馬氏體不銹鋼銑削加工刀具磨損及切削參數(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究

姜 文，張 恒，嚴(yán)由春，王樹林

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

馬氏體不銹鋼是一種可以通過淬火、回火等熱處理方式進(jìn)行組織強(qiáng)化，從而獲得較高的硬度及耐磨性的不銹鋼。這類不銹鋼廣泛應(yīng)用于汽車配件、醫(yī)療器件、泵閥類鑄件等領(lǐng)域[1]。馬氏體不銹鋼具有良好的耐磨性、抗腐蝕性以及良好的綜合力學(xué)性能，但在機(jī)械加工中，它屬于一種難加工材料。它的難加工性主要體現(xiàn)為：高的強(qiáng)度和硬度；高延展性和低導(dǎo)熱率；加工硬化嚴(yán)重；與其他元素親和性強(qiáng)，易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，從而在刀具上形成積屑瘤[2]。因此，在加工馬氏體不銹鋼時(shí)如何延長(zhǎng)刀具的使用壽命、提高生產(chǎn)率成為廠家十分關(guān)注的問題。閆光明等[3]對(duì)不銹鋼加工刀具的磨損進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了切削用量對(duì)刀具耐用度的影響程度；陳龍等[4]通過正交實(shí)驗(yàn)分析了銑削AISI410不銹鋼時(shí)刀具壽命變化規(guī)律，并歸納出刀具壽命模型；CHAKRABORTY等[5]的研究表明在不銹鋼銑削過程中切削速度對(duì)刀具后刀面磨損的影響最大。國(guó)內(nèi)外的大部分研究都是針對(duì)各切削用量對(duì)刀具壽命的影響，很少結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，通過綜合刀具壽命和切削效率、生產(chǎn)成本來分析選取合理的切削參數(shù)。本文立足于生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)銑削馬氏體不銹鋼的刀具磨損問題，通過實(shí)驗(yàn)得出不同切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，并以利潤(rùn)最大化為優(yōu)化目標(biāo)，選取出一組較優(yōu)的切削參數(shù)，對(duì)提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本具有一定的指導(dǎo)意義。

1 切削參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則

在生產(chǎn)中，選用不同的切削參數(shù)會(huì)對(duì)刀具壽命和切削效率產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響生產(chǎn)成本和生產(chǎn)產(chǎn)量。為了使利潤(rùn)最大化，在選取切削參數(shù)的時(shí)候需要考慮材料的去除率Vt和總的去除體積V。材料的去除率Vt反映了單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積，即切削效率；材料的去除體積V反映了刀具在壽命范圍內(nèi)可切除的材料體積，即刀具在壽命內(nèi)可加工的產(chǎn)品數(shù)量。理論上，人們希望得到高的切削效率，同時(shí)保證刀具壽命較長(zhǎng)。但實(shí)際上這兩個(gè)指標(biāo)是相互矛盾的，切削效率高了，刀具壽命會(huì)降低，刀具成本會(huì)上升。為了在優(yōu)化切削參數(shù)時(shí)能夠兼顧到切削效率和切削總量，本文提出了一個(gè)新的切削參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)V0。切削參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)V0的表達(dá)式為：

V0=VtV

(1)

其中：

Vt=vfzapaez

(2)

V=Vtt

(3)

式中：v為切削速度；fz為進(jìn)給量；ap為軸向切深；ae

為徑向切深；z為刀具刃數(shù)；t為刀具壽命。

V0可以綜合反映不同切削參數(shù)對(duì)切削效率及生產(chǎn)成本的影響，V0值越大，表明生產(chǎn)利潤(rùn)越高，切削參數(shù)越優(yōu)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

該實(shí)驗(yàn)采用的材料材質(zhì)為SUS416(國(guó)內(nèi)牌號(hào)為Y1Cr13)，是馬氏體不銹鋼的一種，屬于難加工材料。材料規(guī)格為100mm×60mm×24mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

表1 SUS416的化學(xué)成分 %

表2 SUS416的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)床為FANUC ROBODRILL a-D21立式加工中心(如圖1所示)，刀具采用φ6的4刃硬質(zhì)合金立銑刀，刀具前角為6°，后角為10°,螺旋角為45°,刀具涂層為TiAlN(如圖2所示)。測(cè)量?jī)x器采用大景深顯微鏡，加工方式采用順銑的方式。

圖1 加工中心

圖2 實(shí)驗(yàn)銑刀

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用全因素的設(shè)計(jì)方法，每間隔一段時(shí)間測(cè)量一次刀具后刀面的磨損量。設(shè)定試驗(yàn)中刀具允許的最大后刀面磨損量為0.4mm(保證已加工表面的粗糙度值小于0.8μm),任意一個(gè)刃的后刀面達(dá)到最大磨損量時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄切削時(shí)間。實(shí)驗(yàn)分別采取4個(gè)切削速度(90m/min、120m/min、150m/min、180m/min),2個(gè)進(jìn)給量(0.12mm/r、0.16mm/r),2個(gè)切削深度(0.2mm、0.4mm)和1個(gè)徑向切深(4mm)。全因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)安排及測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及測(cè)量結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1刀具磨損分析

通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了在不同切削速度下的刀具磨損曲線，如圖3所示。

通過觀察分析圖3中的曲線可知，在同一進(jìn)給量和切削深度下，不同切削速度的刀具磨損曲線存在著很大的差異[6]。隨著切削速度的提高，刀具的壽命下降。在速度較低時(shí)(v=90m/min,v=120m/min),刀具磨損曲線存在正常的3個(gè)磨損階段，即初期磨損階段、正常穩(wěn)態(tài)磨損階段和劇烈磨損階段，并在后刀面的磨損量VB=0.25mm左右時(shí)，刀具處于正常穩(wěn)態(tài)磨損階段。在速度較高時(shí)(v=150m/min,v=180m/min)，刀具磨損過程不存在明顯的3個(gè)磨損階段，刀具磨損基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。造成這一現(xiàn)象的原因是隨著切削速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)切削刃參與的切削次數(shù)增加，摩擦與塑性變形功變大，同時(shí)刀具溫度升高，刀具的涂層材料剝落現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致刀具材料與工件材料的粘結(jié)加重，降低了刀具的耐用度，加劇了刀具磨損程度[7]。

圖3 不同切削速度下刀具磨損曲線

在進(jìn)給量和軸向切深較大時(shí)，不同速度下刀具磨損基本呈現(xiàn)線性規(guī)律(如圖3(d)所示)，且刀具壽命有了明顯的降低。原因是隨著進(jìn)給量和軸向切深的增大，材料的去除率變大，切削力變大，摩擦功增大，使刀具表面產(chǎn)生大量的切削熱，再加之馬氏體不銹鋼切屑不易折斷，使得切削過程不穩(wěn)定，從而降低了刀具的耐用程度，造成刀具磨損加劇。

通過分析對(duì)比不同的磨損曲線可以看出，切削速度對(duì)刀具的壽命影響最大。在中低速(v=90m/min,v=120m/min)，切削深度與進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響程度相差不大；在中高速(v=150m/min,v=180m/min)，進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響程度明顯大于切削深度對(duì)刀具壽命的影響程度。因此，在高速加工時(shí)，可以選擇小的進(jìn)給量和較大的切削深度來提高刀具的壽命和生產(chǎn)效率。

2.3.2切削參數(shù)的優(yōu)化選擇

根據(jù)測(cè)量結(jié)果以及前面給出的表達(dá)式，繪制出不同切削參數(shù)下的V0對(duì)比圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同切削參數(shù)的V0對(duì)比圖

從圖4中可以看出，第10組參數(shù)的V0值最大，因此可以認(rèn)為該組對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合是一組較優(yōu)的切削參數(shù)。

3 生產(chǎn)產(chǎn)量及成本對(duì)比

為了更加直觀地反映生產(chǎn)中不同切削參數(shù)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)量及生產(chǎn)成本的影響，現(xiàn)以工廠加工某一產(chǎn)品為例(材質(zhì)為SUS416)，對(duì)16組不同的切削參數(shù)加工該產(chǎn)品進(jìn)行為時(shí)一天的生產(chǎn)產(chǎn)量及生產(chǎn)成本追蹤。生產(chǎn)成本主要包括原材料成本、刀具成本、人工成本以及設(shè)備和能耗成本，本文選用對(duì)生產(chǎn)成本影響較大的刀具成本和人工成本進(jìn)行分析。其中，人工成本與生產(chǎn)產(chǎn)量有關(guān)，產(chǎn)量越高，人工成本越低。單件產(chǎn)品的刀具成本Cx的表達(dá)式為：

(4)

式中：Ct為生產(chǎn)所用刀具總成本；Q為生產(chǎn)產(chǎn)量。

刀具總成本Ct與刀具的壽命即切削時(shí)間t有關(guān)。t越大，刀具壽命越高，刀具的總成本Ct越低。生產(chǎn)產(chǎn)量Q與總的材料去除體積V和材料去除率Vt有關(guān)，理論上應(yīng)該是Vt越大，生產(chǎn)產(chǎn)量越高。但在實(shí)際生產(chǎn)中，還需考慮總的去除體積V。因?yàn)榍邢餍蔞t變大，刀具壽命t會(huì)減小，對(duì)應(yīng)的V可能會(huì)減小，V的減小會(huì)增加對(duì)刀和換刀等輔助時(shí)間，導(dǎo)致生產(chǎn)產(chǎn)量降低。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，繪制出了一天的生產(chǎn)產(chǎn)量對(duì)比統(tǒng)計(jì)圖，如圖5所示。刀具成本、人工成本與總成本的對(duì)比關(guān)系圖，如圖6所示。

圖5 生產(chǎn)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)圖

圖6 生產(chǎn)成本對(duì)比圖

從圖5中可以看出，第8,10,12,14,16組參數(shù)的生產(chǎn)產(chǎn)量處于較高水平。雖然第12、14、16組參數(shù)的切削效率較高，但是它們的刀具壽命較低，生產(chǎn)過程中換刀及對(duì)刀的時(shí)間會(huì)影響產(chǎn)量，因此總的生產(chǎn)產(chǎn)量相差不大。從圖6中可以看出，第10組參數(shù)的生產(chǎn)成本是最低的。原因是該組切削參數(shù)下的刀具壽命較長(zhǎng)，生產(chǎn)產(chǎn)量較高，生產(chǎn)單件產(chǎn)品的刀具成本和人工成本最低，總的生產(chǎn)成本最低。因此，考慮到利潤(rùn)最大化，在生產(chǎn)該產(chǎn)品時(shí)，該組切削參數(shù)是一組較優(yōu)的切削參數(shù)，與上面分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

4 結(jié)束語

本文給出了不同切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)以利潤(rùn)最大化為目標(biāo)提出了一種切削參數(shù)的優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)作用。但在實(shí)際生產(chǎn)中，刀具的材料、幾何參數(shù)以及冷卻條件等因素對(duì)刀具的磨損也有一定的影響。后續(xù)將對(duì)這些因素展開大量的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步完善理論基礎(chǔ)，提出更為優(yōu)化的方法。

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