基于均勻試驗法的干濕銑削B65A-S材料切削力對比分析

鄧亞弟，稅妍，向志楊，王春江

東方電氣集團東方汽輪機有限公司

1 引言

綠色制造的核心是節(jié)能減排，在機械加工過程中產生的廢棄物主要是切削液和切屑，尤其是切削液的采購、存貯、使用和廢棄處置需要專門的技術和物流系統(tǒng)，費用很高，約占加工成本的10%～15%，并且切削液處理不當會對人類健康以及環(huán)境造成危害。采用干切削加工替代傳統(tǒng)冷卻潤滑加工方式可節(jié)約成本、提高生產效率以及保護員工健康與生態(tài)環(huán)境。

在切削過程中，切削液主要有冷卻和潤滑兩個功能，其中，潤滑主要是改善切削過程中的切削力。針對不同加工工況和被加工材料，切削液的潤滑作用對切削力的改善效果不同[1]。以銑削加工B65A-S材料為研究對象，在不同切削參數(shù)條件下對有無采用切削液的切削力進行測試和分析，所得結論可為類似工況和材料加工提供數(shù)據(jù)參考，以減少切削液使用。

2 試驗原理及方案

2.1 試驗原理

試驗采用均勻設計法，利用均勻設計表得到切削速度、進給量和切削深度的三因素十三水平設計方案，并采用測力計得到不同參數(shù)條件下的切削力，利用回歸分析方法對試驗結果進行擬合，得出在試驗范圍內的經驗模型，對干切削和濕切削下的切削力進行對比分析。

切削力采集系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。采用Kistler公司生產的測力計，該測力計利用壓電傳感器將所受到的力轉化為電信號，經電荷放大器放大后，由調理模塊對采集到的信號進行處理，最后由數(shù)據(jù)采集卡記錄存儲在電腦中。

圖1 切削力采集系統(tǒng)組成

2.2 試驗設備及試驗方法

試驗采用美國哈斯VM-2型立式加工中心，其主電機功率為15kW，最高轉速12000r/min。采用肯納4.3032R320可轉位立銑刀，直徑φ32，刀片型號為APKT263PDTR，材質KC725M。試驗材料為B65A-S。

表1 試驗設計方案及試驗數(shù)據(jù)

均勻設計(Uniform Design)是基于試驗點在整個試驗范圍內從均勻性角度出發(fā)的試驗設計方法，能從全面試驗點中挑選出部分有代表性的試驗點，這些試驗點在試驗范圍內充分均衡分散，能反映體系的主要特征[2]。

采用三因素十三水平的均勻試驗方法。根據(jù)該立銑刀在實際加工中所用切削參數(shù)和現(xiàn)有的試驗條件，選定切削深度ap=0.1～2.02mm，每齒進給量fz=0.09～0.18mm/z，切削速度vc=50～158m/min，切削寬度ae=21mm，選用均勻設計表U13*，均勻設計偏差D=0.1442，所得試驗方案及試驗數(shù)據(jù)見表1。

測定試驗數(shù)據(jù)時所用切削液牌號為E206，濃度為12.8%，環(huán)境溫度為22℃，相對濕度為70%。

3 建立經驗模型

3.1 建立干切削經驗模型

根據(jù)傳統(tǒng)切削理論[3]，切削深度ap、每齒進給量fz、切削速度vc與切削力的關系為

(1)

式中，K為修正系數(shù)。

對式(1)兩邊求對數(shù)，得

lgF=lgK+algap+blgfz+clgvc

(2)

設Y=lgF，B=lgK，X1=lgap，X2= lgfz，X3=lgvc，則式(2)可轉化為

Y=B+aX1+bX2+cX3

(3)

應用全回歸法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合并建立回歸方程，其中顯著性水平α=0.05，得到回歸系數(shù)B=3.11，a=0.835，b=0.592，c=-0.055。

對回歸方程進行顯著性檢驗，其中復相關系數(shù)R=0.992，顯然，0.8

由表可以看出，F(xiàn)=392.369>F(0.05，3，9)=3.863，則拒絕假設H0，即3個自變量的總體回歸效果顯著。

表2 干切削切削力經驗模型方差分析

由上述分析得到以下經驗模型

(4)

3.2 建立濕切削經驗模型

根據(jù)干切削經驗模型建立方法得到濕切削的經驗模型為

(5)

式中，復相關系數(shù)R=0.995。

方差分析見表3。

表3 濕切削切削力經驗模型方差分析

4 分析及討論

由式(4)和式(5)可以看出，在銑削過程中，切削深度ap對切削力的影響最大(偏回歸平方和判斷)，進給量次之，切削速度對切削力的影響最小。用后退法對方程進行分析，剔除該項后得到切削力隨切削深度和進給量的變化曲線(見圖2)。

如圖3所示，取切削速度vc=100m/min，進給量fz=0.10mm/z，得到干切削與濕切削時切削力隨切削深度的變化曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著切削深度的增大，濕切削時的切削力較干切削時稍有減小，且整體隨著切削深度的增大呈上升趨勢。這主要是由于在加工過程中隨著切削深度的增加，單位時間內去除的金屬材料體積增加，切削力增大；并且濕切削時隨著切削深度的增加，切削液的潤滑作用逐漸凸顯，因此切削力較干切削時稍有減小。

圖2 切削力與進給量、切削深度的關系

圖3 切削力隨切削深度變化曲線

如圖4所示，取切削深度ap=1mm，進給量fz=0.1mm/z，得到干切削與濕切削切削力隨切削速度變化的曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增大，干切削時的切削力較濕切削時稍有減小，且整體隨著切削速度的增大呈下降趨勢。這主要是由于在加工過程中隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸上升，材料硬度降低，導致切削力減??；而且由于在干切削時沒有切削液的冷卻作用，切削溫度上升較快，材料軟化趨勢更加明顯，切削力較濕切削時更小。

圖4 切削力隨切削速度變化曲線

如圖5所示，取切削速度vc=100m/min，切削深度ap=1mm，得到干切削與濕切削時切削力隨進給量變化的曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著進給量的增大，濕切削時的切削力與干切削時無明顯差異，且整體都隨著進給量的增大呈上升趨勢。這主要是由于在加工過程中，隨著進給量的增加，單位時間內去除的金屬材料體積增加，切削力增大；而且由于在切削深度較小時切削液的潤滑作用不明顯，導致濕切削時切削力與干切削時的切削力無明顯差異。

圖5 切削力隨切削進給變化曲線

5 結語

利用均勻試驗法得到切削速度、進給量和切削深度的三因素十三水平的均勻設計方案，采用測力計測得不同參數(shù)下的切削力，利用回歸分析法對試驗結果進行擬合，得到試驗范圍內的經驗模型。通過對干切削和濕切削下的切削力進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，切削力隨切削速度的變化最大，隨著切削速度的增加，濕切削時的切削力大于干切削。

在切削加工過程中，切削速度對切削溫度的影響最大。干切削時，隨著切削溫度的升高，材料硬度有所降低，使切削力下降；在濕切削時，切削液的冷卻作用降低了濕切削時的切削溫度，由于材料硬度降幅較小，使得切削力反而大于干切削。對比進給量與切削深度變化時干切削與濕切削的切削力變化可知，切削液的潤滑作用在切削深度增大時更明顯。