閆存富,劉 超，劉 軍

(1.黃河科技學(xué)院 機械工程學(xué)院,鄭州 455063；2.鄭州科技學(xué)院 機械工程學(xué)院,鄭州 450000)

0 引言

表面粗糙度即加工表面的幾何形狀誤差，是零件已加工表面具有的較小間距和微小峰谷所組成的的微觀幾何特性，是衡量零件表面加工質(zhì)量的重要指標。切削加工是機械制造業(yè)的基礎(chǔ),切削參數(shù)對加工表面粗糙度有很大影響。合理選擇加工參數(shù),對優(yōu)化影響零件表面粗糙度的因素，獲得理想的加工表面粗糙度,提高加工效率、延長刀具壽命具有重要意義[1-3]。

45#調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于制造強度要求較高的零件和受力不很大的機械加工件、鍛件、沖壓件等方面。但目前對切削加工的粗糙度的研究較多集中于鈦合金、鋁合金及氧化鋯陶瓷等材料[4-7]。Chandrakanth Shet 等利用有限元方法對金屬切削過程進行了仿真研究[8]。周家林等通過單因素實驗對45調(diào)質(zhì)鋼切削表面粗糙度進行了研究，分析了切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律[9]。本文以車削45#調(diào)質(zhì)鋼正交試驗為基礎(chǔ)，采用回歸分析法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，建立以表面粗糙度為響應(yīng)的多元回歸數(shù)學(xué)預(yù)測模型，對預(yù)測模型進行顯著性分析和試驗驗證。研究車削45#調(diào)質(zhì)鋼時，主軸轉(zhuǎn)速、進給量和背吃刀量三因素對加工表面粗糙度的影響規(guī)律，為分析預(yù)測45調(diào)質(zhì)鋼切削表面粗糙度提供了新的思路。

1 試驗條件與試驗方法

1.1 試驗條件

車削實驗在CKA6150數(shù)控車床上進行，該機床配備Fanuc 0i Mate-TC系統(tǒng)，由大連機床廠生產(chǎn)。所選刀片型號為WNMG080404-SF，材料為硬質(zhì)合金材料，刀桿型號為DWLNR2525-M08。切削試件材料為45#調(diào)質(zhì)鋼,長度為100mm,直徑為30mm,平均硬度為HRC32～38，切削試件主要化學(xué)成分如表1所示[10]。切削液選用乳化液，型號為“長城M101”號。使用光切顯微鏡(雙管顯微鏡)對加工樣件進行測量。

表1 45#調(diào)質(zhì)鋼主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗方法

表2試驗因素水平

水平切削速度s/(r/min)進給量f/(mm/r)背吃刀量ap/(mm)15000．050．1027100．100．15310000．150．20

2 試驗結(jié)果與分析

表面粗糙度測試結(jié)果見表3。由表3可知，第8組試驗的粗糙度值最小為8.62，因此直觀分析選定試驗最優(yōu)組合為A3B2C1。由于正交試驗只是全面試驗中的三分之一試驗，還需對試驗數(shù)據(jù)進行理論研究分析，來確認試驗最優(yōu)組合是否就是最優(yōu)組合。

為更直觀表達各加工因素對表面粗糙度的影響規(guī)律，以各影響因素水平值為橫坐標，各因素水平值對應(yīng)的表面粗糙度值為縱坐標，繪制各因素與表面粗糙度關(guān)系的坐標圖如圖1～圖3所示。

表3 試驗因素及試驗結(jié)果

由圖1可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，被加工表面粗糙度值逐漸減小。這是因為提高主軸轉(zhuǎn)速，增大了切屑與被加工表面的分離速度，切削區(qū)域內(nèi)局部溫度升高，使切削區(qū)域內(nèi)的材料發(fā)生軟化，摩擦系數(shù)減小，同時刀具對軟化層產(chǎn)生擠壓熨平作用，最終導(dǎo)致被加工表面粗糙度值減小[11-12]。由圖2可知，加工表面粗糙度值隨著進給量的增加而逐漸增大。這是因為進給量增加，會增加單位時間內(nèi)刀具承受的切削負載，使刀具振動加劇；同時大量的切屑從副刀刃方向流出，表面粗糙度值隨之增大。由圖3可知，隨著背吃刀量的增加，被加工表面粗糙度值逐漸增大。這是因為增大背吃刀量，會增加單位時間內(nèi)的切削材料，切削力隨之增大，導(dǎo)致切削過程中的振動，加工表面粗糙度增大。

圖1 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖2 切削進給量對表面粗糙度的影響

圖3 背吃刀量對表面粗糙度的影響

3 表面粗糙度預(yù)測模型

3.1 預(yù)測模型的建立

為得到基于試驗結(jié)果的表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型，采用回歸分析法，建立表面粗糙度的預(yù)測模型。影響加工表面粗糙度的因素很多，根據(jù)金屬切削原理，在機床加工系統(tǒng)、加工材料性能和刀具幾何參數(shù)確定的前提下，切削參數(shù)和表面粗糙度的指數(shù)關(guān)系預(yù)測模型為[13]:

(1)

其中:Ra為加工后的表面粗糙度；c為與加工材料性能、機床特性及刀具結(jié)構(gòu)相關(guān)的待定常數(shù)系數(shù);v為切削速度，f為進給量，ap為背吃刀量；k、m、n分別為與切削用量三要素相關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)表3表面粗糙度的測量結(jié)果，利用最小二乘法進行估計，采用多元線性回歸法進行擬合，求得各回歸系數(shù)，得表面粗糙度和切削用量三要素之間的關(guān)系為：

(2)

3.2 模型的顯著性檢驗

由于我們并不能預(yù)先確定加工表面粗糙度值y與變量x1、x2、x3之間的關(guān)系，上述所建立的表面粗糙度預(yù)測模型只是一種假設(shè)，該模型的可靠度如何還未知。因此為了進一步判斷方程的預(yù)測效果，有必要對該模型進行顯著性檢驗，以判定預(yù)測模型的擬合程度。

為進行顯著性統(tǒng)計檢驗，將總的偏差平方和SST分解為回歸平方和SSH和殘差平方和SSE,計算如下：

(3)

(4)

SSH=SST-SSE

(5)

采用F檢驗法對預(yù)測模型進行顯著性檢驗，統(tǒng)計量F計算如下：

(6)

式中，n為試驗組數(shù),取9；p為影響因素自由度，取 3；

取顯著性水平因子α=0.05，查F分布表得F0.05(3,5)=5.41,將試驗數(shù)據(jù)代入式(3)～式(6)中，計算可得回歸方程對應(yīng)的F值為：F=9.1458 ，大于5.41，所建模型呈顯著狀態(tài)。可以認為回歸模型與試驗數(shù)據(jù)擬合度良好，則建立的表面粗糙度預(yù)測模型有效。

3.3 預(yù)測模型驗證

表4為根據(jù)式(2)計算得到的表面粗糙度預(yù)測值與試驗的表面粗糙度實測值的比較。由表4可知,預(yù)測值與試驗值的平均相對誤差為9.173%。圖4為以試驗序號為橫坐標，表面粗糙度試驗值與預(yù)測值為縱坐標的擬合曲線圖。由圖4可知,預(yù)測值與試驗值擬合精度較高, 可以用于對加工表面粗糙度的預(yù)測，對車削45#調(diào)質(zhì)鋼切削用量的選擇具有一定的參考價值。

表4 預(yù)測值與試驗值比較

圖4 試驗值與預(yù)測值擬合曲線

4 結(jié)束語

(1)采用硬質(zhì)合金刀具在數(shù)控車床上進行45#調(diào)質(zhì)鋼的車削試驗,利用正交試驗法研究切削用量三要素對加工表面粗糙度的影響,結(jié)果表明:切削速度對表面粗糙度的影響最顯著,背吃刀量其次,進給量對表面粗糙度的影響最小。在所選切削用量范圍內(nèi)最優(yōu)的加工參數(shù)組合:切削速度為1000r/min,進給量為0.05r/mm,背吃刀量為0.1mm。

(2) 建立了試驗條件下表面粗糙度的預(yù)測模型，采用F檢驗法對預(yù)測模型進行顯著性檢驗，預(yù)測模型線性回歸方程顯著性良好，表明建立的表面粗糙度預(yù)測模型有效。

(3)將預(yù)測模型的預(yù)測值與試驗實測值進行比較,經(jīng)過計算,平均相對誤差為9.173%,擬合精度較高,能夠?qū)囅?5#調(diào)質(zhì)鋼時，合理選擇切削用量的提供指導(dǎo)，也可為其他材料的切削加工提供一定的理論參考。

[1] 覃孟揚,李冬梅,羅永順,等.基于刀具磨損的車削加工殘余應(yīng)力試驗研究[J].機床與液壓,2014,42(13)：74-77.

[2] Lalwani DI，Mehta NK，Jain K．Experimental investigations of cutting parameters influence on cutting forces and surface muglIhess in finish hard turning of MDN250 steer [J]. Journal of Materials Processing Technology，2008(206)：167-179.

[3] 高世龍,安立寶,李晨輝,等.CBN刀具車削淬硬鋼表面粗糙度的試驗與預(yù)測[J].現(xiàn)代制造工程，2015(10):102-105.

[4] 喬龍陽,劉白.PCD刀具車削鋁合金表面粗糙度研究[J].機械制造與自動化,2016(3):62-65.

[5] 李登萬,陳洪濤,許明恒,等.鈦合金車削加工表面粗糙度試驗研究[J].制造業(yè)自動化,2010,32(5):6-8.

[6] 楊翠蕾,鄭清春,胡亞輝，等.車削鈦合金TC4的表面粗糙度預(yù)測模型構(gòu)建[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2016(6):128-130.

[7] 王宇,吳玉厚,李頌華.車削氧化鋯陶瓷軸端面粗糙度的影響因素分析[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2016(4):37-40.

[8] Chandrakanth Shet, Xiaomin Deng. Finite element analysis of the orthogonal metal cutting process [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 105:95-109.

[9] 周家林，黃樹濤，彭瑞卿，等.45調(diào)質(zhì)鋼切削表面粗糙度的試驗研究[J].工具技術(shù)，2009，43(1)：46-48.

[10] 李春勝,黃德彬.金屬材料手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[11] 王素玉，趙軍，艾興,等．高速切削表面粗糙度理論研究綜述[J]．機械工程師，2004(10): 3-6.

[12] Liu W W，Zhu L J，Shan C W，et al． Effect of cutting parameters on the cutting force in the end milling of GH4169 superalloy[J]．The International conference on E-product E-Service and E-Entertainment,2010 (6):3756-3759.

[13] 袁哲俊.金屬切削試驗技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,1988.