2Cr13 不銹鋼車(chē)削參數(shù)優(yōu)化研究

李建濤

（中車(chē)福伊特傳動(dòng)技術(shù)（北京）有限公司,北京 102202）

引言

2Cr13 不銹鋼屬于馬氏體不銹鋼,該類(lèi)鋼材不僅具有優(yōu)良的耐腐蝕性,而且經(jīng)1 000 ℃加熱淬火后具有良好的組織性能和硬度[1-2],在機(jī)械制造領(lǐng)域被廣泛用于生產(chǎn)汽車(chē)傳動(dòng)軸、連接桿等關(guān)鍵零部件。為保證上述關(guān)鍵零部件使用性能,一般對(duì)不同服役環(huán)境的零部件提出不同表面粗粗糙度要求,根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用,一般表面粗糙度需求包括Ra0.2 μm、Ra0.4 μm和Ra0.8 μm 四種,但由于2Cr13 不銹鋼具有硬度高等特點(diǎn),在制造領(lǐng)域中,該材料屬于典型難加工材料,傳統(tǒng)車(chē)削加工參數(shù)一般依靠工人經(jīng)驗(yàn)取值,不僅加工質(zhì)量差,而且由于不同工人經(jīng)驗(yàn)不同,所選取的加工參數(shù)差異較大,難以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)可靠的加工需求,尤其針對(duì)不同表面粗糙度需求的車(chē)削加工,其加工參數(shù)的選擇更是行業(yè)中的難題。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn),關(guān)于以不同表面粗糙度為目標(biāo)的2Cr13 不銹鋼最優(yōu)車(chē)削參數(shù)研究較少,但相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其他難加工材料車(chē)削參數(shù)優(yōu)化做出一定研究成果,具有一定參考意義。

馮華瑤[3]利用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)新型工具,實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金車(chē)削參數(shù)優(yōu)化研究；孫捷夫[4]將主客觀賦權(quán)法和TOPSIS 方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)車(chē)削參數(shù)優(yōu)化；王運(yùn)[5]以試驗(yàn)為手段,基于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析探究三種難加工材料的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)；馬堯[6]利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)最優(yōu)車(chē)削參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。上述研究成果均取得一定效果,但均采用特定的設(shè)備、夾具和刀具,難以直接用于2Cr13 不銹鋼材料的車(chē)削參數(shù)優(yōu)化研究。

本文以2Cr13 不銹鋼為研究對(duì)象,以車(chē)削試驗(yàn)為基礎(chǔ)開(kāi)展?jié)M足不同表面粗糙度需求的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)研究。

1 車(chē)削試驗(yàn)方案

1.1 車(chē)削試驗(yàn)條件

毛坯材料選用2Cr13 不銹鋼棒料,其直徑為40 mm；加工設(shè)備選用CA6140 數(shù)控車(chē)床,冷卻方式為切削液冷卻；刀片選用廈門(mén)金鷺WNMG080408-HK 型號(hào)外圓車(chē)刀刀片,表面粗糙度選用吉泰科技TR200 型號(hào)的便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量。

1.2 車(chē)削試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)機(jī)械加工基礎(chǔ)知識(shí),在車(chē)削加工時(shí)切削速度v、進(jìn)給量f 和背吃刀量ap 三項(xiàng)加工參數(shù)直接影響加工后的表面粗糙度數(shù)值。以刀片廠(chǎng)家推薦的加工參數(shù)選取樣本為基礎(chǔ),同時(shí)考慮加工對(duì)象和車(chē)削試驗(yàn)條件,確定車(chē)削加工試驗(yàn)三項(xiàng)加工參數(shù)的取值范圍：切削速度v 的取值范圍為320～380 m/min、進(jìn)給量f 的取值范圍為0.02～0.06 mm/r、背吃刀量ap 的取值范圍為0.3～0.6 mm。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的選擇上,采用中心復(fù)合試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),相比傳統(tǒng)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案具有更好的非線(xiàn)性,可用較少的試驗(yàn)次數(shù)得出更加全面的試驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果所反映的試驗(yàn)現(xiàn)象更加準(zhǔn)確[7-8]。

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn),每次加工長(zhǎng)度為30 mm,在距離端面距離分別為10 mm 和20 mm距離處的截面上,各在界面圓周上等角度取四點(diǎn)測(cè)量加工后的表面粗糙度,將測(cè)量后的車(chē)削試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果平均值作為該次試驗(yàn)的表面粗糙度,記錄16 次車(chē)削試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣及試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以表1 的加工后表面粗糙度測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用極值法對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表2 所示。

表2 極差法計(jì)算結(jié)果

基于表1 和表2 結(jié)果,繪制各加工參數(shù)在不同取值情況的表面粗糙度變化趨勢(shì)圖,如圖1～圖3 所示。

圖1 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

圖3 背吃刀量對(duì)表面粗糙度的影響

圖1 中隨切削速度的增大,表面粗糙度先減小后增大,該現(xiàn)象是在切削速度較低的情況下,更容易產(chǎn)生積削瘤等問(wèn)題,相應(yīng)影響加工后的表面粗糙度,切削速度越大該現(xiàn)象發(fā)生可能性越小,相應(yīng)表面粗糙度降低,但當(dāng)切削速度提高到一定程度后,加工過(guò)程中由于離心力作用振動(dòng)加大,相應(yīng)增大表面粗糙度。圖2中表面粗糙度隨進(jìn)給量的增大而增大,該現(xiàn)象與目前大多數(shù)研究成果相符。圖3 中表面粗糙度隨背吃刀量增大而減小,該現(xiàn)象由于2Cr13 不銹鋼材料在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生硬化效應(yīng),背吃刀量必須大于一定數(shù)值后才能將硬層切削去除,否則刀具在零件表面冷硬層上摩擦,增大表面粗糙度。

圖2 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

3 車(chē)削參數(shù)優(yōu)化計(jì)算

3.1 結(jié)果分析

響應(yīng)面法是采用多元二次回歸方程擬合各變量和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,并兼顧到各變量之間的相互影響,具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9]。

采用響應(yīng)面法建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型為：

其中：Ra為表面粗糙度；kii、kij、ki為系數(shù),xi、xj為自變量；k0、ε 為常數(shù)項(xiàng)。

基于上述調(diào)整后的參數(shù)變量數(shù)值,基于響應(yīng)面法擬合可得表面粗糙度模型為：

3.2 優(yōu)化計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證

在車(chē)輛制造領(lǐng)域中,不同零件的服役環(huán)境不同,對(duì)零件表面的表面粗糙度要求差異較大,2Cr13 不銹鋼材料零件典型表面粗糙度包括：Ra0.2 μm、Ra0.4 μm 和Ra0.8 μm?；诠剑?）,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件以不同表面粗糙度為目標(biāo),測(cè)算最優(yōu)車(chē)削參數(shù)。在軟件中,將各典型表面粗糙度數(shù)值設(shè)置為目標(biāo)值,優(yōu)化目標(biāo)的允許浮動(dòng)區(qū)間為±0.03 μm,經(jīng)過(guò)計(jì)算,得到Ra0.2 μm、Ra0.4 μm 和Ra0.8 μm 的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 以Ra0.2 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)

圖5 以Ra0.4 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)

圖6 以Ra0.8 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)

圖4～圖6 為通過(guò)軟件計(jì)算得出以不同表面粗糙度為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參數(shù),在實(shí)際工程中,各車(chē)削參數(shù)一般對(duì)取值精度有所要求,其中切削速度和背吃刀量均取三位有效數(shù)字,進(jìn)給量取四位有效數(shù)字。因此可以得出,以表面粗糙度Ra0.2 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削 參 參 數(shù) 為：v=279 m/min、f=0.005 mm/r、ap=0.70 mm；以表面粗糙度Ra0.4 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參參數(shù)為：v=282 m/min、f=0.016 mm/r、ap=0.31 mm；以表面粗糙度Ra0.8 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參參數(shù)為：v=303 m/min、f=0.069 mm/r、ap=0.66 mm。

為驗(yàn)證通過(guò)軟件計(jì)算得出的最優(yōu)車(chē)削參數(shù)的有效性,分別對(duì)三組最優(yōu)車(chē)削參數(shù)進(jìn)行實(shí)際車(chē)削試驗(yàn),經(jīng)實(shí)際測(cè)量,按上述最優(yōu)車(chē)削參數(shù)加工后的表面粗糙度均滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

4 結(jié)論

（1） 以2Cr13 不銹鋼為研究對(duì)象,基于中心復(fù)合法建立試驗(yàn)矩陣,并基于實(shí)際加工結(jié)果進(jìn)行影響規(guī)律分析,結(jié)果表明,按對(duì)表面粗糙度的影響程度由大到小排序依次為進(jìn)給量、背吃刀量、切削速度。

（2） 以實(shí)際車(chē)削試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),利用響應(yīng)面法建立表面粗糙度和車(chē)削參數(shù)的預(yù)測(cè)模型,利用梳理統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算得出,以表面粗糙度Ra0.2 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參參數(shù)為：v=279 m/min、f=0.005 mm/r、ap=0.70 mm；以表面粗糙度Ra0.4 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參參數(shù)為：v=282 m/min、f=0.016 mm/r、ap=0.31 mm；以表面粗糙度Ra0.8 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車(chē)削參參數(shù)為：v=303 m/min、f=0.069 mm/r、ap=0.66 mm。并經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證,車(chē)削結(jié)果均滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。