基于正交試驗的42CrMo淬火鋼銑削參數(shù)優(yōu)化

李建剛， 舒林森， 周 俊， 白海清， 李文博

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

42CrMo鋼是一種常見的中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，屬于難加工材料，因為具有良好的高溫強(qiáng)度、淬透性和抗蠕變性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)[1-2]。42CrMo淬火鋼的高強(qiáng)度和硬度特性對切削加工工藝提出了較高的要求。針對該類材料的加工性能進(jìn)行研究，優(yōu)化其加工工藝參數(shù)，對提高加工效率和加工表面質(zhì)量、延長工件使用壽命有重大意義。

近年來，學(xué)者們對42CrMo等難加工材料的銑削工藝進(jìn)行了深入研究。景旭文等[3]采用Deform-3D軟件對42CrMo鋼切削加工過程進(jìn)行分析并模擬切屑形成。劉衣昌[4]采用實驗分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對42CrMo高強(qiáng)度鋼高速銑削中的銑削力和銑削溫度進(jìn)行研究。張家雨等[5]提出了基于中心復(fù)合響應(yīng)曲面法的42CrMo銑削試驗,建立了銑削力分量與表面粗糙度的關(guān)系模型。慶振華[6]主要研究了硬態(tài)車削42CrMo時切屑的形成機(jī)理，揭示了其鋸齒形切屑的變形機(jī)理。Henrik等[7]研究了42CrMo車削加工時毛刺的形成機(jī)理。Buchkremer等[8]采用正交試驗分析法，研究了車削42CrMo時殘余應(yīng)力的形成機(jī)理。Fratila[9]通過實驗研究了車削42CrMo合金鋼時的溫度，研究表明最大切削溫度是在刀-屑接觸處，切削深度和進(jìn)給速度對切削溫度的影響最大。YAN Pei等[10]研究了42CrMo干切削過程中不同切削參數(shù)對切削力、表面粗糙度、切屑形態(tài)和刀具磨損的影響，并對切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了切削力和表面粗糙度的經(jīng)驗公式。劉獻(xiàn)禮等[11]提出了基于球頭銑削方式的淬硬鋼最小切削厚度確定的新方法。目前對42CrMo合金鋼的研究多集中于車削加工，并且研究要素為力、溫度、切屑等方面，對42CrMo淬火鋼在銑削加工過程中表面粗糙度的探究較少。由于42CrMo淬火鋼在銑削加工中存在切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、容易“粘刀”等特點，使得其加工表面質(zhì)量差，因此研究42CrMo淬火鋼銑削后的表面質(zhì)量就顯得尤為重要。

本文采用正交試驗法，研究各切削參數(shù)對表面質(zhì)量中表面粗糙度的影響規(guī)律，采用極差分析獲得最優(yōu)因素水平組合，并通過銑削實驗進(jìn)行驗證,為42CrMo等難加工材料表面質(zhì)量控制提供理論依據(jù)。

1 試驗條件及方案

1.1 實驗材料及條件

本試驗選用大河立式加工中心TH5632C作為切削加工的機(jī)床，其性能參數(shù)如表1所示。粗銑刀具選用YONG DA C212，精銑刀具選用SUN 12.0-4T-75L KU12，機(jī)床及銑刀如圖1所示。銑削方式為順銑，加工過程中施加少量冷卻液。被加工對象為超高強(qiáng)度中碳低合金結(jié)構(gòu)淬硬鋼42CrMo，表面硬度為630.85 HV，結(jié)構(gòu)尺寸為150 mm×100 mm×30 mm，如圖2所示。使用基恩士VHX-S750E超景深顯微系統(tǒng)觀察表面形貌，用TR200表面粗糙度測量儀檢測已加工表面的粗糙度。

表1 加工中心性能參數(shù)

圖1 加工中心及刀具 圖2 42CrMo淬硬鋼

1.2 試驗方案設(shè)計

本試驗主要研究銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響。為了盡可能減小一些外部因素的干擾，采用正交試驗選出有代表性的可控因素來進(jìn)行研究。銑削參數(shù)vf、n、ap作為試驗三要素，分別標(biāo)示為A、B、C；每個因子取3個水平①、②、③，從而得到三因素三水平的正交試驗表L9(33)，并將正交表第4列作為空列，表示誤差。為了保證已加工表面粗糙度Ra值測量的準(zhǔn)確性，減少其他因素的干擾和影響，各加工表面均進(jìn)行了粗銑基面、精銑表面兩次加工。正交試驗方案如表2所示。

表2 正交試驗方案

2 試驗驗結(jié)果與分析

2.1 銑削表面粗糙度表征

為了使試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，每組選取三個不同位置對已加工表面進(jìn)行測量并對其求均值。在某些參數(shù)下表面粗糙度出現(xiàn)較大波動時，剔除不良觀測值并進(jìn)行重新觀測，以保證試驗結(jié)果在置信區(qū)間內(nèi)。表3為每組試驗測量三次得到的表面粗糙度值Ra和Rz均值。

表3 粗糙度測量值

2.2 正交試驗結(jié)果分析

應(yīng)用Minitab軟件，采用極差、方差二種分析方法對正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析。首先用極差分析法對表3中的試驗結(jié)果進(jìn)行處理，得到表4和表5的排秩結(jié)果均為A>C>B，據(jù)此可以判斷對表面粗糙度的影響程度從強(qiáng)到弱依次為A、C、B。

表4 Ra均值響應(yīng)表

表5 Rz均值響應(yīng)表

根據(jù)表4、表5作多因素正交試驗的直觀分析如圖3和圖4所示,從圖中可以看出：

圖3 Ra的均值主效應(yīng)圖 圖4 Rz的均值主效應(yīng)圖

(1)進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響。

當(dāng)進(jìn)給速度由200 mm/min提升至300 mm/min的過程中，表面粗糙度急劇增大，當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到 300 mm/min時，Ra增至最大，值為1.204 μm。但是，隨著進(jìn)給速度的不斷提升，Ra不會增加，反而減小。這是因為當(dāng)進(jìn)給速度在200 mm/min范圍內(nèi)增加時，切削力將繼續(xù)增加，導(dǎo)致刀具振動，已加工表面粗糙度較差。當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到400 mm/min時，切屑會散發(fā)大量熱量，溫度降低，故表面粗糙度也開始減小。

(2)背吃刀量對表面粗糙度的影響。

當(dāng)背吃刀量由0.1 mm增加到0.5 mm的過程中，表面粗糙度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當(dāng)背吃刀量在0.3 mm時表面粗糙度最大；當(dāng)背吃刀量為0.5 mm時，表面粗糙度值在所選范圍內(nèi)達(dá)到最小。

(3)銑刀轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響。

在銑刀轉(zhuǎn)速由3000 r/min提升至4000 r/min的進(jìn)程中，Ra緩慢減小，整體呈下降趨勢；而Rz先緩慢增大而后減小，并且其曲線較平緩；當(dāng)銑刀轉(zhuǎn)速為4000 r/min時，表面粗糙度值在所選范圍內(nèi)達(dá)到最小值。

(4)三因素三水平正交試驗的優(yōu)選結(jié)果。

表4、表5的排秩結(jié)果均表明，對表面粗糙度的影響最大的是進(jìn)給速度、隨后是背吃刀量、對表面粗糙度影響最低的是銑刀轉(zhuǎn)速。在本次試驗的目的是獲得較好的表面質(zhì)量，試驗中測得的表面粗糙度的數(shù)值越低越好，所以正交試驗的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C3，即進(jìn)給速度200 mm/min，背吃刀量0.5 mm，銑刀轉(zhuǎn)速4000 r/min。

2.3 正交試驗結(jié)果方差分析

由于極差分析無法精確估計試驗誤差大小、無法精確和定量判斷各種因素對試驗結(jié)果的影響。而且對于所考察因素作用的顯著性也沒有一個標(biāo)準(zhǔn)可以判別。因此進(jìn)一步采用方差分析來彌補(bǔ)極差分析存在的不足。

表6 Ra方差分析的結(jié)果

表7 Rz方差分析的結(jié)果

表6、表7為方差試驗結(jié)果，其中F項根據(jù)F分布表查得，從表6中可以得出：F0.01(2,2)>F0.05(2,2)>F(vf)>F(ap)>F(n)。從表7中可以得出:F0.01(2,2)>F(vf)>F0.05(2,2)>F(ap)>F(n)，則說明進(jìn)給速度對Rz的影響是最顯著的，其余因素影響不顯著；R-Sq表示回歸模型誤差占總誤差的百分比值均在90%以上，與試驗結(jié)果吻合很好。

3 優(yōu)選參數(shù)的試驗驗證

由本試驗得到的最優(yōu)銑削參數(shù)組合進(jìn)行銑削試驗。最優(yōu)銑削參數(shù)組合A1B3C3，即n=4000 mm、vf=200 mm/min、ap=0.5 mm。用TR200表面粗糙度測量儀測得最優(yōu)參數(shù)下加工表面粗糙度Ra為0.271 μm，Rz為1.764 μm。圖5(a)所示為采用基恩士VHX-S750E超景深顯微系統(tǒng)觀察到的最優(yōu)參數(shù)組合銑削后的已加工表面的形貌。該表面形貌的形成是由銑削參數(shù)、機(jī)床加工特性、刀具幾何參數(shù)之間相互作用的結(jié)果。從圖中可以看出工件的表面紋理相同，平行進(jìn)給方向，并且成周期排列。因此，可以通過粗糙度值和形貌特征判斷出在本試驗條件下最優(yōu)參數(shù)加工出的表面質(zhì)量較優(yōu)。圖5(b)所示為采用基恩士VHX-S750E超景深顯微系統(tǒng)觀察到的最優(yōu)參數(shù)組合銑削后的切削形態(tài)。從圖中可以看出切屑成短螺旋狀。圖5(c)所示為放大50倍的切屑形態(tài)，經(jīng)測量其長度主要分布在2547～2700 μm之間，其寬分布在518～542 μm之間。圖5(d)是將圖5(c)中的切屑局部放大200倍的顯微形貌，從圖中可以看出明顯的鋸齒形切屑，經(jīng)測量其鋸齒長度主要在123～134 μm之間，其寬度在11～21 μm之間，沒有大幅度波動，說明切削過程穩(wěn)定。同時由于銑刀轉(zhuǎn)速較高，切削層厚度較小，刀具前角較大和刃口鋒利也是產(chǎn)生此類切屑的原因。

(a) 材料加工后表面質(zhì)量 (b) 切屑

(c) 放大50倍的切屑形態(tài) (d) 切屑局部放大200倍圖5 最優(yōu)參數(shù)銑削后已加工表面及切屑形態(tài)

4 結(jié)論

本文通過正交試驗分析切削用量對42CrMo淬火鋼表面粗糙度的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1)通過方差分析表明，進(jìn)給速度、銑刀轉(zhuǎn)速、背吃刀量對表面粗糙度Ra的顯著性數(shù)值依次為7.91、0.40、2.50；可得出銑削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響順序為：進(jìn)給速度>背吃刀量>銑刀轉(zhuǎn)速；

(2)在本試驗條件下表面粗糙度的最優(yōu)切削參數(shù)水平為A1B3C3，即進(jìn)給速度200 mm/min，背吃刀量0.5 mm，銑刀轉(zhuǎn)速4000 r/min此時測得的表面粗糙度Ra為0.271 μm；

(3)正交試驗法分析得出的表面粗糙度Ra、Rz的回歸模型誤差占總誤差的百分比值均在90%以上，與試驗結(jié)果吻合度很高，為42CrMo淬火鋼銑削表面質(zhì)量的進(jìn)一步優(yōu)化提供了一定依據(jù)。