姜合萍，姜繼春，苗立琴，喬　歡，崔萬瑞

(長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012)

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高強鋼PCrNi3MoVA數(shù)控銑削工藝試驗數(shù)據(jù)處理技術研究

姜合萍，姜繼春，苗立琴，喬歡，崔萬瑞

(長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012)

摘要：針對PCrNi3MoVA高強鋼數(shù)控加工特點，開展了銑削工藝試驗，測量了不同切削用量條件下切削力的變化，分析了切削用量對切削力的影響規(guī)律，建立了切削力與切削用量間關系模型，并對模型的有效性進行了分析驗證，可以輔助工藝人員優(yōu)化選擇切削參數(shù)，提高難加工材料數(shù)控加工效率。

關鍵詞：回歸分析；試驗數(shù)據(jù)處理；切削參數(shù)優(yōu)化

高強鋼PCrNi3MoVA是一種典型難加工材料，在裝備制造過程中應用較多。PCrNi3MoVA材料屬于中碳鋼，鋼中含有鉻和錳等元素，這些元素提高了鋼的強度和硬度，鋼中含有的硅元素易形成氧化物，切削時會加劇刀具的磨損。材料抗拉強度能夠達到1 350 MPa，材料的這些化學及物理性質使其具有強度、硬度高，塑性、韌性高，熱導率低以及散熱差等特點[1]，使數(shù)控加工過程中刀具磨損快、壽命低。數(shù)控機床選用的切削參數(shù)普遍較低，機床效率難以很好發(fā)揮；因此，企業(yè)迫切需要開展高強鋼PCrNi3MoVA材料的高效數(shù)控加工技術研究，優(yōu)化切削參數(shù)，提高產(chǎn)品數(shù)控加工效率。

1數(shù)控銑削工藝試驗

在高強鋼PCrNi3MoVA材料數(shù)控切削過程中，切削力是衡量材料切削性能的重要指標，它直接影響著切削溫度、刀具耐用度和工件表面質量等。本項目設計多種銑削工藝試驗，通過數(shù)據(jù)分析，找到高強鋼切削力與切削參數(shù)變化間的規(guī)律，指導操作人員在數(shù)控加工過程中優(yōu)化選擇切削參數(shù)。

1.1試驗條件

本項目試驗系統(tǒng)由數(shù)控加工設備、刀具系統(tǒng)及切削力檢測設備組成。

1)數(shù)控加工設備：立式加工中心。

2)銑削刀具：選用雙刃YT硬質合金φ16 mm立銑刀。

3)切削力檢測設備：采用壓電式動態(tài)銑削測力儀，切削力測量試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　試驗系統(tǒng)框圖

1.2單因素切削工藝試驗

分別做切削速度vc、進給量f和背吃刀量ap對三向切削力(即主切削力Fz、進給力Fx和切深抗力Fy)影響的單因素試驗，固定3種切削參數(shù)中的2種參數(shù)，改變1種參數(shù)，進行材料的銑削加工，通過數(shù)據(jù)分析得到各單因素變化對切削力的影響規(guī)律。固定進給量f、背吃刀量ap，改變切削速度vc，切削力隨切削速度變化曲線如圖2所示。

圖2　三向切削力隨切削速度變化曲線

通過單因素試驗數(shù)據(jù)分析可知，隨著進給量f、背吃刀量ap的增加，三向切削力Fx、Fy和Fz也隨之增大；隨著切削速度vc的增加，三向切削力Fx、Fy和Fz有所下降。

1.3三因素三水平正交試驗

在單因素工藝試驗數(shù)據(jù)分析基礎上，開展了切削速度vc、進給量f和背吃刀量ap的三因素三水平正交試驗，綜合分析三因素變化對切削力的影響，得到切削力隨切削參數(shù)變化的數(shù)學模型。三因素三水平正交試驗因素水平對照表見表1。

表1　因素水平對照表

按照正交試驗方法，確定切削參數(shù)組，開展工藝試驗。采用銑削測力儀進行切削力的動態(tài)測量，利用切削力采集與數(shù)據(jù)處理GDFMS軟件系統(tǒng)進行切削力數(shù)據(jù)處理。銑削過程中連續(xù)采集數(shù)據(jù)，得到的三向切削力Fx、Fy和Fz變化曲線(見圖3)。選取各曲線上切削力最大值作為測量值，三因素三水平試驗數(shù)據(jù)結果見表2。

圖3　三向切削力變化曲線

試驗組數(shù)ap/mmf/mm·min-1vc/m·min-1Fx/NFy/NFz/N1116060.29521.9503.3692132080.38676.3633.364.431480100.48752770112.941.516080.38759.6813.395.551.5320100.48896.91008.9112.961.548060.2919831909.8597.872160100.481444.41456.6471.28232060.292856.12984.6964.19248080.382495.12515.6681.5

2基于回歸分析的工藝試驗數(shù)據(jù)處理技術

2.1三向切削力經(jīng)驗公式擬合

通過測力儀測得數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析，得到主切削力Fz、進給力Fx、切深抗力Fy與切削速度vc、背吃刀量ap、進給量f之間的關系，形式如下[2]：

Fi=CFiapxFifyFivczFi

(1)

式中，CFi是由工件材料和切削條件決定的系數(shù)。實際工藝試驗數(shù)據(jù)擬合后得到如下經(jīng)驗公式。

主切削力：

Fz= 258.24ap3.024 8f0.772 0vc-1.298 3

(2)

切深抗力：

Fy= 393.88ap1.806 1f0.554 4vc-0.621 9

(3)

進給力：

Fx= 621.11ap1.731 4f0.564 0vc-0.735 8

(4)

對上述回歸方程的顯著性進行檢驗，切削力與工藝參數(shù)的相關程度用相關系數(shù)R衡量，式2～式4的相關系數(shù)R分別為0.943、0.988和0.981，R越接近1，表示相關程度越高。使用YT的硬質合金立銑刀進行炮鋼銑削工藝試驗，隨著進給量f、背吃刀量ap的增大，切削力也增大，背吃刀量ap作用效果大于進給量f的作用效果，影響因素顯著性排序為ap>f>vc。

2.2切削力隨切削參數(shù)變化的仿真分析

根據(jù)式2～式4，分別固定3個切削參數(shù)中的任何一個，采用特征曲面與三維等高線圖來表達其他2個因素與切削力的關系[3]。

首先分析主切削力Fz隨切削參數(shù)變化情況。固定vc=120m/min,作主切削力Fz隨進給量f、背吃刀量ap變化的特征曲面、三維等高線，仿真結果如圖4和圖5所示；固定ap=2.1mm, 作主切削力Fz隨進給量f、切削速度vc變化的特征曲面、三維等高線；固定f=200mm/min, 作主切削力Fz隨背吃刀量ap、切削速度vc變化的特征曲面、三維等高線。分析特征曲面、等高線仿真結果可知，背吃刀量ap和進給量f增大，主切削力Fz也隨之增大。切削速度vc增大，主切削力Fz隨之減小。

同理，可針對式3、式4，在指定切削條件下，分別做特征曲面、三維等高線，分析得到進給力Fx、切深抗力Fy隨切削參數(shù)變化的規(guī)律，可以為工藝人員選用切削參數(shù)提供依據(jù)。

圖4　　vc=120 m/min,主切削力Fz隨f、ap　變化的特征曲面

圖5　vc=120 m/min,主切削力Fz隨f、ap　變化的特征三維等高線

3結語

分析了高強鋼PCrNi3MoVA材料切削特點，開展了切削參數(shù)對切削力影響的銑削工藝試驗。應用三因素三水平正交試驗方法，通過切削力試驗數(shù)據(jù)采集與分析，得到了切削參數(shù)對三向切削力影響關系的數(shù)學模型，并得到了影響顯著性大小排序規(guī)律。通過優(yōu)化與控制主要影響因素，優(yōu)化了切削參數(shù)，提高了數(shù)控加工效率。

參考文獻

[1] 鄭文虎.難加工材料加工技術[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 吳順興.金屬陶瓷刀具高速銑削超高強度鋼銑削力及刀具磨損研究[D],湖南：湖南科技大學，2013.

[3] 解麗靜,王強.38CrSi切削加工性的試驗研究[D]，北京：北京理工大學，2008.

責任編輯馬彤

Research on the High-strength PCrNi3MoVASteel Cutting Experimental Data Processing

JIANG Heping, JIANG Jichun, MIAO Liqin, QIAO Huan, CUI Wanrui

(Changchun Equipment and Process Institute, Changchun 130012， China)

Abstract：This paper is aimed at the high-strength PCrNi3MoVASteel cutting characteristic.The cutting experiments are done.Cutting fore is collected in different cutting paramenters. The relations are studied between the cutting fore and cutting paramenters.The relation model is established and the model’s effective is proved.The model is toolled for process worker to select cutting paramenters.The cutting efficiency is improved.

Key words:regressiong analysis, experimental data analyzing， optimize cutting paramenters

收稿日期：2015-08-21

作者簡介：姜合萍(1972-)，女,研究員，主要從事數(shù)字制造技術、高效數(shù)控加工技術等方面的研究。

中圖分類號：TH 16

文獻標志碼:A