難加工材料的高速銑削表面粗糙度影響因素

　　高速加工技術(shù)研究近十年來在國內(nèi)、國外均取得了較大的發(fā)展。高速銑削技術(shù)與常規(guī)銑削相比，可以通過減少每齒材料切除量而大幅度提高有較高精度要求工件的加工效率，因此在航空、航天、汽車、模具以及國防等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。表面粗糙度是一項(xiàng)衡量加工表面質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，如何獲得較低的表面粗糙度一直是制造業(yè)重點(diǎn)研究的課題。本文借助統(tǒng)計(jì)學(xué)手段，在系統(tǒng)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，通過對難加工材料中的馬氏體不銹鋼的高速銑削試驗(yàn)，考察了切削用量對表面粗糙度的影響規(guī)律，建立了表面粗糙度與切削用量間的多元線性回歸經(jīng)驗(yàn)公式，并使用殘差分析工具驗(yàn)證了該公式的適合性。

　　表1

　　一、試驗(yàn)方法

　　本次研究中所有高速銑削試驗(yàn)均在DMU 70eVolution 5軸加工中心進(jìn)行，工件材料為馬氏體不銹鋼2Cr13 ，尺寸為150mm×35mm×45mm，硬度為30±1HRC。刀盤選用SANDVIC f50mm高效銑刀盤，刀片為R-245涂層硬質(zhì)合金銑刀片，采用立式順銑方式。刀柄選擇SANDVIC f20mm高效立銑刀柄，HSK夾緊方式，刀片為涂層硬質(zhì)合金銑刀片，規(guī)格為R390-11T304M。表面粗糙度指標(biāo)選用Ra值。測量儀器使用時(shí)代TR40接觸式表面粗糙度儀。

　　為研究高速切削過程中切削用量對表面粗糙度的影響規(guī)律，首先選用析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)，安排試驗(yàn)線路，以確定表面粗糙度影響因素中的重要效應(yīng)因素;然后應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案U1553，集中研究高速切削條件下各重要效應(yīng)因素對表面粗糙度的影響規(guī)律。試驗(yàn)過程中，在保證切削過程連續(xù)、前刀面積屑瘤盡可能小的前提下，沿已加工表面的圓周且平行于進(jìn)給速度方向上隨機(jī)選取五個(gè)測量面，采樣長度0.8mm，測量其表面粗糙度Ra值，并取這五個(gè)測量值的算術(shù)平均值作為該表面粗糙度Ra值。為消除試驗(yàn)中隨機(jī)誤差的影響，各試驗(yàn)線路均以隨機(jī)化方式?jīng)Q定試驗(yàn)次序。析因設(shè)計(jì)和均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)參數(shù)分別見表1和表2。

　　二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　對析因試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算后得到的效應(yīng)正態(tài)概率圖見圖1。根據(jù)效應(yīng)正態(tài)概率分布意義，沿直線上的所有效應(yīng)可以被忽略，而對表面粗糙度Ra具有影響高顯著性的效應(yīng)則遠(yuǎn)離此直線。此分析表明，高速銑削條件下對表面粗糙度Ra有統(tǒng)計(jì)顯著性影響的主效應(yīng)為每齒進(jìn)給量fz、銑削深度ap和二者之間的交互作用。其中，每齒進(jìn)給量對R a的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)，即表面粗糙度將會隨著銑削深度和進(jìn)給量的增加而增大;而銑削深度和每齒進(jìn)給量與銑削探度之間的交互作用為負(fù)效應(yīng)。不僅如此，在試驗(yàn)切削用量范圍內(nèi)，切削速度對Ra的影響并不顯著，這明顯不同于常規(guī)材料的隨切削速度增加Ra將逐漸降低的趨勢。

　　值得注意的是，高速切削難加工材料時(shí)，每齒進(jìn)給量fz與銑削深度ap間的交互作用，在相對較高的置信概率內(nèi)對Ra具有顯著性影響。該現(xiàn)象表明，每齒進(jìn)給量或銑削深度對表面粗糙度Ra值的影響規(guī)律與銑削深度或每齒進(jìn)給量的選擇密切相關(guān)。而與之相對的中、低速切削條件下，各切削用量之間的交互作用卻不明顯，或者不存在交互作用。這就意味著在某一特定切削條件下，單純考查每齒進(jìn)給量或銑削深度對表面粗糙度的單因素影響規(guī)律，將不再能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)加工表面的粗糙度數(shù)值。因此，為獲得理想表面粗糙度Ra，在確定每齒進(jìn)給量時(shí)需結(jié)合銑削深度進(jìn)行選擇，反之亦然。

　　切削用量各要素對表面粗糙度Ra的作用分別見圖2a 、2b 、2c。

　　圖2a中，隨銑削速度Vc的增加，表面粗糙度測量值R a并未如預(yù)期的明顯下降，相反保持在一定范圍內(nèi)變化，且略有上升。對此現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)銑削速度增大后，由于切屑變形規(guī)律與流屑方向的變化，表面形成也將更加順暢，這時(shí)工件的表面質(zhì)量將有所提高;但與此同時(shí)，刀具磨損與積屑瘤的生成、脫離頻率也都將隨之加快，這些因素與馬氏體不銹鋼自身不易斷屑的特點(diǎn)相互作用，會在一定程度上減弱、甚至抵消因切削速度提高所引起的表面粗糙度下降趨勢。不僅如此，隨著切削速度的增大，快速增加的切削熱在低導(dǎo)熱性的馬氏體不銹鋼工件加工表面上大量聚集，也會對表面質(zhì)量產(chǎn)生較嚴(yán)重的負(fù)面影響。

　　圖2b表明，隨著銑削深度ap由低水平的1mm提高到2mm，馬氏體不銹鋼工件的表面粗糙度Ra將下降12%。這意味著在1～2mm切削余量范圍內(nèi)，以較大的銑削深度可以獲得較低的表面粗糙度。究其原因，當(dāng)切削層達(dá)到一定深度時(shí)，剪切變形帶將會脫離前一道加工工序在工件表面所形成的塑性變形層與組織變質(zhì)層，在原始基體組織上形成的加工表面質(zhì)量將會提高表面粗糙度的測量值。

　　圖2c為每齒進(jìn)給量fz對表面粗糙度Ra的影響規(guī)律。對比不同切削用量各要素的規(guī)律曲線斜率，不難證明，改變每齒進(jìn)給量fz，Ra測量值的變化最為顯著。

　　公式(1)給出了銑削深度ap 、銑削速度Vc 、每齒進(jìn)給量人與表面粗糙度Ra之間的線性回歸模型，該模型的R2=97.34%。

　　圖3為線性回歸統(tǒng)計(jì)模型的適合性檢驗(yàn)正態(tài)概率圖。在圖3 中未見有殘差異�，F(xiàn)象出現(xiàn)，表明公式(1)在本次試驗(yàn)的切削用量范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)學(xué)可信。

圖3 表面粗糙度Ra回歸數(shù)學(xué)模型的正態(tài)概率圖

圖4 表面粗糙度Ra與每齒進(jìn)給量fz、銑削深度ap之間的特征關(guān)系

　　通過對均勻試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行非線性回歸統(tǒng)計(jì)處理，可以得出表面粗糙度R 。測量值與每齒進(jìn)給量、銑削深度之間的特征曲面及其等值圖，分別見圖4a、4b。

　　對比圖4a中表面粗糙度Ra特征曲面在每齒進(jìn)給量、銑削深度各投影面上投影曲線的斜率大小，不難驗(yàn)證前文所述的每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響大于銑削深度的影響。從圖4b中等值線的疏密程度可以證實(shí)，銑削深度與每齒進(jìn)給量之間的確存在有交互影響作用。

　　通過使用涂層硬質(zhì)合金刀具對馬氏體不銹鋼進(jìn)行的系統(tǒng)試驗(yàn)，并結(jié)合對試驗(yàn)結(jié)果的理論分析，可以試得出以下結(jié)論：

　　1、高速銑削難加工材料中的馬氏體不銹鋼時(shí)，每齒進(jìn)給量、銑削深度和兩者之間的交互作用對表面粗糙度Ra值有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著影響效應(yīng);

　　2、通過統(tǒng)計(jì)回歸建立的表面粗糙度Ra值與切削用量之間的線性回歸模型和非線性回歸模型統(tǒng)計(jì)學(xué)可信;

　　為獲得理想的加工表面質(zhì)量，在確定每齒進(jìn)給量時(shí)，需結(jié)合銑削深度進(jìn)行選擇，反之亦然。