波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀在加工45#鋼時(shí)切削力的建模與對(duì)比分析

鄧亞弟， 稅妍， 向志楊， 王春江

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 引言

波刃立銑刀是在刀具的前刀面或者后刀片磨削出波形刃口的一種粗加工立銑刀， 依據(jù)刃口結(jié)構(gòu)主要為分為前波刃和后波刃， 其中前波刃是在刀具的前刀片磨削出波形刃口， 但制造難度大，應(yīng)用較少； 后波刃是在刀具的后刀片磨削出波形刃口， 具有良好的工藝性， 應(yīng)用較為廣泛。

波刃立銑刀在切削過(guò)程中刃口各位置逐漸切入工件， 且產(chǎn)生的軸向力可以部分抵消， 所以在加工過(guò)程中切削力較小、 切削平穩(wěn)、 減振性能較好、 切削效率及刀具的耐用度較高。

由于波刃立銑刀的切削性能及切削特點(diǎn)， 在汽輪機(jī)零部件的粗加工工序得到廣泛應(yīng)用， 從建立波形刃刀具切削力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿胧郑?對(duì)波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀的切削力進(jìn)行對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原理

整個(gè)試驗(yàn)利用均勻設(shè)計(jì)方法得出切削速度、切削進(jìn)給和切削深度的三因素10 水平的均勻設(shè)計(jì)方案， 然后利用測(cè)力計(jì)得出各參數(shù)下的各切削分力。 對(duì)切削分力計(jì)算合力后利用回歸分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合， 得出在試驗(yàn)范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀在加工45#鋼時(shí)的切削力進(jìn)行分析。

測(cè)力計(jì)利用壓電傳感器將其所受到的力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 再由電荷放大器將電信號(hào)放大， 采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理模塊處理后， 由數(shù)據(jù)采集卡記錄存儲(chǔ)在電腦中， 整個(gè)切削力采集系統(tǒng)的硬件組成如圖1 所示。

圖1 切削力采集系統(tǒng)組成圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為立式加工中心， 機(jī)床主軸功率15 kW， 最大扭矩 102 N·m， 最高轉(zhuǎn)速 12 000 r/min。切削刀具直徑為10 mm 的整體硬質(zhì)合金立銑刀，其中波刃立銑刀型號(hào)為21M4100， 涂層為T9020，為后波刃整體硬質(zhì)合金立銑刀。 標(biāo)準(zhǔn)立銑刀型號(hào)為 10M4100-70， 2 把刀具螺旋角都為 40°， 試驗(yàn)材料為45#鋼。

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用了均勻試驗(yàn)法， 其中影響因素選擇切削速度Vc、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap三因素，依據(jù)試驗(yàn)材料的特性， 切削速度80～120 m/min，每齒進(jìn)給量 0.01～0.04 mm， 切削深度 2～12 mm，切削寬度統(tǒng)一選擇ae=1.5 mm， 選用均勻設(shè)計(jì)表U10*， 均勻設(shè)計(jì)偏差 D 取0.168 1， 得出試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 見(jiàn)表1。

表1 均勻設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

3.1 波刃立銑刀切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

根據(jù)傳統(tǒng)切削理論， 切削深度ap、 切削進(jìn)給fz、 切削速度Vc與切削力F 有如下關(guān)系：

式中， K 為修正系數(shù)。

對(duì)式 （1） 兩邊求對(duì)數(shù)， 得：

設(shè) Y=lgF， B=lgK， X1=lgap， X2=lgfz， X3=lgVc，則式（2）轉(zhuǎn)化為：

應(yīng)用全回歸法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合， 建立回歸方程， 顯著性水平取α=0.05， 得到回歸系數(shù)：B= 2.488， a= 0.873， b= 0.648， c= -0.072。

對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)：

（1）復(fù)相關(guān)系數(shù)

顯然0.8

（2）F 檢驗(yàn)

表2為波刃立銑刀切削力模型的方差分析表。

表2 方差分析表

由表 2 可以看出， F=459.8451＞F（0.05,3,9）=4.757（查表）， 則拒絕假設(shè)H0， 即3 個(gè)自變量的總體回歸效果是顯著的。

由以上分析， 得到如下經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

對(duì)方程各項(xiàng)求偏回歸平方和 U（i）為：

U（3）=5.29e-4

U（2）=0.120

U（1）=0.362

求出各方程項(xiàng)對(duì)回歸的貢獻(xiàn)（按偏回歸平方和降序排列）：

U（1）=0.362， U（1）/U=83.5%

U（2）=0.120， U（2）/U=27.7%

U（3）=5.29e-4， U（3）/U=0.122%

該參數(shù)表征了方程中各變量對(duì)結(jié)果的影響。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

根據(jù)波刃立銑刀切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌姆椒ǖ玫綐?biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

其中復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.995， 方差分析見(jiàn)表3。

表3 方差分析表（標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力模型）

4 分析與討論

由式 （4-5） 可以看出， 在銑削 45# 鋼的過(guò)程中， 切削深度ap對(duì)切削力的影響最大（偏回歸平方和判斷），為83.5%，切削進(jìn)給次之， 為27.7%，切削速度對(duì)切削力的影響較小， 只有0.122%， 采用后退法對(duì)切削速度的影響進(jìn)行剔除， 得到切削力隨切削深度和切削進(jìn)給變化的曲線如圖2 所示。

圖2 切削力與切削深度、 切削進(jìn)給的關(guān)系

取切削速度vc=200 m/min， 切削進(jìn)給 fz=0.04 mm/z， 得到波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力隨切削深度的變化曲線， 如圖3 所示。

圖3 切削力隨切削深度變化曲線

由圖3 可以看出在小切深情況下波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力大小相差較小， 但是當(dāng)切削深度增加時(shí)， 標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力的增長(zhǎng)速度大于波刃立銑刀。

取切削深度ap=10 mm，切削速度vc=200 m/min，得到波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力隨切削進(jìn)給的變化曲線， 如圖4 所示。

圖4 切削力隨切削進(jìn)給的變化曲線

由圖4 可以看出波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀的切削力都隨著切削進(jìn)給的增大而增大， 標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力增加速度高于標(biāo)準(zhǔn)立銑刀。

取切削深度ap=10 mm，切削進(jìn)給fz=0.04 mm/z，得到波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削力隨切削速度的變化曲線， 如圖5 所示。

圖5 切削力隨切削速度的變化曲線

由圖5 可以看出， 隨著切削速度的增大， 切削力呈小幅減小趨勢(shì)， 其中波刃立銑刀減小的幅度較小。

5 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)波刃立銑刀與與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀在銑削45#鋼時(shí)的切削力進(jìn)行了測(cè)量和建模， 由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢钥闯鲈谇邢鲄?shù)中切削深度對(duì)切削力的影響最大， 切削進(jìn)給次之， 切削速度最小。 由波刃立銑刀與標(biāo)準(zhǔn)立銑刀的切削力對(duì)比可以看出波刃立銑刀比標(biāo)準(zhǔn)立銑刀具有更小的切削力， 特別是在大切深情況下。 所以波刃立銑刀應(yīng)采用較大的切深， 可以有效發(fā)揮波刃立銑刀切削力較小的特點(diǎn)。