300M超高強(qiáng)度鋼車削加工試驗(yàn)與工藝參數(shù)優(yōu)化研究

王永鑫， 張昌明,2,3*

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院， 陜西 西安 710048；3.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723000)

300M鋼作為超高強(qiáng)度鋼之一，由于其超高的強(qiáng)度、極強(qiáng)的硬度以及良好的韌性等綜合性能而被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、輪船等領(lǐng)域的關(guān)鍵承載力零部件中[1-3]，然而正因其高強(qiáng)高硬的特性，使切屑不易彎曲折斷，在加工過(guò)程中產(chǎn)生較大切削力和切削熱[4-5]，會(huì)嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量以及刀具的使用性能[6-8]，故屬于航空難加工材料[9]。

車削加工作為航空飛機(jī)起落架制造過(guò)程中不可或缺的加工工藝步驟[10]，司馬中文等[9]通過(guò)對(duì)300M鋼進(jìn)行高速干車削加工，并分析了所選加工參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度與殘余應(yīng)力的影響，以此論述了對(duì)飛機(jī)起落架零部件生產(chǎn)制造的實(shí)際意義；邢萬(wàn)強(qiáng)等[11]對(duì)淬硬后的300M鋼進(jìn)行車削加工，通過(guò)對(duì)測(cè)得三個(gè)方向的殘余應(yīng)力與平面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行綜合分析而得到各參數(shù)對(duì)殘余主應(yīng)力的影響規(guī)律；劉維民等[12]使用Al2O3基陶瓷刀具對(duì)300M鋼進(jìn)行干切削加工試驗(yàn)，通過(guò)微觀分析刀具磨損機(jī)理，得出了前后刀面的磨損情況結(jié)論；Wang Dong等[13]通過(guò)車削300M鋼，對(duì)加工刀具力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化分析，得出的優(yōu)化方法可用于特定加工中刀具新材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。然而，通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)來(lái)改善表面加工質(zhì)量和提高加工效率的研究還未見(jiàn)報(bào)道，因此得到更優(yōu)加工質(zhì)量分析的最優(yōu)加工參數(shù)組合尤為重要。

本文對(duì)300M鋼進(jìn)行車削加工試驗(yàn)，以其加工過(guò)程中所產(chǎn)生的切削力與表面粗糙度作為研究工件加工表面質(zhì)量?jī)?yōu)劣的參評(píng)指標(biāo)，通過(guò)使用多因素水平分析法對(duì)所設(shè)計(jì)的加工參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，綜合分析車削因素對(duì)車削過(guò)程中所產(chǎn)生的切削力與表面粗糙度的影響規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)模型分析并以加工表面質(zhì)量以及加工效率為研究目標(biāo)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)參數(shù)組合為實(shí)際加工提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與刀具選擇

試驗(yàn)采用300M超高強(qiáng)度鋼棒料，直徑尺寸30 mm，長(zhǎng)度尺寸150 mm，其常溫狀態(tài)下化學(xué)成分以及機(jī)械性能分別如表1和表2所示。采用75°硬質(zhì)合金外圓車削刀具進(jìn)行加工試驗(yàn)，其前角為0°，后角為5°，刀尖半徑為0.04 mm。

表1300M鋼化學(xué)成分

元素成分CMnSiCrNiMoVPSFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.450.751.650.781.8250.360.060.0350.04Bal.

表2300M鋼機(jī)械性能

抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σ0.2/MPa斷面收縮率ψ/%伸長(zhǎng)率δ/%彈性模量E/GPa19301620329.2199

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用CS6140車床進(jìn)行加工，并使用9257B三向測(cè)力儀系統(tǒng)(瑞士Kistler公司生產(chǎn)，包含電荷放大器、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及分析軟件的測(cè)力系統(tǒng))對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削力進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和記錄分析，其實(shí)際切削過(guò)程試驗(yàn)如圖1(a)所示；另一方面，在TA620測(cè)量平臺(tái)上使用TR210手持式表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)車削加工后各組加工表面分別進(jìn)行表面粗糙度的測(cè)量，選取取樣長(zhǎng)度為0.25 mm，將測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)際測(cè)量圖如圖1(b)所示。

(a) 實(shí)際車削試驗(yàn) (b) 表面粗糙度測(cè)量圖1 實(shí)際加工與測(cè)量

1.3 試驗(yàn)方法

圖2 切削力分解示意圖

首先分析切削力模型，其分解示意圖如圖2所示。以主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f以及切削深度ap作為本次車削加工試驗(yàn)的主要研究對(duì)象，分別設(shè)置三個(gè)水平(水平選取由實(shí)際車床加工參數(shù)范圍選取)，設(shè)計(jì)得到水平因素表如表3所示，由表設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)，分別得到切削力與表面粗糙度數(shù)值并加以討論分析結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 切削力正交試驗(yàn)結(jié)果

按照表3各水平因素設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案以及各組測(cè)量的三向力結(jié)果如表4所示，其中各方向的力為車削加工過(guò)程中穩(wěn)定區(qū)域的最大值。

表3 水平因素表

表4正交試驗(yàn)結(jié)果

編號(hào)轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)因素A進(jìn)給量f/(mm·r-1)因素B切削深度ap/mm因素C進(jìn)給力Fx/N背向力Fy/N切削力Fz/N16300.10.1408.92217.64272.6626300.150.2797.35393.23564.7836300.20.31 110.15513.21826.0148000.10.2728.02366.32523.3758000.150.31 044.49481.52796.8768000.20.1241.08176.49255.57710000.10.3946.99484.5706.78810000.150.1106.3181.7181.83910000.20.2755.17386.27600.01

2.2 表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

將加工后的工件進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，每組測(cè)量3次，取均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5 表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 切削力數(shù)據(jù)分析

3.1.1 直觀分析

將所測(cè)切削力按照3個(gè)因素的各個(gè)水平取均值并制作圖像以直觀分析各參數(shù)對(duì)切削力影響，如圖3所示。可以得出3個(gè)參數(shù)對(duì)三向切削力的影響變化趨勢(shì)，綜合發(fā)現(xiàn)x方向上的力最大，其次為z方向的力，y方向力最小。下面分別對(duì)各因素進(jìn)行分析。

(1)轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響

轉(zhuǎn)速n逐漸上升的過(guò)程中，由圖3可以看出x方向的切削力下降趨勢(shì)最為顯著，z方向切削力下降趨勢(shì)較為平緩，y方向切削力隨著轉(zhuǎn)速增加先呈下降趨勢(shì)，而后緩慢上升，由此可知3個(gè)方向切削力隨轉(zhuǎn)速上升整體呈下降趨勢(shì)變化，這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，切削溫度隨之上升，摩擦因數(shù)μ減小，從而導(dǎo)致切削力下降。因此在實(shí)際切削加工時(shí)，為減少切削力的產(chǎn)生，應(yīng)選擇較高轉(zhuǎn)速進(jìn)行車削加工，可以在獲得更高加工表面質(zhì)量的同時(shí)提升加工效率。

(2)進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

進(jìn)給量f上升的過(guò)程中，由圖3可以得出3個(gè)方向切削力的變化。當(dāng)進(jìn)給量由0.1 mm/r增加至0.15 mm/r時(shí)，x方向切削力先呈下降趨勢(shì)，而隨著進(jìn)給量繼續(xù)上升至0.2 mm/r時(shí)，F(xiàn)x又呈上升趨勢(shì)；Fz隨著進(jìn)給量增加呈上升趨勢(shì)，且后段趨勢(shì)明顯高于前段；Fy隨著進(jìn)給量上升并無(wú)明顯變化。因此可以得出，車削過(guò)程中的加工參數(shù)之一進(jìn)給量對(duì)產(chǎn)生的切削力有一定影響，然而影響不顯著，隨著進(jìn)給量上升，切削力緩慢上升，這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的上升，使切削面積增大，變形抗力隨之增大，因此導(dǎo)致切削力增大。

(3)切削深度對(duì)切削力的影響

切削深度ap上升過(guò)程中，由圖3顯然看出，3個(gè)方向的切削力均顯著上升，其中x方向切削力上升最為明顯，與進(jìn)給量理論相同，隨著切削深度增加，切削面積增大，從而使切削變形增大，導(dǎo)致變形抗力與摩擦抗力顯著上升，然而，與進(jìn)給量影響程度并不相同，切削深度對(duì)切削力的影響指數(shù)要高于進(jìn)給量，這是因?yàn)檫M(jìn)給量影響切削厚度的變化，而切削厚度增大會(huì)導(dǎo)致平均變形減小，因此切削深度對(duì)產(chǎn)生切削力的影響更為顯著，其變化趨勢(shì)明顯高于另外兩個(gè)因素對(duì)切削力的影響變化。

3.1.2 方差分析

由于直觀分析不能觀察試驗(yàn)中必然誤差的缺陷，為了分析試驗(yàn)精度，減少試驗(yàn)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)一步采用方差分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并計(jì)算方差分析表如表6所示。其中選取顯著性水平α=0.05以及0.01，通過(guò)查詢F檢驗(yàn)臨界值表對(duì)計(jì)算得到的F值進(jìn)行比較分析，如果F值19.000≤F<99.000，則顯著水平為顯著，記為*，如果F≥99.000，則為非常顯著，記為**。

由表6可以得到，對(duì)于3個(gè)方向的切削力，對(duì)其影響最為顯著的加工參數(shù)為切削深度ap，且顯著性程度明顯高于另外兩個(gè)切削參數(shù)。綜合比較直觀分析與方差分析得到相同結(jié)果，因此當(dāng)對(duì)300M鋼進(jìn)行實(shí)際車削加工時(shí)，應(yīng)選取較小的切削深度以減小切削過(guò)程中所產(chǎn)生的切削力，從而減小刀具磨損并提高加工表面質(zhì)量。

針對(duì)表4第8組參數(shù)為加工組合A3B2C1，其切削力相對(duì)其他組合要小，這是因?yàn)槠淝邢魃疃葹樽畹退?，主軸轉(zhuǎn)速為最高水平，由直觀分析得到當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高和切削深度降低時(shí)，所產(chǎn)生的切削力較低，相比之下，由表6中F值分析進(jìn)給量對(duì)切削力的影響較低，因此進(jìn)給量雖不是最低水平，但所產(chǎn)生切削力明顯較小。

表6方差分析表

切削力方差來(lái)源偏差平方和自由度均方差F值P值顯著水平Fxn43 534.187221 767.0943.2320.236f4 887.78422 443.8920.3630.734ap744 229.9082472 114.95470.0980.014?誤差13 470.15326 735.077總計(jì)806 122.0328Fyn1 763.3242881.6629.8640.092f64.630232.3150.3620.734ap139 131.376269 565.688778.3120.001??誤差178.760289.380總計(jì)141 138.098Fzn5 094.26622 547.1331.1630.462f5 854.52322 927.2621.3360.428ap443 478.4472221 739.223101.2190.010??誤差4 381.38322 190.691總計(jì)458 808.6198

3.2 表面粗糙度極差分析

由所測(cè)得表面粗糙度數(shù)據(jù)結(jié)果(表5)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，設(shè)計(jì)極差分析表如表7所示。由表中可以得到3個(gè)因素對(duì)300M車削加工后表面粗糙度測(cè)量值根據(jù)各水平所計(jì)算的極差結(jié)果，由極差結(jié)果得到對(duì)工件表面粗糙度影響的排名次序，即進(jìn)給量f對(duì)表面粗糙度影響變化最為顯著，其次為切削深度ap，而轉(zhuǎn)速n對(duì)工件表面粗糙度影響最小。

表7 極差分析表

4 最小二乘線性回歸分析及優(yōu)化

4.1 線性回歸模型建立

以試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)建立多元線性回歸指數(shù)模型，各參數(shù)與三向力和表面粗糙度結(jié)果取同底對(duì)數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得到指數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中Ra表示表面粗糙度；n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為進(jìn)給量，mm/r；ap為切削深度，mm。

以最大力和表面粗糙度為研究對(duì)象對(duì)各因素進(jìn)行顯著性分析，使用t值分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。針對(duì)x向切削力，轉(zhuǎn)速n對(duì)應(yīng)t1值為-1.778，進(jìn)給量f對(duì)應(yīng)t2值為-0.506，切削深度ap對(duì)應(yīng)t3值為5.526，由此可以得出t值大小排序：t3>t2>t1；針對(duì)表面粗糙度，其中t1值為0.032，t2值為1.266，t3值為0.459。由此可以得出t值大小排序：t2>t3>t1。因此可以得出與切削力方差分析和表面粗糙度極差分析相同的結(jié)果，即切削深度對(duì)切削力影響最顯著，進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度影響最顯著。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

通過(guò)對(duì)最大向力(x向力)以及表面粗糙度回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸榱嗽u(píng)價(jià)參評(píng)指標(biāo)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，使用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案為：通過(guò)對(duì)精車加工時(shí)車削參數(shù)進(jìn)行范圍界定，在保證良好加工表面質(zhì)量的前提下，提高車削加工效率角度進(jìn)行優(yōu)化，其中以最大材料去除率Qz作為加工效率的參評(píng)對(duì)象。則目標(biāo)函數(shù)建立如下：

①x向力優(yōu)化目標(biāo)：

f1=minFx=min(106.902n-1.124f-0.212ap1.453) ;

(2)

②表面粗糙度優(yōu)化目標(biāo)：

f2=minRa=min(100.674n0.016f0.433ap0.098) ;

(3)

③最大材料切除率優(yōu)化目標(biāo)：

f3=maxQz=min(-Qz)=min(-vc·ap·f)=

(4)

4.2.2 約束條件

①主軸轉(zhuǎn)速約束條件應(yīng)滿足：

(5)

②進(jìn)給量約束條件應(yīng)滿足：

(6)

③車削深度約束條件應(yīng)滿足：

(7)

即優(yōu)化模型為：

(8)

4.3 多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化求解結(jié)果

依據(jù)CS6140車床加工參數(shù)以及飛機(jī)起落架實(shí)際加工車削參數(shù)對(duì)約束條件進(jìn)行范圍界定：630 r/min≤n≤1000 r/min；0.1 mm/r≤f≤0.2 mm/r；0.1 mm≤ap≤0.3 mm。使用MATLAB軟件相應(yīng)代碼以約束條件為界限對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到參數(shù)及優(yōu)化結(jié)果如表8所示。由表所示，綜合考慮其表面質(zhì)量以及加工效率，期望值較高的參數(shù)組合為第三組，即最優(yōu)參數(shù)組合為n=813.576 r/min,f=0.128 mm/r,ap=0.1 mm,優(yōu)化結(jié)果為Fx=452.8 N，Ra=1.42 μm，Qz=0.981 cm3/min，其能在保證有較高材料去除率的同時(shí)提高表面質(zhì)量，產(chǎn)生較小切削力。

表8 優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié) 論

通過(guò)以加工表面質(zhì)量作為參評(píng)指標(biāo)對(duì)航空用300M超高強(qiáng)度鋼車削加工進(jìn)行分析與研究，以提高加工表面質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)效率為主要目的，探究切削三要素對(duì)車削加工工藝的影響并進(jìn)行優(yōu)化。得到如下結(jié)論：

(1)影響切削力的最顯著的因素是切削深度，各方向切削力隨著切削深度的升高而顯著上升，因此在今后加工過(guò)程中，應(yīng)盡量選擇切削深度較小的加工參數(shù)進(jìn)行加工以減少切削力的產(chǎn)生，從而減少加工變形，提高加工表面質(zhì)量；

(2)通過(guò)極差分析法和t值分析法分別得出相同結(jié)論，即影響表面粗糙度變化趨勢(shì)的排序?yàn)檫M(jìn)給量f>切削深度ap>轉(zhuǎn)速n；

(3)以切削三要素作為約束界定條件，加工表面質(zhì)量以及材料去除率作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化，最優(yōu)參數(shù)組合為n=813.576 r/min,f=0.128 mm/r,ap=0.1 mm,優(yōu)化結(jié)果為Fx=452.8 N，Ra=1.42 μm，Qz=0.981 cm3/min。