非對(duì)稱(chēng)刃口形狀因子對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律*

劉 勇，趙雪峰，吳志鵬

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著切削技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，對(duì)刀具的切削性能要求越來(lái)越高，對(duì)刀具宏觀結(jié)構(gòu)及微觀形貌的研究也在不斷深入。刃口鈍化的刀具由于切削刃表面微觀缺陷得到改善使切削刃表面光滑度提高。因此，切削刃后刀面與工件之間的擠壓摩擦情況得到改善從而使加工質(zhì)量提高[1]。

目前關(guān)于刀具刃口鈍化的研究比較少，主要集中在刀具對(duì)稱(chēng)刃口即鈍圓半徑對(duì)切削力、切削溫度、表面質(zhì)量和刀具壽命的影響規(guī)律。刀具鈍化刃口可以是對(duì)稱(chēng)的，也可以是非對(duì)稱(chēng)的，對(duì)稱(chēng)刃口是非對(duì)稱(chēng)刃口的特殊情況[2-3]。刀具鈍化非對(duì)稱(chēng)刃口的表示方法有很多，目前采用比較多的是Berhand提出的形狀因子K[4]，關(guān)于刀具非對(duì)稱(chēng)刃口鈍化的研究更少。Fulemová[5]通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)刀具刃口形狀因子K>1時(shí)能夠有效地延長(zhǎng)刀具使用壽命降低工件表面粗糙度。Tugrul Ozel[6]研究車(chē)削AISIH13時(shí)刀具刃口幾何形狀、進(jìn)給速度和工件硬度對(duì)工件表面粗糙度和切削力的影響，研究發(fā)現(xiàn)正確的選擇刃口幾何形狀與降低工件硬度，可以降低工件表面粗糙度、徑向力以及切向力。雷普軍[7]研究了刀具刃口形狀因子對(duì)涂層刀具切削性能的影響，發(fā)現(xiàn)不同形狀因子車(chē)削45號(hào)鋼時(shí)，當(dāng)形狀因子1

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于刀具非對(duì)稱(chēng)刃口鈍化對(duì)切削性能和表面質(zhì)量的研究比較少。本文通過(guò)正交切削實(shí)驗(yàn)研究了形狀因子、主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、軸向切深和徑向切深對(duì)硬質(zhì)合金刀具銑削45號(hào)鋼時(shí)的工件表面粗糙度的影響規(guī)律，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差分析，并建立了表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)方差分析驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型能夠較好的反應(yīng)出形狀因子和切削參數(shù)與表面粗糙度之間的函數(shù)關(guān)系。

1 刀具鈍化非對(duì)稱(chēng)刃口正交銑削實(shí)驗(yàn)條件

工件表面粗糙度作為表面質(zhì)量的重要內(nèi)容之一，對(duì)工件的磨損、間隙配合、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度和零件密封性等均有影響。因此，研究形狀因子和切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律具有重要的意義。硬質(zhì)合金立銑刀通過(guò)立式旋轉(zhuǎn)鈍化獲得不同的非對(duì)稱(chēng)刃口形狀因子，并對(duì)鈍化后的銑刀做 45號(hào)鋼正交銑削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如下：

(1)實(shí)驗(yàn)機(jī)床。KMC800V三軸銑立式加工中心。加工中心參數(shù)如下：行程范圍X/Y/Z軸(mm)：800/650/450；最大扭矩：62N·m；最大進(jìn)給速度X/Y軸(m/min)：48/60；最高轉(zhuǎn)速：16000rpm；定位精度：8.5μm；

(2)刀具。實(shí)驗(yàn)刀具為ZX040硬質(zhì)合金立銑刀，直徑10mm，前角14°，后角15°，刃寬1.7mm；

(3)形狀因子。刀具非對(duì)稱(chēng)刃口形貌不采用鈍圓半徑，而通常采用B.Denkena等提出的刃口形貌K因子表征方法，大多為瀑布型刃口(k<1)和喇叭型刃口(k>1)，如圖1所示。

圖1 刀具非對(duì)稱(chēng)刃口的K因子表征

(4)鈍化形貌檢測(cè)系統(tǒng)。采用光學(xué)三維刀具測(cè)量?jī)xInfiniteFoocus SL對(duì)鈍化刀具刃口形貌參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；

(5)工件。實(shí)驗(yàn)工件為退火狀態(tài)45號(hào)鋼，尺寸為160mm×100mm×50mm；

(6)表面粗糙度檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)粗糙度測(cè)量?jī)xcalisum cr-4032對(duì)經(jīng)過(guò)銑削加工的工件表面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)。

2 刀具鈍化非對(duì)稱(chēng)刃口對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律研究

2.1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

工件的表面粗糙度受主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給fz、徑向切深ae、軸向切深ap等諸多因素的影響[10]，本文在此基礎(chǔ)上加入影響因素形狀因子k，研究鈍化刀具非對(duì)稱(chēng)刃口形狀因子k對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律。對(duì)根據(jù)機(jī)械加工手冊(cè)，選取各因素的水平值如表1所示。表面粗糙度的正交仿真方案L16(45)及結(jié)果如表2所示。對(duì)表面粗糙度正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表

表2 表面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果

表3 表面粗糙度的極差分析

序號(hào)nr/minfzmm/zapmmaemmkRa均值K12.051.62751.47251.731.6775Ra均值K21.7551.67251.581.82751.7575Ra均值K31.99251.82.031.6671.77Ra均值K41.522.2172.2352.162.12極差0.530.58950.76250.4930.4425

從表3中可以看出，形狀因子和切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響程度從大到小依次為軸向切深、每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、徑向切深以及形狀因子。

由于主軸轉(zhuǎn)速K4

每齒進(jìn)給量K1

軸向切深K1

徑向切深K3

形狀因子K1

其最優(yōu)組合方案應(yīng)為主軸轉(zhuǎn)速為3200 r/min，每齒進(jìn)給量0.08 mm/tooth，軸向切深1.0mm，徑向切深2.4mm，形狀因子0.78。

2.2 形狀因子和切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)

根據(jù)銑削實(shí)驗(yàn)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果作出非對(duì)稱(chēng)刃口形狀因子、主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、軸向切深以及徑向切深對(duì)粗糙度影響的趨勢(shì)圖。

(1)形狀因子對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

形狀因子對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)如圖2所示。由圖可知，粗糙度隨形狀因子的增加而增加。當(dāng)形狀因子從0.78增加到1.02時(shí)，粗糙度從1.6775μm增加到2.12μm，增加了26.3%。

(2)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)如圖3所示。由圖可知，粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后增大最后減小的趨勢(shì)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為3200r/min時(shí)，表面粗糙度最小1.52μm，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，表面粗糙度最大2.05μm。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

(3)每齒進(jìn)給量對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

每齒進(jìn)給量對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)如圖4所示。由圖可知，粗糙度隨著每齒進(jìn)給量的增大逐漸增大。當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.08 mm/tooth增加到0.2mm/z 時(shí)，粗糙度從1.6275μm增加到2.217μm，增加了36.2%。

圖4 每齒進(jìn)給量對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

(4)軸向切深對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

軸向切深對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)如圖5所示。由圖可知，粗糙度隨軸向切深的增加而增加，軸向切深從1mm增加到2.8mm時(shí)，粗糙度從1.4725μm增加到2.235μm，增加了51.7%。

圖5 軸向切深對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

(5)徑向切深對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

軸向切深對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)如圖6所示。由圖可知，粗糙度隨徑向切深的變化趨勢(shì)呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)。當(dāng)徑向切深為2.4mm時(shí)，表面粗糙度最小1.667μm，當(dāng)徑向切深為3.1mm時(shí)，表面粗糙度最大2.16μm。

圖6 徑向切深對(duì)粗糙度的影響趨勢(shì)

2.3 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的建立及分析

根據(jù)銑削仿真結(jié)果，采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS計(jì)算回歸系數(shù)，建立表面粗糙度的指數(shù)預(yù)測(cè)模型如公式(1)所示。

Ra=5.57×n-0.106×fz0.275×ap0.407×ae0.083×k0.714

(1)

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；fz為每齒進(jìn)給量(mm/z)；ap為軸向切深(mm)；ae為徑向切深(mm)；k為形狀因子。為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的顯著性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，表面粗糙度方差分析如表4所示。

表4 表面粗糙度的方差分析

查F分布表，α=0.05時(shí)，F(xiàn)=(5,10)=2.3，F(xiàn)比>2.3，故可知切削45號(hào)鋼時(shí)表面粗糙度預(yù)測(cè)模型是顯著的，預(yù)測(cè)模型能夠較好地反映出形狀因子和切削參數(shù)與表面粗糙度之間的函數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論

采用正交切削試驗(yàn)研究硬質(zhì)合金刀具切削45號(hào)鋼過(guò)程中形狀因子和切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)形狀因子和切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響程度最大的是軸向切深，其次是每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和徑向切深，影響最小的是非對(duì)稱(chēng)刃口形狀因子。

(2)隨著形狀因子、每齒進(jìn)給量和軸向切深的增大，表面粗糙度逐漸增大。主軸轉(zhuǎn)速和徑向切深與表面粗糙度呈非線性關(guān)系。獲得良好的表面加工質(zhì)量，在銑削過(guò)程中應(yīng)采用小進(jìn)給、小軸向切深和小非對(duì)稱(chēng)刃口形狀因子。為能夠最大程度降低工件表面粗糙度，其方案應(yīng)為主軸轉(zhuǎn)速3200r/min，每齒進(jìn)給量0.08mm/tooth，軸向切深1mm，徑向切深2.4mm，形狀因子0.78。

(3)通過(guò)方差分析，證實(shí)了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型能夠較好的反映出形狀因子、切削參數(shù)與表面粗糙度之間的函數(shù)關(guān)系。該模型可用于實(shí)際加工中確定獲得較好加工質(zhì)量的銑削參數(shù)設(shè)定，減少了預(yù)切實(shí)驗(yàn)，增加了生產(chǎn)效率。