高速干銑削高強(qiáng)鋼銑削力及表面粗糙度研究*

于英釗，高 軍，鄭光明，楚滿福，李 源，張 旭

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

AISI4340鋼是一種高強(qiáng)度馬氏體鋼，被廣泛應(yīng)用于航空航天制造、汽車(chē)及輪船等關(guān)鍵部件中，如飛機(jī)起落架，軸承、齒輪的制造等[1-2]。但在切削加工過(guò)程中切削力大，刀—屑接觸區(qū)長(zhǎng)度變小容易發(fā)生粘結(jié)，使刀具磨損加快，刀具壽命下降，同時(shí)影響加工表面質(zhì)量，屬于典型的難加工材料[3-4]。

涂層刀具具有高的硬度和耐磨性，抗氧化性好，化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在高強(qiáng)鋼高速切削領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛[5-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)涂層刀具車(chē)銑削加工高強(qiáng)度鋼的切削力及表面粗糙度進(jìn)行了大量的研究。Suresh等[7]選用復(fù)合涂層(TiN/TiCN/Al2O3)刀具車(chē)削AISI4340鋼，得出切削力隨進(jìn)給量和切削深度的增加而增大、隨切削速度的增大而減小的結(jié)論，選用較低的進(jìn)給量和較高的切削速度有利于降低表面粗糙度。鄭光明等[8]通過(guò)高速干車(chē)削300M鋼，得出了加工表面粗糙度隨切削速度、進(jìn)給量和切削深度的增加而增大的結(jié)論。Das等[9]采用硬質(zhì)合金刀片干切削加工AISI4340鋼，探究切削參數(shù)的變化對(duì)切削力的影響及其變化規(guī)律。Sahoo等[10]分別選用無(wú)涂層和復(fù)合多涂層刀具進(jìn)行車(chē)削AISI4340鋼進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究涂層材料的變化對(duì)切削力及表面粗糙度的影響。

目前，較多的研究集中在車(chē)削加工以及低速銑削加工，高速銑削高強(qiáng)度鋼的研究較少，本文采用PVD—TiAlN-TiN硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)難加工材料AISI4340鋼進(jìn)行了高速銑削正交試驗(yàn)，研究切削參數(shù)對(duì)銑削力及加工表面粗糙度的影響程度，為高速銑削AISI4340鋼參數(shù)優(yōu)化及加工效率的提高提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

高速銑削試驗(yàn)在五軸數(shù)控加工中心DMU70 eVolution上進(jìn)行，機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速18000r/min。銑削力的測(cè)量采用KISTLER公司9257B型壓電式三向銑削力測(cè)量系統(tǒng)，選用CS-3200型便攜式表面粗糙度儀測(cè)量加工表面粗糙度值。圖1為高速銑削現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 高速銑削現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2 刀具選擇

試驗(yàn)刀具采用日本京瓷公司生產(chǎn)的可轉(zhuǎn)位立銑刀，刀片基體材料為硬質(zhì)合金，涂層材料為PVD -TiAlN+TiN復(fù)合涂層，牌號(hào)為PR830，型號(hào)為BDMT-11T308ER-JT。刀桿型號(hào)為MEC25-S20-11T(標(biāo)準(zhǔn)型)，直徑D=25mm。

1.3 工件材料

工件材料為AISI4340高強(qiáng)鋼，工件材料表面硬度：(43±1)HRC，采用線切割加工成100mm×100mm×75mm形狀的方塊進(jìn)行干銑削試驗(yàn)。AISI4340鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 AISI4340鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量比：%)

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用順銑、干切削方式，試驗(yàn)過(guò)程中為避免刀片間的相互干涉，只安裝一個(gè)刀片。選用四因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，研究高速銑削過(guò)程中銑削參數(shù)對(duì)銑削力及加工表面粗糙度的影響。試驗(yàn)因素分別取軸向切削深度(ap)、銑削速度(vc)、每齒進(jìn)給量(fz)和徑向切削深度(ae)，每個(gè)因素取4個(gè)水平，分別用1、2、3和4表示。試驗(yàn)因素及水平設(shè)置如表2所示。每次銑削長(zhǎng)度為100mm。記錄測(cè)力儀顯示的銑削力變化和粗糙度儀顯示的粗糙度值。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2所示為刀具在正常磨損階段銑削力動(dòng)態(tài)變化曲線圖，三條曲線由上到下分別表示X方向、Y方向和Z方向(如圖1)的銑削力變化情況。銑削加工中，銑刀刀齒在切入和切出工件時(shí)，引起銑削厚度不斷變化，因此銑削力隨著刀具的切入和切出呈現(xiàn)周期性的變化。從銑削力動(dòng)態(tài)曲線可以看出，一個(gè)周期內(nèi)銑削力波動(dòng)較大，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一性，均選取切削中期的平均值正向銑削力的峰值進(jìn)行記錄。加工表面粗糙度值是在刀具達(dá)到正常磨損階段的測(cè)量結(jié)果。正交試驗(yàn)測(cè)得銑削力值以及加工表面粗糙度值見(jiàn)表3。

(vc =350m/min，fz =0.03mm/z，ap =0.4 mm，ae =1 mm)圖2 銑削力動(dòng)態(tài)變化

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1 切削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

圖3所示為根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用極差法處理數(shù)據(jù)，繪制的切削參數(shù)對(duì)銑削力影響的直觀圖。從圖中可以看出切削參數(shù)對(duì)銑削力影響的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，切削參數(shù)的改變對(duì)Z向切削力的變化很大，因此本試驗(yàn)中Z向切削力為銑削過(guò)程中的主切削力。

(a)軸向切削深度對(duì)切削力的影響

(b) 銑削速度對(duì)切削力的影響

(c) 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

(d) 徑向切削深度對(duì)切削力的影響圖3 切削參數(shù)對(duì)銑削力的影響

(1)ap對(duì)銑削力的影響

隨著ap的增大，F(xiàn)y和Fz呈增大的趨勢(shì)，而Fx基本保持在70 ～ 90N范圍內(nèi)波動(dòng)。ap增大使單位時(shí)間內(nèi)切除材料體積隨之增大，導(dǎo)致工件表層變形增大，產(chǎn)生摩擦阻力增大，從而使銑削力逐漸增大。

(2)vc對(duì)銑削力的影響

隨著vc的提高，F(xiàn)y和Fz呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而Fx基本保持在65 ～87.8N范圍內(nèi)。一方面，vc的提高，使前刀面上的摩擦系數(shù)降低，剪切角隨之增大，則變形系數(shù)減小，銑削力減??；另一方面，vc不斷提高，切削溫度急劇升高，使AISI4340鋼表面發(fā)生熱軟化。同時(shí)從相變上分析，高的切削溫度能夠使馬氏體轉(zhuǎn)變成奧氏體[11]，表面硬度降低，從而使銑削力降低。

(3)fz對(duì)銑削力的影響

fz主要對(duì)Fz影響較大。隨著fz的增大，刀具銑削厚度增大，導(dǎo)致變形抗力增大，使Fz不斷增大，同時(shí)切削功隨之增大，使Fy也相應(yīng)的增大。Fx在64.5～88.5N范圍內(nèi)波動(dòng)。

(4)ae對(duì)銑削力的影響

隨著ae的增大，F(xiàn)y和Fz呈減小的趨勢(shì)。Fx在50～97N范圍。ae增大，AISI4340鋼表面變形系數(shù)減少，摩擦系數(shù)也減少，產(chǎn)生摩擦阻力減小，因此銑削力也隨之減少。

2.2 切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響

圖4所示為根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用極差法處理數(shù)據(jù)，繪制的切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度影響的直觀圖。從圖中可以看出切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度影響的變化趨勢(shì)。

(a)軸向切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

(b) 銑削速度對(duì)表面粗糙度的影響

(c) 每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

(d) 徑向切削深度對(duì)表面粗糙度的影響圖4 切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響

(1)ap對(duì)Ra的影響

Ra隨著ap的變大而近似地成比例增加。這是由于ap不斷增大，單位時(shí)間切去工件體積增大，導(dǎo)致銑削力逐漸升高，使AISI4340鋼加工表面粗糙度增大。

(2)vc對(duì)Ra的影響

隨著vc的提高，主切削力Fz不斷減小，Ra減小。同時(shí)，隨著vc不斷提高，切削溫度急劇升高，使AISI4340鋼表面發(fā)生熱軟化現(xiàn)象，有利于降低加工表面粗糙度。

(3)fz對(duì)Ra的影響

隨著fz的增加，Ra呈上升趨勢(shì)。fz的增加，會(huì)使進(jìn)給方向上表面殘留高度升高，同時(shí)刀刃自身的粗糙度也會(huì)反映到工件表面上去，導(dǎo)致加工表面粗糙度增大。

(4)ae對(duì)Ra的影響

隨著ae的增大，AISI4340鋼受到的銑削力減小，使加工表面粗糙度減小。

2.3 建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)最小二乘法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，并依據(jù)表3中的數(shù)據(jù)利用 MATLAB 軟件建立銑削力及加工表面粗糙度的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

Fx=318.7132ap0.0646vc-0.1154fz0.2430ae-0.1301(N)

(1)

Fy=120.9484ap0.3363vc0.3326fz0.2723ae-0.3269(N)

(2)

Fz= 964050.98ap-0.8853vc-1.0350fz1.0554ae0.0821(N)

(3)

Ra= 0.1747ap0.1245vc0.2884fz0.1262ae-0.0250(μm)

(4)

從主切削力經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，fz和vc對(duì)Fz的影響較大。從加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，fz、vc及ap對(duì)Ra影響較大。

表4 經(jīng)驗(yàn)公式檢驗(yàn)

從表4中檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)看，切削力波動(dòng)大，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，可以接受，所求經(jīng)驗(yàn)公式符合度較高。

綜合分析切削參數(shù)對(duì)銑削力及加工表面粗糙度的影響，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，PVD —TiAlN-TiN涂層刀具高速銑削AISI4340鋼時(shí)，建議切削參數(shù)為：ap= 0.2～0.4mm，fz= 0.03～0.06 mm/z，vc= 350～450 m/min，ae= 3～4mm。

3 結(jié)論

(1)主切削力Fz隨著軸向切削深度和每齒進(jìn)給量的增加而變大，而隨著銑削速度和徑向切削深度的增加而減小。每齒進(jìn)給量和銑削速度對(duì)其影響較大。

(2)工件加工表面粗糙度隨著每齒進(jìn)給量、軸向切削深度的增加而增大，隨銑削速度、徑向切削深度的增加而減小。

(3)PVD —TiAlN-TiN涂層刀具高速銑削AISI4340鋼的適宜切削參數(shù)為：ap= 0.2～0.4mm，fz= 0.03～0.06 mm/z，vc= 350～450 m/min，ae= 3～4mm。