安 強(qiáng)，靳伍銀，周志楷

（1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

Cr12MoV模具鋼具有硬度高、耐磨性和淬透性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造、輪船制造、航空、機(jī)電產(chǎn)品制造及家用電器等行業(yè)中占有重要地位[1]，常被用于制造形狀較大、承受較大工作負(fù)載的各種工具和模具[2]。然而，由于Cr12MoV模具鋼切削加工困難，特別是在高精密、低粗糙度模具鋼制品的精加工技術(shù)方面一直未有很好地突破，極大影響了模具鋼的推廣應(yīng)用。因此，提高Cr12MoV模具鋼加工質(zhì)量具有十分重要的意義。

超聲振動(dòng)輔助切削是加工難加工材料的一種有效方法[3-5]。超聲振動(dòng)輔助加工將超聲振動(dòng)施加在刀具或工件上，使刀具或工件產(chǎn)生大頻率、小振幅[6]的余弦或正弦振動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀具和工件的斷續(xù)接觸。大量的研究表明，超聲振動(dòng)輔助加工過(guò)程中的切削力和切屑厚度有了大幅度的降低[7-8]，同時(shí)降低了刀具的磨損[9]、提高了加工表面質(zhì)量[10-11]。旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削時(shí)，刀具在X-Z平面做高頻斷續(xù)切削，減小了刀具與試件的實(shí)際接觸時(shí)間，防止了切削熱的大量產(chǎn)生，降低了切削力，改善了排屑條件，提高了加工質(zhì)量。

本文將旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)引入Cr12MoV模具鋼銑削過(guò)程中，從軸向平均切削力和表面粗糙度兩方面研究了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削參數(shù)選擇對(duì)Cr12MoV模具鋼加工的影響，并利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削裝置開(kāi)展了正交切削試驗(yàn)，從而確定了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削Cr12MoV模具鋼時(shí)切削參數(shù)的最佳范圍。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用的工件材料為Cr12MoV冷作模具鋼，工件通過(guò)螺栓連接固定在測(cè)力儀上；測(cè)力系統(tǒng)設(shè)備為9139AA三向測(cè)力儀、5070電荷放大器及設(shè)備附帶的電腦，整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)固定在XKA714立式數(shù)控銑床上；試驗(yàn)中，超聲發(fā)生裝置是15.6 kHz超聲波銑削系統(tǒng)，主要由超聲波數(shù)字發(fā)生器和超聲振動(dòng)刀柄組成。

整個(gè)旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖1，試驗(yàn)材料的性能參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用刀具軸向振動(dòng)方式對(duì)Cr12MoV冷作模具鋼進(jìn)行干式銑削；通過(guò)設(shè)置不同的切削參量，記錄研究了參量對(duì)銑削力和表面粗糙度的影響；通過(guò)專業(yè)軟件對(duì)銑削力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。

表1 Cr12MoV模具鋼主要機(jī)械性能

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削Cr12MoV模具鋼是一個(gè)多因素耦合的過(guò)程，因此影響加工質(zhì)量的因素很多，因素組合也很多。為研究不同因素對(duì)切削力和表面粗糙度的影響，本文設(shè)計(jì)了四因素五水平的正交試驗(yàn)方案，其中因素包括主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、切削深度、切削寬度（表2）。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析討論

試驗(yàn)采用干式切削，超聲振動(dòng)頻率為固有頻率，即固定值f=15.6 kHz、振幅A=7μm。試驗(yàn)記錄了切削過(guò)程中Z方向的平均切削力和加工后的工件表面粗糙度，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1 軸向切削力分析

對(duì)正交試驗(yàn)的軸向力數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。其中，Ki（i=1，2，3，4，5）代表各因素水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和的平均值，R代表各因素不同水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)之和平均值的極差。將表4所示數(shù)據(jù)生成如圖2所示曲線，可知：

表4 軸向平均切削力極差分析結(jié)果

（1）隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，軸向平均切削力快速增大，在轉(zhuǎn)速為1600 r/min時(shí)達(dá)到最大值，緊接著軸向平均切削力又降低。這是因?yàn)樵诘退偾邢鲿r(shí)切削區(qū)域的溫度較低，在切削過(guò)程中表現(xiàn)出加工硬化的現(xiàn)象，而高速切削提高了切削區(qū)域的溫度，出現(xiàn)了材料軟化的現(xiàn)象，從而抑制加工硬化、降低了切削力[12]。

（2）隨著每齒進(jìn)給量提高，軸向平均切削力有1～3 N的微小變化，整體保持穩(wěn)定，當(dāng)每齒進(jìn)給量達(dá)到0.08 mm/z時(shí)，切削力降至最低，此后切削力增大。

（3）隨著切削深度增加，銑削力呈現(xiàn)出近乎線性增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，隨著切削深度的增加，被切削材料的體積也增大，從而造成切削力隨著切削深度的增大而增大。

（4）隨著切削寬度增加，軸向平均切削力呈現(xiàn)出三段式即“先增再減后增”的變化趨勢(shì)，在切削寬度為1.5 mm時(shí)，軸向平均切削力達(dá)到最大值，然后減小，當(dāng)切削寬度大于2 mm時(shí)，切削力增大，但仍低于切削寬度為1.5 mm時(shí)的切削力。

另外，分析圖2所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在切削寬度和每齒進(jìn)給量的影響下，軸向平均切削力的波動(dòng)范圍分別為0～4.04 N和0～5.41 N，考慮到超聲振動(dòng)、機(jī)器的自激振動(dòng)及外加干擾的環(huán)境，就此可認(rèn)為切削寬度和每齒進(jìn)給量對(duì)軸向平均切削力的影響十分有限。

圖2 因素水平對(duì)軸向平均切削力的影響趨勢(shì)

綜合以上分析，本文認(rèn)為在超聲振動(dòng)頻率f=15.6 kHz、振幅A=7μm的條件下，對(duì)軸向平均切削力影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速和切削深度。

2.2 表面粗糙度分析

對(duì)表3所示試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到表5所示的不同加工參數(shù)下的表面粗糙度極差分析結(jié)果。本文采用線性回歸分析方法，建立的Cr12MoV冷作模具鋼旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸綖椋?/p>

表5 表面粗糙度極差分析結(jié)果

根據(jù)式（1）所示經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈髑邢鲄?shù)的指數(shù)絕對(duì)值大小，可確定表面粗糙度對(duì)各工藝參數(shù)的相對(duì)敏感性[3]。本文對(duì)各切削工藝參數(shù)指數(shù)絕對(duì)值進(jìn)行歸一化，得到如圖3所示的工藝參數(shù)相對(duì)敏感性示意圖，可表明各切削參數(shù)對(duì)表面形貌作用的主次順序。由圖3可見(jiàn)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響最大，其貢獻(xiàn)率達(dá)到40.1%，切削深度的影響貢獻(xiàn)率達(dá)到28.6%，而每齒進(jìn)給量和切削寬度的影響貢獻(xiàn)率相近，分別為18.275%、13.03%。

圖3 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的敏感性

圖3和表5都表明主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)表面粗糙度的影響最大。如圖4所示，本文引入多元函數(shù)偏導(dǎo)數(shù)的定義，探究了表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速和切削深度變化的變化率，以此表征二者之間的響應(yīng)關(guān)系。利用式（2）、式（3）計(jì)算表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速和切削深度變化的變化率，其余變量采用表5所示最佳方案中的數(shù)值。

圖4 變量與響應(yīng)關(guān)系圖

從圖4可看出，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速變化的變化率為負(fù)值，說(shuō)明隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，表面粗糙度值逐漸減小；主軸轉(zhuǎn)速在1、2、3水平時(shí)的變化率較大，這說(shuō)明在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，表面粗糙度值下降很快；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到4、5水平時(shí)，相關(guān)變化率很小，這說(shuō)明表面粗糙度值隨著主軸轉(zhuǎn)速增加而降低的效果已十分有限。這是因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速時(shí)材料去除準(zhǔn)則為周期斷裂，主要產(chǎn)生鋸齒形切屑，降低了表面粗糙度值；而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，切削溫度增加，材料去除準(zhǔn)則由周期斷裂向絕熱剪切轉(zhuǎn)變，切削區(qū)域軟化，出現(xiàn)軟化剪切[12]，此時(shí)表面粗糙度相較于低速切削時(shí)有一定改善；表面粗糙度隨著切削深度變化的變化率為正值，則說(shuō)明隨著切削深度增加，表面粗糙度值增大。當(dāng)切削深度達(dá)4、5水平時(shí)，表面粗糙度的變化率已十分微小。

由圖2和圖4可看出，在要求表面粗糙度值小、軸向平均切削力盡可能小的情況下，可將主軸轉(zhuǎn)速取為2000 r/min。若是繼續(xù)增加主軸轉(zhuǎn)速，不僅對(duì)表面粗糙度的改善有限，而且將使單位時(shí)間內(nèi)切除材料的體積增加，從而造成切削力增大。表面粗糙度值和軸向平均切削力都會(huì)隨著切削深度的增加而增大。綜合圖2、圖4及表4、表5的分析結(jié)果，本文認(rèn)為在盡可能降低切削力和表面粗糙度值的情況下，選取切削深度為0.6 mm可滿足要求。

3 結(jié)論

本文對(duì)Cr12MoV模具鋼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削正交試驗(yàn)，通過(guò)采集的軸向切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)分析了參數(shù)選擇對(duì)加工過(guò)程的影響，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)軸向平均切削力和表面粗糙度的影響最大。

（2）在表面粗糙度值小、軸向平均切削力小的要求下，可選取主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min、切削深度為0.6 mm，而切削寬度和每齒進(jìn)給量可適當(dāng)選擇。

（3）運(yùn)用旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削Cr12MoV模具鋼，可獲得較好的加工質(zhì)量。

因此，采用旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助銑削方式加工Cr12MoV模具鋼時(shí)必須合理地選擇加工參數(shù)，才能在切削過(guò)程中實(shí)現(xiàn)小的軸向切削力和良好的加工表面質(zhì)量。