用不同刀尖圓弧半徑的CBN刀具切削淬硬鋼，研究了刀尖圓弧半徑對(duì)切削力和表面粗糙度的影響;Struzikiewicz[7]等在車削淬硬鋼時(shí)，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方差分析，得出切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響規(guī)律，建立了切削力和切削溫度的回歸模型，并對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

綜上所述，國(guó)內(nèi)目前針對(duì)車削淬硬軸承鋼切削力的建模與預(yù)測(cè)分析的報(bào)道較少，文中基于切削力的多因素正交試驗(yàn)，通過PCBN刀具高速車削淬硬Gcr15，研究了淬硬Gcr15在高速切削加工中切削力的變化規(guī)律，詳細(xì)分析了切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量對(duì)切削力的影響，建立了切削用量三要素與切削力之間的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的可信度。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

工件材料為GCr15，規(guī)格為φ130 mm×200 mm的圓軸，熱處理后硬度為(60±2)HRC。車削試驗(yàn)在CAK6150數(shù)控車床上進(jìn)行，最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，刀具選用Sandvik 7015 PCBN 刀片，刀桿型號(hào)為DCLNR 2525M12，加工方式為干式切削。切削試驗(yàn)中，切削力的測(cè)量采用由瑞士 Kistler 公司生產(chǎn)的三分量壓電測(cè)力儀(型號(hào)9257B)和電荷放大器(型號(hào)5070A)，車削試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 車削試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方案

切削試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，影響因素為切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量，每個(gè)因素選取四個(gè)水平，選用L16(45)正交表安排試驗(yàn)。結(jié)合實(shí)際切削條件，切削速度的取值范圍為90～210 m/min，進(jìn)給量為0.07～0.22 mm/r，背吃刀量為0.1～0.4 mm，因素水平見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平

切削試驗(yàn)中所確定的各參數(shù)是根據(jù)加工要求，以表面完整性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行選取的。

每組切削參數(shù)下加工長(zhǎng)度為50 mm，待切削進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，測(cè)量切削力Fx(軸向力)、Fy(徑向力)、Fz(切向力)，采樣頻率為300 Hz。文中研究主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)切削階段，也就是刀具尚未發(fā)生明顯磨損時(shí)，切削力隨切削參數(shù)變化的規(guī)律，為了減少刀具磨損產(chǎn)生的誤差，每一組正交試驗(yàn)均采用新的刀具，即完成一組試驗(yàn)更換一個(gè)刀尖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

試驗(yàn)測(cè)得的切削力詳見表2。

其中切削合力F根據(jù)公式計(jì)算所得。

對(duì)切削力進(jìn)行極差分析見表3。

表3 切削力的極差R分析

由表3可知,影響軸向力的主次因素為切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量；影響徑向力、切向力和切削合力的主次因素為背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度。為獲得最小切削合力，在給定切削參數(shù)范圍內(nèi)應(yīng)選擇的最優(yōu)參數(shù)組合是：進(jìn)給量為0.07 mm/r、背吃刀量為0.1 mm、切削速度為210 m/min。該組合并不包含在16次試驗(yàn)中，根據(jù)參數(shù)的最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的切削合力為88.55 N，小于其他16次試驗(yàn)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)優(yōu)先選取進(jìn)給量和背吃刀量，而切削速度可以綜合考慮。

2.2 切削參數(shù)對(duì)切削分力的影響分析

對(duì)表2中的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行同水平求平均值，得到各切削參數(shù)在不同水平值時(shí)對(duì)應(yīng)切削力的大小，如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4中可以看出，切削參數(shù)對(duì)各切削分力的影響趨勢(shì)是相同的，其中徑向力Fy大于切向力Fz和軸向力Fx，這是因?yàn)槲闹胁捎玫氖堑估釶CBN刀具，切削任務(wù)由倒棱承擔(dān)，刀具刃口與工件材料之間的擠壓作用強(qiáng)于剪切作用，徑向力Fy的增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切向力Fz和軸向力Fx。

圖2 切削速度對(duì)切削力的影響

圖3 背吃刀量對(duì)切削力的影響

圖4 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

從圖2中可知，用PCBN刀具切削淬硬軸承鋼時(shí)，在切削速度較小的情況下，各切削分力隨速度的提高稍有增大，在130 m/min左右達(dá)到最大，而后隨切削速度的增加出現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。這是由于淬硬軸承鋼在高速切削加工過程中，隨切削速度的增大，工件表面硬化程度增大，切削力隨之增加；但當(dāng)切削速度增大到一定程度時(shí)，產(chǎn)生的切削熱增多，使切削溫度提高，導(dǎo)致切削變形系數(shù)減小，因而切削力也隨之減小。但這種趨勢(shì)只適用一定的切削速度范圍，肖露[8]研究了當(dāng)切削速度超過一臨界值時(shí)，切削力反而又升高，給出的解釋是：切削速度到達(dá)一定值時(shí)，切削溫度會(huì)提高到接近工件材料的熔點(diǎn)，再增大切削速度時(shí)，切削溫度升高緩慢，因而切削力又隨切削速度的增大而升高。

從圖3可以看出，徑向力Fy、切向力Fz、軸向力Fx與背吃刀量都呈線性關(guān)系，隨著背吃刀量的增加，有明顯的上升，其原因是背吃刀量的增加導(dǎo)致切削面積增大，從而使變形力、摩擦力也增大，各切削力因此而增大。

圖4結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，切削力的各分量都呈線性增長(zhǎng)。進(jìn)給量增大，切削厚度隨之增加，副切削刃參與切削的長(zhǎng)度增加,導(dǎo)致刀具副后刀面抵抗工件彈塑變形的抗力也隨之顯著增大，因此徑向力Fy急劇升高。

3 切削力預(yù)測(cè)模型

切削力主要來源變形和摩擦。切削過程中影響變形和摩擦的因素有切削用量、刀具幾何結(jié)構(gòu)等，為了定量研究切削用量對(duì)切削力的影響，需要建立切削力經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)?shù)毒?、機(jī)床等切削條件一定時(shí)，切削力與切削用量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式模型為：

(1)

式中：Fx、Fy、Fz----分別為x、y、z方向分力；

xF、yF、zF----分別為切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量對(duì)切削力的影響指數(shù)；

CF----影響系數(shù)。

由于這種模型是非線性的，為了便于求解，需先進(jìn)行線性化處理，然后利用多元線性回歸分析方法進(jìn)行擬合，經(jīng)計(jì)算，得一次線性回歸方程為：

(2)

將式(2)轉(zhuǎn)化為指數(shù)形式，可得各切削力的預(yù)測(cè)模型為：

(3)

由于切削力指數(shù)方程只是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M管這種模型有一定的根據(jù)，但必須采用方差分析(F檢驗(yàn))來判定其擬合程度的好壞。方差分析結(jié)果表明：軸向力Fx、徑向力 Fy、切向力 Fz、切削合力F回歸模型的值分別為55.44、51.67、39.16、49.13，若取顯著性水平α為0.05，查F分布表F0.05(3，12)的標(biāo)準(zhǔn)值為3.49，可見各切削力回歸模型的F值都遠(yuǎn)大于3.49，表明各切削力模型都可顯著表達(dá)切削力受切削參數(shù)的影響規(guī)律。

為了便于比較不同切削參數(shù)下切削力的變化規(guī)律，選擇具有代表性的徑向切削力模型進(jìn)行分析，如圖5所示。

(a) ap=0.1 mm

(b) ap=0.2 mm

(c) ap=0.3 mm

(d) ap=0.4 mm

圖5中分別是背吃刀量為0.1、0.2、0.3、0.4mm的切削條件下，徑向切削力Fy與切削速度、進(jìn)給量之間的特征關(guān)系。由圖5分析可得，切削速度對(duì)徑向切削力的影響較小，背吃刀量是影響徑向切削力的主要因素，進(jìn)給量對(duì)其也有一定影響。

不同切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量下徑向切削力預(yù)測(cè)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證分別如圖6～圖8所示。

圖6 不同切削速度下徑向切削力預(yù)測(cè)值的驗(yàn)(ap=0.15 mm, f=0.15 mm/r)

圖7 不同背吃刀量下徑向切削力預(yù)測(cè)值的驗(yàn)證(v=100 m/min, f=0.15 mm/r)

圖8 不同進(jìn)給量下徑向切削力預(yù)測(cè)值的驗(yàn)證(v=100 m/min, ap=0.15 mm)

圖6中，當(dāng)切削速度為100、130、160、190m/min時(shí)，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為3.38%、4.44%、4.70%、6.40%；圖7中，當(dāng)背吃刀量為0.15、0.25、0.35、0.40mm時(shí)，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為4.04%、2.48%、2.98%、3.00%；圖8中，當(dāng)進(jìn)給量為0.1、0.15、0.18、0.22mm/r時(shí)，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為5.55%、4.47%、2.95%、3.73%。由此可見，模型的預(yù)測(cè)誤差較小，能夠正確地指導(dǎo)選用切削用量，以實(shí)現(xiàn)高速車削淬硬軸承鋼切削力的預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)切削參數(shù)的三因素四水平正交試驗(yàn)，對(duì)PCBN刀具干式切削淬硬軸承鋼(GCr15)進(jìn)行了切削力試驗(yàn)研究，基于試驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1)切削參數(shù)對(duì)切削合力的影響主次關(guān)系依次為：切削深度、進(jìn)給量、切削速度；在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，切削深度、進(jìn)給量的增大均會(huì)導(dǎo)致切削力不斷增大，而切削速度從90m/min到130m/min時(shí)，切削力增大，當(dāng)切削速度超過130m/min后，切削力有減小趨勢(shì)。

2)切削力回歸模型的顯著性檢驗(yàn)表明，回歸模型準(zhǔn)確有效，在給定切削參數(shù)范圍內(nèi)，能對(duì)PCBN刀具高速車削淬硬GCr15鋼切削力進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，為實(shí)際應(yīng)用中切削參數(shù)的合理選擇提供了有效參考依據(jù)。

3)徑向切削力模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，切削速度對(duì)徑向切削力的影響較小，背吃刀量是影響徑向切削力的主要因素，進(jìn)給量對(duì)其也有一定影響。徑向力模型的預(yù)測(cè)誤差均小，進(jìn)一步驗(yàn)證了顯著性檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

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Experimental study on cutting force on hardened bearing steel in high-speed turning

LI Suyan1, WANG Guanzhong2, HAN Zhimin1

(1.Center for Engineering Training & Basic Experiment, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Dean’s Office, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

With orthogonal test and empirical model based on experimental results, for PCBN tool, we study the cutting force and its variation curve on hardened bearing steel of high speed turning. The results show that the main factors affecting the axial force are cutting speed, cutting depth and feed rate; the main factors affecting radial, tangential and cutting force are cutting depth, feed rate and cutting speed; cutting forces linearly increase with the rising of cutting depth and feed rate; the cutting speed increase first and then decrease; and the increment of radial force is far greater than that of axial and tangential force. Variance analysis indicates that the cutting force regression model is linear and reliable for the prediction of cutting force. It is verified that the cutting depth is the main factor affecting the radial force.

high-speed turning; cutting force; bearing steel; orthogonal regression analysis; empirical model.

2017-01-12

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541714)

李素燕(1972-)，女，漢族，黑龍江哈爾濱人，黑龍江科技大學(xué)副教授，碩士,主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方向研究,E-mail:451815438@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.04

TH 161.1

A

1674-1374(2017)03-0231-06