【doc】奧氏體不銹鋼平面銑削切削力和表面粗糙度試驗研究

1、奧氏體不銹鋼平面銑削切削力和表面粗糙度試驗研究2008年第42卷l2奧氏體不銹鋼平面銑削切削力和表面粗糙度試驗研究*邵軍杰安慶龍陳明上海交通大學摘要:應(yīng)用均勻試驗設(shè)計方法,在較寬切削速度范圍內(nèi),對1crl8ni9tj奧氏體不銹鋼進行平面銑削試驗研究.通過指數(shù)回歸和二次多項式回歸分別建立了切削力和表面粗糙度經(jīng)驗公式,采用分層多目標優(yōu)化方法獲得了m20硬質(zhì)合金刀具切削1cr18ni9ti奧氏體不銹鋼時的優(yōu)化切削參數(shù).試驗結(jié)果表明,本文采用的試驗設(shè)計方案和建立的切削力和表面粗糙度經(jīng)驗公式是合理可行的.關(guān)鍵詞:1cr18nt9rfi奧氏體不銹鋼,均勻設(shè)計,回歸,優(yōu)化參數(shù),平面銑削expe血nental

2、stlldiesonop血nalp蜀啷啪etersiilmnliilgof1c18ni9naustenjticstaiiliesssteelsha0junjieanqinongchenmingal蟣lct:theequaldesmet10dwasappliedin正lcelil1inglcr18ni9t;austticslaiesssfee】incase0flaigefaf0fcuttingspeed.111ecumngf0rceandsuceroughness0fw0rkpieeewererne鵲uded卸d血eexperiencefaweresetupbyuse0fexp0nentialr

3、egre鷗ion肌dqucynalregressionrespectively.based嘰theab0veine0nedfaandhier丑rcl1ical州e0bjectsrnizati0napach,theopiimaip哪metersinfacerni1ling1cr18nia惜teticstainlesswitilm20tunencarbidecuttingto0lswerepresented.tilev擊edtestwtlle叩timalpa刪neterspr0vedtlerationajjt)randfle髂ibil0f山eexperiencefbrlula.keyw0rds:1

4、cr18ni9rriaustecnlesssteel,llni_0rn1des,regressi0n,0ptimalpai砌eters,facemiiling1引言奧氏體不銹鋼材料具有強度高,耐熱,耐腐蝕和非磁性等特點,用途最廣.該類材料在切削加工中變形抗力大,加工硬化嚴重,刀具磨損破損嚴重,是典型的難加工材料.銑削加工屬于斷續(xù)切削,切國家自然科學基金資助項目(項目編號:5o675134)收稿日期:2008年5月削厚度在發(fā)生變化,切削變形嚴重,刀具切出時刀齒要經(jīng)歷切削層材料的加工尺寸效應(yīng),刀具刃口鈍圓半徑及刃口強化程度與銑削用量之間存在相互依賴關(guān)系,共同決定了刀具壽命和工件加工表面質(zhì)量,因而對

5、于給定的切削刀具,解決好切削參數(shù)的優(yōu)化匹配非常重要.平面銑削常作為加工大平面的高效加工方式_2,引,在銑削加工奧氏體不銹鋼過程中,各個刀齒所承受的沖擊載荷較大,加工表面粗糙度難以保證.因此,本文對1cr18ni9ti奧氏體不銹鋼進行14王瑾.氧化鋁顆粒增強銅基復合材料線切割加工研究.重慶工學院,200615fmuller,.non_c0mentional1achingofpa擊clereinf(edmetalmaxc0mposites.matealsprocessingtecm0l0一,1996,l1(1):172916王揚等.al203顆粒增強鋁基復合材料激光加熱輔助切削的切削特性.中國機械

6、工程,2oo3:34434617許幸新,趙波,劉傳紹.超聲振動鉆削sic顆粒增強鋁基復合材料時的切削力研究.工具技術(shù),200r718鐵占續(xù),趙波.金屬基復合材料的超聲切削性能的研究.制造技術(shù)與機床,20o419焦峰,趙波,劉傳紹.金屬基復合材料sicp/的振動切削性能研究.焦作工學院報(自然科學版),2002(7)20趙波等.sicd/al復合材料超聲振動切削加工表面質(zhì)量試驗研究.機械制造,2o0421bzha0,csiju,xsu,.res鋤h0ntllevibmci0ncut-tingpedl0冊ance0fpartickreibrcedmetallicmxc0iilp0sitessicp

7、/,j叫ma】0fmaalspcessinghn0l0gy,20o2:38038423gsu,.reseaih0ntllecharactericsof山ecuttingfbieinthevjbmtioncu仕ing0fapar【icle_reiil|edmetalma一comp0sitessicp/joumal0fmaierialspmcessingtechn0l0,2002,129:19619924程雪利.顆粒增強金屬基復合材料切削機理研究.河南理工大學碩士論文,20o6:8384第一作者:董小磊,碩士研究生,河南理工大學機械與動力工程學院,4540oo河南省焦作市nrstautllor:d

8、ongei,mast既deeecandida把,scho0l0fmechailicalandp0wereneeiing,henanp0lytechcuni,jia0肌045400026平面銑削試驗研究,期望獲得優(yōu)化切削參數(shù)指導生產(chǎn).均勻設(shè)計,是由中國統(tǒng)計學家方開泰教授和中科院王元院士于20世紀70年代末創(chuàng)建的,可用較少的試驗次數(shù),完成對多影響因素的較寬的水平變化范圍的試驗研究,是處理多因素多水平試驗設(shè)計的較好方法.均勻設(shè)計在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于軍事,醫(yī)藥,化學,冶金,食品等諸多領(lǐng)域,取得了顯著的成效.目前在金屬切削領(lǐng)域應(yīng)用較多的試驗方法為正交設(shè)計方法,正交設(shè)計適于穩(wěn)態(tài)切削過程,影響因素的變化范圍不

9、易過大.如果太大,勢必導致水平級數(shù)較多,試驗次數(shù)大幅度增加,試驗成本增高.在切削奧氏體不銹鋼過程中隨著切削速度由低向高變化,將伴隨切削振動和積屑瘤等物理現(xiàn)象,這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與切削速度關(guān)系密切,刀具切削性能呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)磨損特征.本文將嘗試應(yīng)用均勻設(shè)計方法,在較寬的切削速度范圍內(nèi),以較少的試驗次數(shù)和成本,對非穩(wěn)態(tài)切削過程進行試驗研究,完成對切削力和表面粗糙度的變化規(guī)律的客觀總結(jié).2試驗條件及試驗規(guī)劃(1)試驗設(shè)備及刀具不銹鋼的平面銑削試驗均在mah0mh600c銑削加工中心上完成,采用直徑為160rnm的8齒可轉(zhuǎn)位楔壓式銑刀盤.選用刀具為m20硬質(zhì)合金刀片,此種刀片耐磨性好,強度高,紅硬性較好,抗塑

10、性變形能力好,能承受較大的沖擊載荷,適于不銹鋼的間斷切削場合.采用對稱銑削方式,工件寬度為5oh瑚.(2)試驗規(guī)劃取切削速度.,每齒進給量和軸向切深口三個因素進行考察,其中.和在參數(shù)范圍內(nèi)均劃分為10個水平,o.在參數(shù)范圍內(nèi)均劃分為5個水平,均勻設(shè)計】o(1025)的因素水平以及試驗設(shè)計表.試驗參數(shù)范圍為:切削速度取20110m/min;每齒進給量.取0.050.2眥n/z;軸向切深口取0.51.5朋;徑向切寬n固定為工件寬度50mm.試驗參數(shù)設(shè)計見表1.(3)測量系統(tǒng)本文主要從切削力和表面粗糙度兩個方面對1cr18ni9ti的切削性能進行評估,切削力的測量通過kistler9272四向壓電式

11、測力儀來完成,工件表面粗糙度的測量選用jb一3c型表面粗糙度儀.表1試驗參數(shù)設(shè)計工具技術(shù)試驗切削速度每齒進給量軸向切深序號(rn/iilin)(iilrn/z).(n】m)13oo.081.5250o.131.5370o.181.25490o.051.255l1o0.116200.1517400.2o.75860o.o7o.75980o.120.510l0oo.170.53試驗結(jié)果與回歸結(jié)果對比在切削力試驗中,所測切削力分為橫向進給分力,縱向進給分力和軸向分力三個分量.由于刀盤的制造誤差,刀柄剛度不足等因素所引起軸向的偏移,跳動和振動,容易造成軸向力無規(guī)律的變化,無法回歸出合理的數(shù)學模型,本文

12、主要對和進行研究,不對進行分析.(1)試驗結(jié)果分析試驗結(jié)果見表2,表中列出了,表面粗糙度r以及各組參數(shù)所對應(yīng)的材料去除率q.表2試驗結(jié)果試驗fyrq序號(n)(n)(m)(lm3/iilin)l777.34476.561.39o36o21086.91443.360.98497531356.45581.050.609157541o63.23453.120.630562.55443.12373.05o.533l1o06906.25656.251.19430o7377.2335.94o.76560o8216.o6233.40.6673159l48.93214.840.5624801o237.4325

13、2.930.429850從表2中可以看出,第5,8,9,l0組參數(shù)條件下的切削力相對較小,第5,8,10組參數(shù)條件下的表面粗糙度值較小,加工表面質(zhì)量較高;若同時從加工效率方面考慮,第5和1o組參數(shù)可以在保持較高的加工質(zhì)量的同時也保持較高的材料去除率,切削力也較小,刀具在這兩種切削參數(shù)條件下所表現(xiàn)出的切削性能較好.(2)回歸分析回歸方法的選擇對回歸結(jié)果有很大的影響,對2008年第42卷12于切削力的回歸,指數(shù)模型可以較好地反映其變化規(guī)律;而對于表面粗糙度的回歸,選擇基于偏最小二乘法獲得的多項式模型更為合適l8j.本文建立切削力模型時選擇指數(shù)回歸方式,而在建立表面粗糙度模型時選擇二次多項式回歸方式

14、.對于切削力的建模,因變量是切削速度,每齒進給量和軸向切深0.,得到如下的指數(shù)回歸模型:=20o3.549溯,i:1481.1538.棚以上模型是否合適,仍需要進行回歸方程的顯著性檢驗.切削力模型和的方差分析結(jié)果分別見表3和表4.表3模型方差分析方差平方和自由度均方,加.0l顯著性來源(3,6)回歸0.985333o.3o844高度15.2057l9.78殘差o.129660.0216顯著總和1.1149089方差平方和自由度均方f加.0l顯著性來源(3,6)回歸o.3嘶293o.102o97高度l3.o50289.78殘差0.o樅6o.0o7823顯著總和o.3532379對于表面粗糙度的建

15、模,因變量是切削速度每齒進給量和軸向切深o,以及二次項,口p.口p,.,0p0p.采用偏最小二乘方法,可得到下面的二次多項式回歸模型:=0.755280.0o852一1.5843一0.60656口p一0.02228一0.3240p一0.00843mp+0.00009一3.8l72一0.110220(2)表面粗糙度模型的方差分析結(jié)果見表5.表5r.模型方差分析表方差平方和自由度均方f.o1顯著性來源(3,6)回歸o.87831770.125474高度80.281o.92殘差o.o03l2620.0o1563顯著總和0.8814439多元回歸的總偏差平方和分為兩部分:一部分是回歸平方和,其自由度是

16、r;一部分是誤差平方和sse,其自由度是e.定義為sst/n則服從自由度(r,)的,分布.若>27f0.01(,),則認為模型是合理的.由表2,3,4可知,對,r建立的模型是合理的.4多目標優(yōu)化分析前文已經(jīng)獲得了不銹鋼平面銑削時的銑削力和表面粗糙度的回歸模型.為了使刀具處于最佳工作狀態(tài),達到最佳的加工效果,要選擇合適的切削參數(shù),即參數(shù)優(yōu)化問題.本文采用分層多目標規(guī)劃的優(yōu)化方法對切削參數(shù)進行優(yōu)化.首先,為了獲得滿意的工件質(zhì)量,應(yīng)盡可能使加工表面的粗糙度小,并且切削力也應(yīng)盡可能小.同時,加工效率是加工人員很關(guān)注的一個問題,粗加工時,應(yīng)該把加工效率放在首位,而精加工時,應(yīng)該在滿足工件的加工質(zhì)量

17、前提下,盡可能地提高加工效率.本文主要是針對精加工作參數(shù)優(yōu)化,可得到一個以加工質(zhì)量為第一要素,加工效率為第二要素,切削力為第三要素的分層優(yōu)化模型.rnin(r)ina)(q)(,=/髓)(3)2os1100.050.20.5%1.5對式(3)采用分層求解的方法.表面粗糙度為第一層,加工效率為第二層,切削力為第三層.分層評價法的特點是,每一優(yōu)先層的目標函數(shù)的求解,不再是求解一個數(shù)值極小化問題,而是需要求解一個多目標極小化問題.應(yīng)該先在可行域上對第一層的目標min(r.)進行多目標極小化,設(shè)得到有效解集e1,再在e1的基礎(chǔ)上對第二層的目標rnin(p)進行求解,得到有效解集e2.最后在有效解集e2

18、上對第3優(yōu)先層的目標函數(shù)求極小值,即為優(yōu)化模型的解.可行域的選擇要綜合考慮,力求合理在實際生產(chǎn)中,隨著表面的粗糙度的減小,加工效率下降,加工成本會提高.根據(jù)實際需要,將有效解集el定為尺小于0.8,有效解集e2定為9>600tun3/itiin和r<0.8的交集,在實際生產(chǎn)過程中,奧氏體不銹鋼lcr18ni9tj的精加工材料去除率達到600nlm3/rnin已經(jīng)屬于高效加工.數(shù)羞28取優(yōu)化得到的參數(shù)再作一次試驗,計算值和實測值見表6.表6實測值與計算值比較表實驗參數(shù)fyr切削速度每齒進給軸向切深實測值計算值實測值計算值實測值計算值nnnnum10oo.090.7239.6253.3

19、205.9195.80.523o.5683在切削奧氏體不銹鋼過程中,由于工件材料粘性大,強度高,在加工過程中容易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象.因此切削速度應(yīng)該適當提高,以減少每個刀齒與工件的接觸時間,減少加工硬化.每齒進給量對切削力和表面質(zhì)量的影響很大,但每齒進給量不能過小,進給量過小造成刀具在工件硬化層中切削,這時刀具刃口磨損非常嚴重,工件質(zhì)量也很差.這些結(jié)論都說明優(yōu)化出的切削參數(shù)是合理的.5結(jié)語本文針對金屬切削試驗多因素,多水平的特點,采用均勻設(shè)計的試驗方法,節(jié)省了試驗成本和試驗時間.在試驗數(shù)據(jù)的處理上,通過指數(shù)回歸和二次多項式回歸兩種回歸方式分別建立了切削力和表面粗糙度的回歸模型.兩個模型的檢驗值都

20、是高度顯著的,證明指數(shù)模型和二次多項式回模型的選擇是合理的.針對建立的模型,采用分層多目標優(yōu)化方式獲得了m20硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼時的優(yōu)化切削參數(shù),試驗證明這組參數(shù)是切實可行的,獲得的優(yōu)化切削參數(shù)對生產(chǎn)實踐有一定的指導作用.參考文獻1msankorkut,mustafakas印,ibrdhimcci.deterna一工具技術(shù)ti嘰0f0m岫cut【ingp猢etersngmaclining0faisl3o4aus【ecstainlessslee1.malerialsanddesi,20o4,25(4):3033052chungnchang.a咖dy0fligle伍ciencyerniu

21、ils.j0un1al0fmata1spr0cessingtechn01o,20o0,100(1):l2293yusilfaltimas.man血lcngautor衄tionnletalcuttingmechanics.machinei100lvibratio璐andcncdesi,ij0nd0n:carnbdgeuniversi哆press,2002:631214方開泰.均勻設(shè)計與均勻設(shè)計表.北京:科學技術(shù)出版社,20o45李云雁.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理.北京:化學工業(yè)出版社,20046王惠文.偏最小二乘回歸方法及其應(yīng)用.北京:國防工業(yè)出版社,19997丁振明.金屬切削原理與刀具.北京:高等教育出版社,19858龍震海,王西彬,王好臣.高速切削條件下難加工材料表面粗糙度影響因素析因研究.工具技術(shù),20q5,39(1):2629第一作者: