旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削Cr12MoV軸向切削力與表面粗糙度研究

安 強，靳伍銀，周志楷

（1.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙410100）

Cr12MoV模具鋼具有硬度高、耐磨性和淬透性好等優(yōu)點，在汽車制造、輪船制造、航空、機電產(chǎn)品制造及家用電器等行業(yè)中占有重要地位[1]，常被用于制造形狀較大、承受較大工作負載的各種工具和模具[2]。然而，由于Cr12MoV模具鋼切削加工困難，特別是在高精密、低粗糙度模具鋼制品的精加工技術(shù)方面一直未有很好地突破，極大影響了模具鋼的推廣應(yīng)用。因此，提高Cr12MoV模具鋼加工質(zhì)量具有十分重要的意義。

超聲振動輔助切削是加工難加工材料的一種有效方法[3-5]。超聲振動輔助加工將超聲振動施加在刀具或工件上，使刀具或工件產(chǎn)生大頻率、小振幅[6]的余弦或正弦振動，進而實現(xiàn)刀具和工件的斷續(xù)接觸。大量的研究表明，超聲振動輔助加工過程中的切削力和切屑厚度有了大幅度的降低[7-8]，同時降低了刀具的磨損[9]、提高了加工表面質(zhì)量[10-11]。旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削時，刀具在X-Z平面做高頻斷續(xù)切削，減小了刀具與試件的實際接觸時間，防止了切削熱的大量產(chǎn)生，降低了切削力，改善了排屑條件，提高了加工質(zhì)量。

本文將旋轉(zhuǎn)超聲振動引入Cr12MoV模具鋼銑削過程中，從軸向平均切削力和表面粗糙度兩方面研究了旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削參數(shù)選擇對Cr12MoV模具鋼加工的影響，并利用實驗室現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助銑削裝置開展了正交切削試驗，從而確定了旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削Cr12MoV模具鋼時切削參數(shù)的最佳范圍。

1 試驗準備

試驗選用的工件材料為Cr12MoV冷作模具鋼，工件通過螺栓連接固定在測力儀上；測力系統(tǒng)設(shè)備為9139AA三向測力儀、5070電荷放大器及設(shè)備附帶的電腦，整個測力系統(tǒng)固定在XKA714立式數(shù)控銑床上；試驗中，超聲發(fā)生裝置是15.6 kHz超聲波銑削系統(tǒng)，主要由超聲波數(shù)字發(fā)生器和超聲振動刀柄組成。

整個旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助銑削試驗平臺見圖1，試驗材料的性能參數(shù)見表1。試驗采用刀具軸向振動方式對Cr12MoV冷作模具鋼進行干式銑削；通過設(shè)置不同的切削參量，記錄研究了參量對銑削力和表面粗糙度的影響；通過專業(yè)軟件對銑削力數(shù)據(jù)進行實時采集和分析。

表1 Cr12MoV模具鋼主要機械性能

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助銑削實驗平臺

旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助銑削Cr12MoV模具鋼是一個多因素耦合的過程，因此影響加工質(zhì)量的因素很多，因素組合也很多。為研究不同因素對切削力和表面粗糙度的影響，本文設(shè)計了四因素五水平的正交試驗方案，其中因素包括主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量、切削深度、切削寬度（表2）。

表2 正交實驗因素水平表

2 試驗結(jié)果分析討論

試驗采用干式切削，超聲振動頻率為固有頻率，即固定值f=15.6 kHz、振幅A=7μm。試驗記錄了切削過程中Z方向的平均切削力和加工后的工件表面粗糙度，數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 正交試驗結(jié)果

2.1 軸向切削力分析

對正交試驗的軸向力數(shù)據(jù)進行極差分析，結(jié)果見表4。其中，Ki（i=1，2，3，4，5）代表各因素水平對應(yīng)的指標(biāo)之和的平均值，R代表各因素不同水平對應(yīng)指標(biāo)之和平均值的極差。將表4所示數(shù)據(jù)生成如圖2所示曲線，可知：

表4 軸向平均切削力極差分析結(jié)果

（1）隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，軸向平均切削力快速增大，在轉(zhuǎn)速為1600 r/min時達到最大值，緊接著軸向平均切削力又降低。這是因為在低速切削時切削區(qū)域的溫度較低，在切削過程中表現(xiàn)出加工硬化的現(xiàn)象，而高速切削提高了切削區(qū)域的溫度，出現(xiàn)了材料軟化的現(xiàn)象，從而抑制加工硬化、降低了切削力[12]。

（2）隨著每齒進給量提高，軸向平均切削力有1～3 N的微小變化，整體保持穩(wěn)定，當(dāng)每齒進給量達到0.08 mm/z時，切削力降至最低，此后切削力增大。

（3）隨著切削深度增加，銑削力呈現(xiàn)出近乎線性增加的趨勢。這是因為在其他條件不變的情況下，隨著切削深度的增加，被切削材料的體積也增大，從而造成切削力隨著切削深度的增大而增大。

（4）隨著切削寬度增加，軸向平均切削力呈現(xiàn)出三段式即“先增再減后增”的變化趨勢，在切削寬度為1.5 mm時，軸向平均切削力達到最大值，然后減小，當(dāng)切削寬度大于2 mm時，切削力增大，但仍低于切削寬度為1.5 mm時的切削力。

另外，分析圖2所示試驗數(shù)據(jù)可知，在切削寬度和每齒進給量的影響下，軸向平均切削力的波動范圍分別為0～4.04 N和0～5.41 N，考慮到超聲振動、機器的自激振動及外加干擾的環(huán)境，就此可認為切削寬度和每齒進給量對軸向平均切削力的影響十分有限。

圖2 因素水平對軸向平均切削力的影響趨勢

綜合以上分析，本文認為在超聲振動頻率f=15.6 kHz、振幅A=7μm的條件下，對軸向平均切削力影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速和切削深度。

2.2 表面粗糙度分析

對表3所示試驗結(jié)果進行極差分析，得到表5所示的不同加工參數(shù)下的表面粗糙度極差分析結(jié)果。本文采用線性回歸分析方法，建立的Cr12MoV冷作模具鋼旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削加工表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸綖椋?/p>

表5 表面粗糙度極差分析結(jié)果

根據(jù)式（1）所示經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭懈髑邢鲄?shù)的指數(shù)絕對值大小，可確定表面粗糙度對各工藝參數(shù)的相對敏感性[3]。本文對各切削工藝參數(shù)指數(shù)絕對值進行歸一化，得到如圖3所示的工藝參數(shù)相對敏感性示意圖，可表明各切削參數(shù)對表面形貌作用的主次順序。由圖3可見，主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響最大，其貢獻率達到40.1%，切削深度的影響貢獻率達到28.6%，而每齒進給量和切削寬度的影響貢獻率相近，分別為18.275%、13.03%。

圖3 加工參數(shù)對表面粗糙度的敏感性

圖3和表5都表明主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對表面粗糙度的影響最大。如圖4所示，本文引入多元函數(shù)偏導(dǎo)數(shù)的定義，探究了表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速和切削深度變化的變化率，以此表征二者之間的響應(yīng)關(guān)系。利用式（2）、式（3）計算表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速和切削深度變化的變化率，其余變量采用表5所示最佳方案中的數(shù)值。

圖4 變量與響應(yīng)關(guān)系圖

從圖4可看出，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速變化的變化率為負值，說明隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，表面粗糙度值逐漸減?。恢鬏S轉(zhuǎn)速在1、2、3水平時的變化率較大，這說明在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，表面粗糙度值下降很快；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到4、5水平時，相關(guān)變化率很小，這說明表面粗糙度值隨著主軸轉(zhuǎn)速增加而降低的效果已十分有限。這是因為在低轉(zhuǎn)速時材料去除準則為周期斷裂，主要產(chǎn)生鋸齒形切屑，降低了表面粗糙度值；而在高轉(zhuǎn)速時，切削溫度增加，材料去除準則由周期斷裂向絕熱剪切轉(zhuǎn)變，切削區(qū)域軟化，出現(xiàn)軟化剪切[12]，此時表面粗糙度相較于低速切削時有一定改善；表面粗糙度隨著切削深度變化的變化率為正值，則說明隨著切削深度增加，表面粗糙度值增大。當(dāng)切削深度達4、5水平時，表面粗糙度的變化率已十分微小。

由圖2和圖4可看出，在要求表面粗糙度值小、軸向平均切削力盡可能小的情況下，可將主軸轉(zhuǎn)速取為2000 r/min。若是繼續(xù)增加主軸轉(zhuǎn)速，不僅對表面粗糙度的改善有限，而且將使單位時間內(nèi)切除材料的體積增加，從而造成切削力增大。表面粗糙度值和軸向平均切削力都會隨著切削深度的增加而增大。綜合圖2、圖4及表4、表5的分析結(jié)果，本文認為在盡可能降低切削力和表面粗糙度值的情況下，選取切削深度為0.6 mm可滿足要求。

3 結(jié)論

本文對Cr12MoV模具鋼進行旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削正交試驗，通過采集的軸向切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)分析了參數(shù)選擇對加工過程的影響，得出如下結(jié)論：

（1）通過試驗數(shù)據(jù)分析，證明主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對軸向平均切削力和表面粗糙度的影響最大。

（2）在表面粗糙度值小、軸向平均切削力小的要求下，可選取主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min、切削深度為0.6 mm，而切削寬度和每齒進給量可適當(dāng)選擇。

（3）運用旋轉(zhuǎn)超聲振動銑削Cr12MoV模具鋼，可獲得較好的加工質(zhì)量。

因此，采用旋轉(zhuǎn)超聲振動輔助銑削方式加工Cr12MoV模具鋼時必須合理地選擇加工參數(shù)，才能在切削過程中實現(xiàn)小的軸向切削力和良好的加工表面質(zhì)量。