趙楊，黃樹濤，許立福，張玉璞，于曉琳

沈陽理工大學機械工程學院

1 引言

隨著對零件結構性能和可靠性要求的不斷提高，AF1410等高強度鋼在飛機起落架、機翼樞軸接頭、平尾大軸、著陸鉤、潛艇外殼等主要受力構件中被廣泛應用[1-4]。但AF1410高強度鋼因強度和硬度高，導熱系數(shù)低，實際加工過程中切削力大、切削溫度較高[5]、加工質(zhì)量不穩(wěn)定及加工效率低，是典型的難加工材料。

國內(nèi)外學者在高強鋼切削加工方面進行了大量研究。丁悅等[6]對端銑38CrSi高強度鋼的切削力系數(shù)進行了實驗研究，結果表明，每齒進給量對切削力系數(shù)影響最大。劉衣昌[7]通過正交實驗的方法研究了PM和GM刀具高速切削42CrMo高強度鋼過程中的切削力，研究結果表明，切削力隨切削參數(shù)值的增大而增大。Li Y.等[8]研究了不同涂層刀具高速切削AISI4340的切削力，研究表明，TiN/TiCN/TiAlN復合涂層刀具的切削合力最小。Wang Yongxin等[9]對A-100超高強度鋼的切削力進行了模擬分析，結果表明，切削深度對切削力的影響更加顯著。 Zhang Huiping等[10]通過單因素實驗研究了切削參數(shù)對300M超高強鋼切削力的影響，建立了300M超高強鋼切削力多線性回歸模型。

在高強鋼零件的高效精密加工中，粗加工是提高加工效率的關鍵[11，12]，為此，本文基于單因素實驗法，研究了高效余量去除銑削AF1410高強鋼時切削力的變化規(guī)律，分析了切削用量和冷卻液對切削力的影響。

2 實驗條件及方案

2.1 實驗條件

實驗采用AF1410高強度鋼作為工件材料，其物理參數(shù)見表1。采用CVD TiCrN/Al2O3/TiN涂層硬質(zhì)合金刀具，其幾何參數(shù)見表2。

表1 工件材料的物理參數(shù)[14]

表2 刀具幾何參數(shù)

實驗所用機床為VMC850E立式加工中心，主軸轉速50～8000r/min。使用KISLTER-9123C旋轉式測力儀測量切削力，配套使用電荷放大器和數(shù)據(jù)采集器，實驗裝置如圖1所示。

(a)實驗臺 (b)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集器

圖1 實驗裝置

2.2 實驗方案

實驗方案參數(shù)見表3和表4。

表3 干式實驗參數(shù)(逆銑)

表4 濕式實驗參數(shù)(逆銑)

3 實驗結果與分析

3.1 切削速度對切削力的影響

在高效銑削AF1410超高強度鋼時，經(jīng)濾掉高頻信號后不同切削速度的切削力波形見圖2，選取切削力最大值的平均值繪制如圖3所示折線圖。可以看出，切削速度為60～100mm/min時，切削力呈下降趨勢，可以認為在這個速度范圍內(nèi)，切削溫度上升，材料發(fā)生熱軟化效應，在切削過程中切削抗力和切削力減小；切削速度為100～250m/min時，徑向力有提高，切向力幾乎無變化，雖然隨著切削速度的提高，熱軟化及剪切區(qū)的絕熱剪切使切削力下降，同時切削溫度升高使切削層材料的熱膨脹增大，相應對刀具后刀面的擠壓作用加強，導致徑向力有所增大；同樣由于材料的熱膨脹加大了對副后刀面的擠壓作用，使得軸向力在切削速度達到250m/min時也有提高。

圖3 切削速度對切削力的影響

(a)v=60m/min

3.2 每齒進給量對切削力的影響

高效余量去除銑削高強度鋼時，在切削速度v=200m/min和切削深度ap=1mm不變的情況下，經(jīng)濾除高頻信號后不同進給量的切削力波形變化如圖4所示，選取軸向力Fz、切向力Ft及徑向力Fr最大值的平均值繪制如圖5所示折線圖?？梢钥闯?，隨著每齒進給量fz的增加，軸向力、切向力以及徑向力均有不同程度變化。在每齒進給量為0.01～0.06mm/z時，切削力呈上升趨勢，其中，F(xiàn)t和Fr增幅較大，F(xiàn)z增幅較?。划斆魁X進給量達到0.06～0.08mm/z時，F(xiàn)r有明顯的下降。隨著每齒進給量的增加，切削厚度增大，導致切削過程中的切削抗力增大。在高速切削高強鋼時，剪切區(qū)發(fā)生絕熱剪切，形成鋸齒切屑，當每齒進給量增加到0.08mm/z時，切屑在卷曲時更易折斷，切削力下降。

(a)fz=0.01mm/z

圖5 每齒進給量對切削力的影響

3.3 切削深度對切削力的影響

當切削速度v=200m/min和每齒進給量fz=0.08mm/z不變時，經(jīng)濾除高頻信號后不同切削深度下切削力波形變化如圖6所示。

(a)ap=1mm

隨著切削深度ap的增加，在實驗切削深度變化范圍內(nèi)，總體上Ft與Fr隨切削深度ap的增大而增大，但Fz變化不大(見圖7)。顯然，單位時間內(nèi)材料去除量隨切削深度的增加而提高，徑向切削分力和切向分力均相應增大；由于實驗切削深度均大于或等于刀尖圓弧半徑，切削時刀尖圓弧全部參與切削，作用于圓弧刃上的軸向切削分力不會隨切削深度的增加而劇烈變化，已加工表面對副切削刃的擠壓作用也沒有隨切削深度的增大而增大，因此總體上軸向切削分力隨切削深度的變化不大。從圖7也可看出，在切削深度ap<2mm時，F(xiàn)r的數(shù)值大于Ft；在ap>2mm時，F(xiàn)t的數(shù)值大于Fr，這是由于切削深度ap的增加改善了刀刃后刀面的散熱條件，與主后刀面接觸的切削層的熱軟化程度下降，對后刀面的摩擦力增加，因此在切削深度ap大于一定值后，切向力反而超過徑向力。

圖7 切削深度對切削力的影響

3.4 冷卻方式對切削力的影響

進給量fz=0.08mm/z，切削深度ap=1mm不變的濕式切削條件下，經(jīng)濾除高頻信號后不同切削速度v的切削力波形如圖8所示。

(a)v=60m/min

對比濕式和干式兩種條件下切削力隨切削速度的變化(見圖9)可以看出，無論哪種條件，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，均表現(xiàn)為徑向力Fr最大，切向力Ft次之，軸向力Fz最小。

圖9 干式切削與濕式切削的切削力對比

總體上，有冷卻液澆注的濕式切削，隨著切削速度的提高，徑向力Fr略有下降，切向力Ft變化較小，軸向力Fz幾乎不變，這與干式切削明顯不同。在澆注冷卻液的濕式切削中，一方面，由于高強鋼的導熱性較差，在高速切削時，對剪切區(qū)的冷卻效果有限，表現(xiàn)為切向分力隨切削速度v的增加略有下降；另一方面，冷卻液的冷卻作用使切削層及已加工區(qū)的溫度下降，熱膨脹減小，刀具后刀面受到的擠壓作用下降，盡管切削速度增幅較大，但徑向分力變化較小，而軸向分力幾乎沒有變化。

4 結語

通過對AF1410超高強鋼高效銑削實驗，研究分析了切削參數(shù)和冷卻液對力的影響規(guī)律，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)得出的主要結論如下。

(1)在干式切削條件下，切削速度對切削力的影響較為復雜，切削速度為60～100mm/min時，切削力呈下降趨勢；進一步增大切削速度，徑向力增加明顯，而切向力Ft變化不大，軸向力Fz在切削速度大于200mm/min時有一定增加。與干式切削相比，濕式切削時，切削速度對切削力的影響較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為切削速度的增加，軸向力變化很小，徑向力略有下降，切向力變化減小。

(2)干式切削時，隨著切削深度增加，軸向力變化不大，徑向力和切向力總體上增大。

(3)在干式切削條件下，每齒進給量為0.01～0.06mm/z時，各切削分力均隨每齒進給量的增加而增加；但當每齒進給量大于0.08mm/z時，切削力有下降趨勢，徑向力下降明顯。

(4)總體上，濕式切削和干式切削均表現(xiàn)為徑向力最大，切向力次之，軸向力最小。干式切削條件下，當切削深度大于2mm時，切向力大于徑向力。