蘇曉云，閆秀麗，蔡 宏

(包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

CVD涂層刀具高速銑削天然大理石表面粗糙度研究*

蘇曉云，閆秀麗，蔡 宏

(包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

為了提高大理石加工表面質(zhì)量，改進(jìn)表面粗糙度，通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，進(jìn)行CVD涂層刀具高速銑削天然大理石試驗(yàn)，檢測(cè)加工表面粗糙度，分析天然大理石表面粗糙度隨著單一切削參數(shù)的變化規(guī)律，并基于經(jīng)驗(yàn)公式，以切削速度、切削深度及進(jìn)給速度為影響因素建立加工大理石表面粗糙的預(yù)測(cè)模型。通過試驗(yàn)得到大理石表面粗糙度隨著切削速度的增加而降低，隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加而增加。結(jié)果表明：預(yù)測(cè)模型具有較高的顯著性，為優(yōu)化切削參數(shù)以改善加工大理石表面質(zhì)量提供一定的參考；切削深度是影響加工大理石表面粗糙度的主要因素。

正交試驗(yàn)；大理石；表面粗糙度；預(yù)測(cè)模型

0 前言

天然大理石是主要的裝修用的飾面石材、建筑裝飾，尤其是表面整體潔白的大理石，作為室內(nèi)外飾面效果好、裝飾耐久，近年來，隨著生活水平的提高，人們也在不停地更新對(duì)本身的生活環(huán)境的美學(xué)觀念，天然大理石也越來越多地出現(xiàn)在家居裝飾裝修中，需求量變得更大的同時(shí)也對(duì)天然大理石裝飾品的加工提出了更高的要求，普通的手工雕刻既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又難以保證加工精度，將高速加工技術(shù)應(yīng)用于天然大理石裝飾品的加工，不僅可以大幅提高加工精度，而且能夠使加工效率大大提升[1-2]。

高速銑削加工中，工件的表面粗糙度既是評(píng)價(jià)工件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)也是機(jī)械零件實(shí)現(xiàn)其使用性能的重要技術(shù)要求[3-4]。表面粗糙度對(duì)零件的接觸剛度、耐腐蝕性能、疲勞強(qiáng)度等有著非常大的影響[5]。因此，在實(shí)際銑削加工過程中，根據(jù)切削參數(shù)的變化對(duì)加工大理石工件的表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)可以為銑削參數(shù)的選擇和表面質(zhì)量的控制提供依據(jù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值[6-7]。吳德會(huì)[8]采用最小二乘支持向量機(jī)方法預(yù)測(cè)銑削加工參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響，其預(yù)測(cè)精度較高且速度快；陳英俊等[9]利用徑向基網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)高速銑削模具型腔表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)了較高的預(yù)測(cè)精度；段春爭(zhēng)等[10]提出一種粒子群優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)算法，用來預(yù)測(cè)高速銑削加工表面粗糙度，其預(yù)測(cè)精度高、泛化能力強(qiáng)。目前，較多文獻(xiàn)研究高速銑削碳鋼類材料時(shí)切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響及預(yù)測(cè)，很少有文獻(xiàn)介紹切削參數(shù)對(duì)大理石加工表面粗糙度的影響關(guān)系。本文通過CVD涂層刀具高速銑削天然大理石試驗(yàn)，對(duì)加工后的大理石表面粗糙度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析與研究，找到影響高速銑削加工大理石表面粗糙度的關(guān)鍵因素，并建立表面粗糙度關(guān)于切削參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，為今后的大理石裝飾品的數(shù)控加工提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)所采用的大理石，如圖1所示，主要成分是CaCO3，體積密度為2800kg/m3、吸水率為0.16%、抗壓強(qiáng)度1072MPa、抗彎強(qiáng)度10.3MPa，冷卻方式：外部水冷。試驗(yàn)刀具：試驗(yàn)使用的刀具為D6CVD球頭銑刀，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)樣件

圖2 試驗(yàn)刀具

本試驗(yàn)所用的數(shù)控加工機(jī)床為異型石材車銑加工中心，其主要針對(duì)當(dāng)前石材制品向著精品化、異型化方向發(fā)展的趨勢(shì)，特別是針對(duì)國(guó)內(nèi)在三維雕塑制品和回轉(zhuǎn)體異型石材制品方面的技術(shù)空白而研制。異型石材車銑復(fù)合加工中心為八軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，配有立式和臥式兩個(gè)工作臺(tái)，車削和銑削兩個(gè)獨(dú)立的工作頭，本實(shí)驗(yàn)利用銑削工作頭進(jìn)行加工試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)使用粗糙度檢測(cè)設(shè)備為Taylor-Hobson粗糙度測(cè)試儀，如圖3所示。FormTalysurf電感系列儀是市場(chǎng)領(lǐng)先的基準(zhǔn)儀器，適用于三維輪廓形狀和粗糙度的測(cè)量等；其相應(yīng)分辨率為16nm、垂直量程為1mm、可完成全程200mm的測(cè)量，以橫向(X軸)數(shù)據(jù)點(diǎn)間距為0.15μm進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；可用于陶瓷或其他材質(zhì)粗糙度以及輪廓的精密測(cè)量，并且更加精確的測(cè)量細(xì)微的特征和小的部件，減少逆向和正向誤差。

圖3 粗糙度測(cè)試儀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因研究的首選方法。本次試驗(yàn)選用L16(43)正交表來進(jìn)行，如表1所示，以進(jìn)給速度、切削速度、切削深度作為3個(gè)因素，每個(gè)因素選擇了4個(gè)水平，根據(jù)CVD涂層刀具強(qiáng)度以及加工中心的功率，綜合考慮選擇切削速度vc=38、76、114、152(m/min)，切削深度ap=1、2、3、4(mm)，進(jìn)給速度vf=1000、2000、3000、4000(mm/min)，共16組試驗(yàn)。

檢查準(zhǔn)備好的刀具和加工材料，在機(jī)床加工車間，輸入數(shù)控程序，在累計(jì)固定行程約為100m的情況下，按照試驗(yàn)方案進(jìn)行切削試驗(yàn)，將試驗(yàn)加工后的大理石試件用水清洗后風(fēng)干，利用粗糙度儀進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。為了得到較準(zhǔn)確的粗糙度值，在待測(cè)的表面隨機(jī)取三處測(cè)量區(qū)域，每段的檢測(cè)測(cè)量長(zhǎng)度為50mm。通過粗糙度測(cè)試探頭測(cè)得工件表面的輪廓，并通過軟件對(duì)其處理后得到表面粗糙度的測(cè)量值。如表2所示，每個(gè)表面測(cè)量后即可得到三個(gè)粗糙度值，取三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值即作為此表面的粗糙度值，進(jìn)一步形象地用圖5表示出了表2中不同試驗(yàn)號(hào)表面粗糙度變化規(guī)律。

表1 正交試驗(yàn)表

圖4 測(cè)量試驗(yàn)工件粗糙度

Ra1(μm)Ra2(μm)Ra3(μm)Ra(μm)11．98821．99742．03782．007822．64932．65572．64802．651033．48023．48853．47853．482444．60864．59644．60884．604652．59072．58292．58832．587361．73201．72641．72751．728574．48754．50714．51804．504283．48053．48673．48033．482593．07523．07043．07463．0734104．50484．50114．50074．5022111．71831．72261．71791．7196122．35592．35182．35012．3526134．06994．06424．07174．0686142．95272．95892．95732．9563152．17902．17762．17892．1785161．71621．72131．72191．7198

圖5 不同試驗(yàn)號(hào)表面粗糙度變化規(guī)律

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響分析

圖6為大理石材料已加工表面形貌的高倍SEM照片，通過觀察加工表面能夠發(fā)現(xiàn)，加工后工件表面產(chǎn)生表面紋理，它是刀具銑削加工工件后最終形成的表面形貌，清楚地映射出了刀具切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖6易看出，工件表面上復(fù)刻了刀具切削刃形狀，在刀具的切削軌跡上分布著沿切削運(yùn)動(dòng)方向細(xì)小的溝槽，其的產(chǎn)生有兩個(gè)方面的原因:一是刀具磨損表面上粗糙溝槽在工件切削表面上的復(fù)刻，二是刀具表面上硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)工件切削表面的犁耕。犁壟不但影響到已加工表面粗糙度，而且還反作用于刀具表面，使附加溝槽產(chǎn)生在刀具表面上，使刀具磨損加劇，形成惡性循環(huán)。

已加工表面上存在著顆粒脫落留下的不規(guī)則凹坑，加工中有些顆粒破碎，另一些碎屑拔出形成凹陷，有些顆粒被刀具推擠在加工表面耕犁形成犁溝，這些顆粒可能脫落或被刀具壓入表面，產(chǎn)生上述現(xiàn)象是由于在高速切削過程中，材料受到強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，粘結(jié)相發(fā)生塑性變形，表層晶粒間的某些粘結(jié)相被擠出，隨著粘結(jié)相的流失，破壞了穩(wěn)定的骨架，使某些顆粒不斷拔出，晶粒脫落和相擠出使加工表面的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)孔洞。

圖6 大理石表面形貌高倍SEM圖

圖7為在不同的切削參數(shù)下具有代表性的天然大理石加工表面SEM低倍圖，從圖中易發(fā)現(xiàn)在不同的工藝參數(shù)下天然大理石加工表面破損程度不同，這是由于不同的工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響不同。

圖7 不同工藝參數(shù)下加工表面對(duì)比

高速銑削時(shí)，隨著切削速度的升高，切削功率增加，單位時(shí)間釋放的熱量相應(yīng)地增加，因此切削溫度提高，軟化了切屑底層，形成了很薄的微熔層，從而抑制加工表層材料的粘著和脫落，導(dǎo)致表面在反復(fù)碾壓作用下趨于光滑，刀具與切屑的摩擦系數(shù)降低，因而，切削力減小，減少了粘結(jié)相的塑性變形，使得晶粒牢固緊湊，減少了晶粒的脫落、撥出，不僅減少了凹坑的產(chǎn)生，而且減少了晶粒對(duì)加工表面的耕犁；另一方面，由于切削速度增大時(shí)基體材料應(yīng)變率增大，基體還來不及變形，顆粒就被切斷而不是拔出，因此減少了凹坑和裂紋的產(chǎn)生。從圖8a可以看出，高速銑削過程中，隨著切削速度的提高，零件表面粗糙度增加。

從圖8c可以看出，隨著切削深度的增加，表面粗糙度增加。因?yàn)榍邢魃疃仍黾?，切削面積就會(huì)增大，導(dǎo)致切削力增加，加劇了刀具與工件表面的摩擦，粘結(jié)相發(fā)生嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致晶粒劇烈的脫落、拔出，產(chǎn)生了較多的凹坑與裂紋，因此表面光潔度降低，表面粗糙度增加。

圖8 表面粗糙度隨加工參數(shù)變化曲線

2.2 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的建立

為了更好的指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，有必要建立起表面粗糙度與各影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系?；诮?jīng)驗(yàn)公式，建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，假定表面粗糙度是3個(gè)獨(dú)立變量(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度)的指數(shù)函數(shù)，表面粗糙度可表示為：

(1)

式中：b1、b2、b3分別是各自獨(dú)立變量的相關(guān)系數(shù)；K是與工件材料、刀具材料、切削條件等相關(guān)的系數(shù)。

將式(1)兩端取對(duì)數(shù)，有：

lnRa=lnK+b1lnvc+b2lnvf+b3lnap

(2)

令b0=lnK，x1=lnvc，x2=lnvf，x3=lnap，y=lnRa，代入式(2)得：

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(3)

式(3)為線性回歸方程，即自變量x1、x2、x3與因素y之間存在線性關(guān)系。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示，共有16組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法原理對(duì)表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，利用MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算，最終得到表面粗糙度與切削參數(shù)的關(guān)系為：

(4)

從預(yù)測(cè)模型式(4)中可以看出，對(duì)表面粗糙度影響最大的因素是切削深度，切削速度次之，影響最小的因素是進(jìn)給速度。

2.3 預(yù)測(cè)模型的檢驗(yàn)

雖然表面粗糙度預(yù)測(cè)模型有一定根據(jù)，但只是一種假設(shè)，建立之前并不能確立其關(guān)系的正確性，因此需要進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。為了精確地進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)值yi與按公式預(yù)測(cè)值Yi不可能完全一致，即試驗(yàn)點(diǎn)(xi，yi)并不能完全落在預(yù)測(cè)模型的函數(shù)曲線上，各試驗(yàn)點(diǎn)偏離曲線的程度，可用它們的總偏差來表征，y是各試驗(yàn)yi的平均值，將總偏差平方和ST分解為殘差平方和SE和回歸平方和SA，用F檢驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，即:

F=SA/PSE(n-p-1)～F(p,n-p-1)

(5)

式中：p為變量個(gè)數(shù)，n為試驗(yàn)次數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)的變量個(gè)數(shù)p為3，試驗(yàn)次數(shù)n為16，經(jīng)計(jì)算，在給定顯著水平=0.01的條件下，由于F=35.27>F0.01(3,12)=5.95，所以表面粗糙度Ra的顯著性很高。因此可以用式(4)預(yù)測(cè)加工大理石表面粗糙度，并且由預(yù)測(cè)模型能夠很好地掌握表面粗糙度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，同時(shí)本文所建立的基于經(jīng)驗(yàn)公式的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型對(duì)于優(yōu)化切削參數(shù)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

(1) 分析CVD涂層刀具高速銑削天然大理石試驗(yàn)結(jié)果可知，大理石表面粗糙度隨著切削速度的增加而降低；隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加而增加，這對(duì)加工大理石表面時(shí)選擇合理的切削參數(shù)達(dá)到理想表面粗糙度給出了一定參考意義。

(2) 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著影響效應(yīng)，根據(jù)設(shè)定切削參數(shù)可以很好地預(yù)測(cè)加工表面粗糙度，同時(shí)可以優(yōu)化切削參數(shù)改進(jìn)表面粗糙度，為預(yù)測(cè)大理石加工表面粗糙度提供了理論基礎(chǔ)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

(3) 從表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型中可以看出，三個(gè)切削參數(shù)中對(duì)粗糙度影響最大的是切削深度，切削速度次之，影響最小的是進(jìn)給速度。因此得出，影響粗糙度的關(guān)鍵因素是切削深度，要改善大理石加工表面質(zhì)量，應(yīng)主要考慮適當(dāng)減小切削過程中的切削深度。

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(編輯 李秀敏)

Study on Surface Roughness during CVD Coating Cutting Tools Milling the Natural Marble

SUXiao-yun,YANXiu-li,CAIHong

(SchoolofMechanics,BaotouIronandSteelVocationalTechnicalCollege,BaotouInnerMongolia014010,China)

Toimprovethesurfacequalityofmarbleprocessingandpolishupthesurfaceroughness，aorthogonaltestschemeisdesignedforCVDcoatedtoolshigh-speedmillingmarbletest.Throughdetectionofmachinedsurfaceroughness,theeffectofthesinglecuttingparametervariationonsurfaceroughnessofthenaturemarblewasanalyzed.Thepredictionmodelofthesurfaceroughnessofmarbleisestablishedwiththeinfluenceofcuttingspeed,cuttingdepthandfeedspeed.Throughtheexperiment,thesurfaceroughnessofmarbledecreaseswiththeincreasingofcuttingspeed,andincreaseswiththeincreasingoffeedspeedanddepthofcut.Theresultsshowthatthepredictionmodelhasahighconspicuousness,whichprovidesareferenceforoptimizingthecuttingparametersinordertoimprovethesurfacequalityoftheprocessingmarble.Andcuttingdepthisthemainfactorthatinfluencesthesurfaceroughnessofmarble.

orthogonaltest;marble;surfaceroughness;predictionmodel

1001-2265(2016)12-0035-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.010

2015-12-10；

2016-01-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375317)

蘇曉云(1969—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，(E-mail)1290975102@qq.com。

TH140;TG

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