陳英俊，陳慶華，元澤懷

(肇慶學院電子信息與機電工程學院，廣東肇慶526061)

不銹鋼是含有鉻、鎳、鈦合金成分的一種耐腐蝕、高強度材料。近年來，隨著食品、化工以及航空航天的飛速發(fā)展，不銹鋼材料得到了廣泛的應用。但是，由于不銹鋼材料具有強度高、導熱性能弱以及切削加工時塑性變形大、加工硬化嚴重等特點使得切削加工非常困難。作為一種難加工材料，數(shù)控加工時工藝參數(shù)的選擇至為重要。由于銑削速度、進給量、銑削深度、銑削寬度等加工參數(shù)均直接影響到已加工表面質量尤其是表面粗糙度，故通過優(yōu)選切削參數(shù)來提高零件的加工表面質量的方法得到了日益廣泛的應用［1－3］。

目前，對于表面質量建模及參數(shù)優(yōu)化的方法眾多，常見的有響應曲面法、神經網絡及遺傳算法等。響應曲面法 (Response Surface Methodology，RSM)是一種建立過程模型以及對過程進行優(yōu)化的系統(tǒng)方法，它采用多元二次回歸方法作為函數(shù)估計的工具，將多因素試驗中因素與指標的相互關系用多項式近似擬合，依此可對函數(shù)的響應面和等高線進行分析，研究因素與響應面之間、因素與因素之間的相互關系，廣泛應用于產品和工藝參數(shù)穩(wěn)健性設計以及工藝過程優(yōu)化［4－5］?；谥行慕M合設計的二次響應曲面法［5－6］具有可旋轉性、模型穩(wěn)健性及試驗次數(shù)少、回歸方程精度高等特點，已在切削參數(shù)優(yōu)化中獲得了很好的應用效果。作者采用響應曲面法對0Cr18Ni9Ti不銹鋼數(shù)控銑削過程中表面粗糙度進行了研究，建立了表面粗糙度的預測模型，研究了數(shù)控銑削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，并對各工藝參數(shù)進行了優(yōu)選，為不銹鋼數(shù)控銑削參數(shù)優(yōu)化及表面質量的控制提供了理論依據和技術支持。

1 數(shù)控銑削試驗設計

1.1 試驗條件

試驗材料為典型難加工材料0Cr18Ni9Ti不銹鋼，其尺寸為200 mm×50 mm×50 mm。試驗在HEVALIER-2033VMC三軸立式加工中心機床上進行，刀具為YG8可轉位硬質合金立銑刀，刀桿直徑為20 mm，銑刀齒數(shù)為2，銑削方式為采用端面對稱銑削，采用乳化液冷卻。采用TIME200型便攜式粗糙度測量儀測試試樣表面粗糙度值。

1.2 響應曲面法試驗設計

實驗采用中心組合響應曲面法［7］，選取銑削速度vc、每齒進給量fz、銑削深度ap、銑削寬度ae4個加工參數(shù)為自變量，分別以x1、x2、x3、x4表示。按照式 (1)對上述4個自變量進行編碼:

式中:Xi為自變量的編碼值;xi為自變量的真實值;x0為試驗中心點處自變量的真實值;Δx為自變量的變化步長;其中自變量的編碼值+2和－2代表軸向點，+1和－1代表因子點，0代表中心點;表面粗糙度Ra為響應值。試驗自變量的編碼及水平如表1所示。

表1 試驗自變量的編碼及水平

試驗設計及表面粗糙度的測試結果如表2所示?？梢?，對于這種難加工材料，若選取的工藝參數(shù)合適，仍可以達到較低的表面粗糙度值。

表2 中心組合試驗設計及測試結果

2 試驗結果分析

2.1 表面粗糙度預測模型

設定因子的顯著性判據為P＜0.05，運用Design-Expert軟件，采用逐步回歸法對表2中的數(shù)據進行處理，求得不銹鋼數(shù)控銑削已加工表面粗糙度的二次回歸模型如下 (以編碼值為自變量):

化為實際切削參數(shù)的表面粗糙度模型如下:

2.2 模型的顯著性檢驗

為判定回歸模型擬合程度的好壞，對式 (2)進行顯著性檢驗及方差分析，結果如表3所示。

表3 正交組合試驗設計及結果

可見，表面粗糙度回歸模型P＜0.0001，表明采用響應曲面法建立的回歸模型高度顯著，可用此模型對該不銹鋼進行數(shù)控銑削表面粗糙度的預測和分析。

2.3 銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖1 銑削工藝參數(shù)單因素響應曲線

研究表面粗糙度值對切削速度vc、每齒進給量fz、銑削深度ap和銑削寬度ae的響應，就單因素和多因素交互分別進行響應分析。從圖1所示的單因素響應曲線可以看出，表面粗糙度Ra隨vc的增大而減小，隨fz、ap和ae的增大而增大。同時，fz的影響最為顯著，vc對表面粗糙度的影響最小。

圖2—4分別為多因素交互響應曲面，該曲面能形象地反映出試驗過程中響應值與任意兩個銑削參數(shù)之間的關系。

圖2 銑削速度與銑削寬度響應曲面圖(fz=0.07 mm/z，ap=0.50 mm)

圖3 銑削深度與銑削寬度響應曲面圖(vc=120 m/min，fz=0.07 mm/z)

圖4 每齒進給量與銑削寬度響應圖(vc=120 m/min，ap=0.5 mm)

在給定的銑削參數(shù)取值范圍內，vc增加時，表面粗糙度逐漸減小 (如圖2所示)。由于vc的提高主要取決于加工中心主軸轉速，此次試驗最高銑削速度是在主軸3 000 r/min時取得的，可見提高銑削速度對降低工件表面粗糙度存在正面影響。

從圖3可看出，ap和ae對表面粗糙度的影響均為正效應，且影響程度相近。當ap和ae增大時，不但增加了每齒的切削厚度，而且增加了切削面積，故而表面粗糙度增大?？梢姡ぜ@得好的表面質量，必須選擇較小的銑削寬度和銑削深度。

圖4表明，fz增加時，Ra明顯增大，這是因為數(shù)控銑削時工件表面殘留面積的高度會影響進給方向的表面粗糙度，殘留面積的最大高度與進給量的平方近似成正比。另一方面，fz很小時，ae對Ra影響不明顯，但隨著fz的增加，ae的影響變得顯著。這是因為與ae相比，fz對Ra影響更為顯著，故當fz較小時，盡管銑削寬度增加，表面粗糙度變化不大。此外，每齒進給量和切削寬度很小時，表面粗糙度可獲得較小值。

3 參數(shù)優(yōu)選

在不銹鋼數(shù)控銑削加工中，在考慮加工效率等因素前提下，為獲得較低的已加工表面粗糙度，需要對銑削工藝參數(shù)進行優(yōu)選。

假定表面粗糙度Ra要求控制在0.3 μm以下，利用各工藝參數(shù)與已加工表面粗糙度的響應曲面圖，可知，在給定的參數(shù)范圍內，選取vc≥120 m/min、fz≤0.02 mm/r、ap≤0.2 mm、ae≤2 mm 時，可保證不銹鋼數(shù)控加工時達到較低的表面粗糙度要求。

4 結論

(1)采用響應曲面法建立的表面粗糙度預測模型具有較高的顯著性，可用來有效預測0Cr18Ni9Ti不銹鋼數(shù)控銑削過程中的表面粗糙度。

(2)表面粗糙度Ra隨vc的增大而減小，隨fz、ap和ae的增大而增大。同時，fz的影響最為顯著，vc對表面粗糙度的影響最小，降低每齒進給量能有效減小表面粗糙度值。

(3)通過對工藝參數(shù)的合理選擇，可有效地控制不銹鋼工件表面粗糙度，在文中試驗條件下選取vc≥120 m/min、fz≤0.02 mm/r、ap≤0.2 mm、ae≤2 mm時，不銹鋼數(shù)控加工時可獲得較低的表面粗糙度值。

【1】HAMDAN Ahmad，SARHAN Ahmed A D，HAMDI Mohd．An optimization method of the machining parameters in high-speed machining of stainless steel using coated carbide tool for best surface finish［J］．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，58(1 － 4):81－91．

【2】林峰．正交試驗在不銹鋼切削參數(shù)優(yōu)化中的應用［J］．機床與液壓，2007，35(6):91 －92．

【3】LIN W S．Modeling the Surface Roughness for Fine Turning of AISI304 Stainless Steel［J］．Key Engineering Materials，2008，364:644 －648．

【4】CHAUHAN S R，DASS Kali．Optimization of Machining Parameters in Turning of Titanium(Grade－5)Alloy Using Response Surface Methodology［J］．Materials and Manufacturing Processes，2012，27(5):531 －537．

【5】袁人煒，陳明，曲征洪，等．響應曲面法預測銑削力模型及影響因素的分析［J］．上海交通大學學報，2011，35(7):1040－1044．

【6】劉亞麗，牛秋林，董大鵬，等．響應曲面法優(yōu)化超高強度鋼銑削加工切削參數(shù)的研究［J］．工具技術，2012，46(7):13－17．

【7】徐向宏，何明珠．試驗設計與Design－Expert、SPSS應用［M］．北京:科學出版社，2011．