切削參數(shù)對316H 不銹鋼切削力影響的仿真研究

汪林 姜增輝 王書利 張聞捷

（①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；②內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

目前，中國乃至世界不銹鋼的主流產(chǎn)品為奧氏體不銹鋼，其中，304、316 使用最廣泛[1-3]。由于良好的性能，316H 奧氏體不銹鋼被廣泛應用于兵器加工、核電以及石油化工等領(lǐng)域。316H 不銹鋼切削加工效率不高，是難加工技術(shù)的典型材料[4-6]。在其整個切削過程中，切削力對加工質(zhì)量影響很大，因此有很多學者開展了對其切削力的研究。唐兵[7]通過切削加工實驗，優(yōu)化了不銹鋼切削參數(shù)，為不銹鋼切削效率的提高以及實際加工的優(yōu)化提供了參考與指導。蔡權(quán)[8]等人通過車削316L 不銹鋼，得到了切削參數(shù)對刀具磨損的影響。李云光[9-10]以不銹鋼切削的理論與性能為研究方向，對于新型不銹鋼的表面的加工特性給出了特定的分析模型，給出了研究不銹鋼表面加工質(zhì)量影響因素水平的正交試驗設計方法。何耿煌[11]等闡述了國內(nèi)外對于不銹鋼難加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并分析了其可切削特性，得出影響不銹鋼可切削性的關(guān)鍵因素。岳蕓[12]通過切削仿真模擬了切削力在不同參數(shù)下的變化，給出了合理的切削參數(shù)。

通過建立316H 不銹鋼車削加工仿真模型，研究切削用量對切削力的影響規(guī)律和特征，對合理選擇車削316H 不銹鋼的切削參數(shù)具有重要意義。

1 仿真模型

1.1 工件模型

使用DEFORM 仿真車削的對象是直徑650 mm的大直徑回轉(zhuǎn)體，如圖1 所示，為節(jié)省計算量工件的幾何模型簡化設置為回轉(zhuǎn)體表面上直徑650 mm、弧角10°的一段。316H 不銹鋼物理性能見表1。

表1 316H 不銹鋼物理性能

圖1 工件模型

1.2 刀具模型

依據(jù)可樂滿CNMG 16-06-16-MR-2220 刀片建立所用車刀仿真模型。刀片為硬質(zhì)合金刀具如圖2所示。仿真過程中刀具角度設置為：主偏角95°，前角-6.5°，后角6.5°。

圖2 刀片三維模型

2 正交實驗設計

以切削三要素為變量進行正交車削試驗設計，研究各參數(shù)對切削力的影響。根據(jù)所選擇刀片的加工參數(shù)范圍制定切削參數(shù)以及正交仿真實驗方案，因素為3，水平數(shù)為4，如表2 所示。

表2 L16（43）切削力正交仿真實驗方案

3 仿真結(jié)果及分析

仿真得到的316H 不銹鋼正交切削過程。根據(jù)所建立的正交表進行16 組仿真試驗，結(jié)果見表3（其中Fc為主切削力，F(xiàn)p為徑向力）。

表3 L16（43）正交仿真實驗切削力

3.1 極差分析

對模擬試驗得到的切削力值進行了分析,結(jié)果見表4。由表可知，切削用量對切削力的影響有很大不同，其中，最小切削力的切削參數(shù)選擇最優(yōu)方案為：A4B1C1。

表4 切削力仿真結(jié)果極差分析表

切削參數(shù)與切削力之間發(fā)展變化影響規(guī)律的分析結(jié)果如圖3～5 所示。切削速度與主切削力以及徑向力關(guān)系如圖3。在給予的參數(shù)范圍之內(nèi)，當增大切削速度時，切削力將會減小。分析原因為：在切削速度越來越大時，切屑與刀片之間摩擦系數(shù)將會越變越小，切屑變形變小，切削力變小。與此同時，切削加工速度不斷增加也會升高切削區(qū)域的溫度，從而使零件切削區(qū)域的硬度降低，材料切除變得更容易，切削力也會變小。

圖3 切削速度對主切削力和徑向力影響

切削深度與主切削力以及徑向力關(guān)系如圖4。在給予的參數(shù)范圍之內(nèi)，提高切削深度，切削力會有同向變化的趨勢，同樣會增大。分析原因：提高切削深度、切削寬度與切削深度成正比增加，因此切削力隨切削深度增大而增大。

圖4 切削深度對主切削力和徑向力影響

進給量與主切削力以及徑向力關(guān)系如圖5。在給予的參數(shù)范圍之內(nèi)，切削力也會隨著進給量同向改變。當給定的進給量變大時，整個切削過程所需要的能量將會增加，徑向力和主切削力都會增加。

圖5 進給量對主切削力和徑向力的影響

3.2 方差分析

對數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表5。臨界值F0.05(3,6)=4.757，F(xiàn)0.01(3,6)=9.78。

表5 切削力仿真結(jié)果方差分析表

依據(jù)方差分析表分析，我們可以了解到：主切削力的切削深度的F比值為75.22，進給量的F比值為27.32，切削速度的F比值為2.25；徑向力的切削深度的F比值為60.89，進給量的F比值為19.97，切削速度的F比值為6.43。從而得到切削深度對切削力影響最大，進給量次之，切削速度對切削力的影響最小。這與極差分析的結(jié)論是一致的。

3.3 建立回歸方程

對仿真得到切削力值進行多元回歸擬合，建立以切削參數(shù)為自變量回歸方程，有

回歸方程預測值檢驗結(jié)果如表6 所示。當誤差在±5%以內(nèi)時，切削力的預測具有可靠性。

表6 回歸方程預測值檢驗

4 結(jié)語

研究了車削316H 不銹鋼時，不同的切削參數(shù)對切削力影響的問題。通過極差和方差分析，找到在給定范圍內(nèi)的最優(yōu)解，并得出以下結(jié)論：

（1）切削三要素對切削力的影響順序為：切削深度ap＞ 切削進給量fa＞ 切削速度vc。

（2）切削力與切削深度和進給量同向變化；并且切削進給量與切削深度相比較，切削深度產(chǎn)生影響程度要比進給量影響更大。切削力與切削速度反向變化。合理的升高切削速度會使得切削力變低，這對切削效率是有利的。

（3）在仿真實驗中，選定切削316H 時最小主切削力Fc的參數(shù)組合為：切削速度vc=140 m/min，進給量fa=0.05 mm/r，切削深度ap=0.2 mm。切削316H 時最小徑向力Fp的參數(shù)組合為：切削速度vc=160 m/min，進給量fa=0.1 mm/r，切削深度ap=0.2 mm。