閆海鵬 吳玉厚 宗宇鵬

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

?

CVD涂層刀具高速銑削大理石試驗(yàn)*

閆海鵬 吳玉厚 宗宇鵬

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

為了探索高速銑削大理石的切削特性，改善大理石加工表面質(zhì)量，使用CVD氮化鈦涂層刀具進(jìn)行高速銑削大理石試驗(yàn)。通過(guò)顯微鏡觀測(cè)刀具磨損表面，并采用網(wǎng)格法計(jì)算出刀具磨損面積，探討切削參數(shù)的改變與刀具磨損情況的關(guān)系；利用粗糙度測(cè)試儀檢測(cè)大理石加工表面粗糙度，研究切削參數(shù)對(duì)大理石加工表面質(zhì)量的影響。最終得到刀具磨損量和大理石表面粗糙度均與切削速度負(fù)相關(guān)，與進(jìn)給速度和切削深度正相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明：所建立的數(shù)學(xué)模型顯著性很高，能夠較準(zhǔn)確地揭示刀具磨損量和大理石表面粗糙度與切削參數(shù)間的關(guān)系，為合理選擇切削參數(shù)以提高大理石加工表面質(zhì)量提供了一定理論基礎(chǔ)。

CVD涂層刀具；大理石；切削特性；切削參數(shù)；表面質(zhì)量

大理石是一種典型的脆性石材，因具有高強(qiáng)度、高硬度以及良好的耐磨性等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、家居裝飾、機(jī)械行業(yè)等多種領(lǐng)域。但因其韌性較差，極難加工，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋或破碎，且加工不同成分的大理石也會(huì)影響刀具使用壽命。因此，有必要在加工前準(zhǔn)確地掌握影響刀具壽命與加工表面質(zhì)量的因素，以及它們之間的量化關(guān)系，而表面粗糙度是評(píng)價(jià)加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，其影響零件的可靠性、耐磨性、接觸剛度等多種性能[1]。

許多文獻(xiàn)利用不同的加工方法研究了大理石加工過(guò)程中刀具磨損與切削參數(shù)的關(guān)系[2-7]，分析了切削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響[8-9]。文獻(xiàn)[2]利用金剛石刀具對(duì)大理石進(jìn)行切割試驗(yàn)，建立刀具磨損的理論模型。文獻(xiàn)[5]給出了球頭銑刀磨損模型，并提出了誤差補(bǔ)償方法，保證了實(shí)際加工精度。文獻(xiàn)[7]利用激光技術(shù)對(duì)大理石進(jìn)行銑削加工，研究了加工表面質(zhì)量受不同石材類(lèi)別的影響規(guī)律，分析了激光銑削參數(shù)對(duì)銑削量和銑削質(zhì)量的影響情況。文獻(xiàn)[8]利用正交試驗(yàn)建立了基于徑向基的精密車(chē)削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)精度較高。

本文利用CVD氮化鈦涂層刀具進(jìn)行高速銑削漢白玉大理石試驗(yàn)[10-11]，建立了刀具磨損面積和大理石加工表面質(zhì)量與切削參數(shù)間的預(yù)測(cè)模型，分析了影響刀具使用壽命與加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文的研究為延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高加工表面質(zhì)量提供了一定實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)樣件

大理石主要化學(xué)成分是一種不溶于水的化合物——碳酸鈣。本文試驗(yàn)采用應(yīng)用較為廣泛的天然漢白玉石，其組成90%是方解石，6%是白云石，其他僅占4%。漢白玉石屬性如表1所示。

表1 漢白玉大理石屬性

屬性參數(shù)值吸水率0.16%體密度2800kg/m3抗彎強(qiáng)度10.3MPa抗壓強(qiáng)度1072MPa

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

機(jī)床：異型石材車(chē)銑加工中心(HTM50200)；粗糙度檢測(cè)設(shè)備：Taylor-Hobson粗糙度測(cè)試儀；掃描電子顯微鏡：蔡司顯微鏡；能譜分析儀：牛津能譜分析儀。試驗(yàn)刀具：D6CVD球頭銑刀，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)刀具主要參數(shù)

基體材質(zhì)涂層材料維氏硬度涂層厚度規(guī)格鎢鋼TiN103μmR3.0×L50

1.3 試驗(yàn)方案

分析研究多因素變化對(duì)某一事物的影響常采用正交試驗(yàn)方案。正交試驗(yàn)是依據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中整理出部分具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，大大減少了試驗(yàn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)，并且試驗(yàn)點(diǎn)擁有“均勻分散，齊整可比”的特性。本文研究切削參數(shù)的進(jìn)給速度、切削速度、切削深度3個(gè)單因素對(duì)切削力、刀具磨損面積以及大理石加工表面粗糙度的影響，綜合考慮機(jī)床功率、刀具強(qiáng)度及耐磨性等因素，每個(gè)因素選取4個(gè)水平，故采用L16(43)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)號(hào)切削速度vc/(m/min)進(jìn)給速度vf/(mm/min)切削深度ap/mm刀具磨損面積S/μm2表面粗糙度Ra/μm13810001962.0237238200021253.1843338300031684.0678438400042024.888457610002972.8985676200011101.8868776300041524.4986876400031753.77269114100031103.576410114200041584.30471111430001951.800412114400021062.791713152100041094.151514152200031003.49561515230002962.68941615240001821.6986

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高速銑削大理石刀具磨損分析

2.1.1 刀具磨損面積計(jì)算

利用高倍電子顯微鏡觀測(cè)刀具磨損表面，然后通過(guò)劃分網(wǎng)格的方法求得刀具磨損面積S值。各組試驗(yàn)的刀具磨損面積如表3所示。

2.1.2 刀具磨損面積與切削參數(shù)相關(guān)性

根據(jù)表4中的刀具磨損面積值，利用EXCEL軟件的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)處理功能分析刀具磨損面積與切削參數(shù)之間的關(guān)系。令刀具磨損面積為因變量，切削速度、進(jìn)給速度和切削深度三個(gè)切削參數(shù)均為自變量，研究確定各個(gè)自變量對(duì)因變量的具體影響關(guān)系，如圖1所示。

圖1中分別繪出了刀具磨損面積與切削速度、進(jìn)給速度和切削深度的線性、二次、指數(shù)以及乘冪擬合曲線。從圖1a能夠看出，切削速度的增加可以減小磨損面積，各擬合曲線都能較好地給出磨損面積與切削速度的關(guān)系，但二次擬合曲線效果最佳，與試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)折線重合度最高，能夠更好體現(xiàn)切削速度對(duì)刀具磨損的影響。由于切削速度增加，將縮短切削刃與工件表面的單次接觸時(shí)間，致使刀具磨損面積趨于線性減小。從圖1b和圖1c可以看出，進(jìn)給速度和切削深度的增加均使刀具磨損面積增大，各曲線擬合效果均能很好地反映進(jìn)給速度和切削深度對(duì)刀具磨損的變化規(guī)律，但對(duì)于圖1b乘冪擬合效果更好些，對(duì)于圖1c乘冪擬合卻較其他曲線擬合效果較差些。當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到2 000 mm/min時(shí)，再增加進(jìn)給速度將減緩刀具磨損面積的增大，因?yàn)樵诖诉M(jìn)給速度下加工已經(jīng)導(dǎo)致刀具表面整體磨損現(xiàn)象，再提高進(jìn)給速度也不會(huì)明顯增加磨損面積，但是仍然會(huì)使磨損面積增大。切削深度的增加導(dǎo)致刀具與工件接觸面積增加，從而增大了刀具摩擦表面，加劇了刀具表面磨損情況。

為了更好體現(xiàn)擬合曲線的好壞，對(duì)各擬合曲線的擬合優(yōu)度進(jìn)行分析，各曲線參數(shù)值和擬合程度值如表4所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，又建立了切削參數(shù)與刀具磨損面積的皮爾遜相關(guān)系數(shù)如表5所示。

表4 擬合曲線及相應(yīng)擬合優(yōu)度

切削參數(shù)方程參數(shù)估計(jì)值常數(shù)b1b2擬合優(yōu)度R2切削速度線性166.12-0.44540.99305二次158.31-0.2398-1.08×10-30.99982指數(shù)173.56-0.00370.97885乘冪435.35-0.28650.88872進(jìn)給速度線性94.0000.01190.94420二次85.5630.0204-2×10-60.95933指數(shù)96.2140.00010.92838乘冪23.3070.21600.97139切削深度線性71.12521.0750.96491二次79.56212.6381.68750.96986指數(shù)79.1180.17160.96734乘冪91.4630.35730.90997

表5 切削參數(shù)與磨損面積皮爾遜相關(guān)性

切削參數(shù)切削速度進(jìn)給速度切削深度切削面積-0.996520.971700.98230

擬合優(yōu)度R2為0～1的數(shù)，其值越接近1，擬合效果越好，可靠性越高，若R2=1則表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)全部在擬合曲線上，擬合程度最高，也最可靠。表5中切削速度與切削深度對(duì)磨損面積影響的各擬合曲線的擬合優(yōu)度均接近1，說(shuō)明擬合效果均較好。但比較R2值可知，切削速度與切削深度對(duì)刀具磨損面積影響的擬合曲線中，都是二次多項(xiàng)式R2值最大，擬合效果更佳，更可靠。而進(jìn)給速度對(duì)刀具磨損面積影響的擬合曲線中，乘冪擬合的R2值最大，擬合程度更高。并且表5分析得出的結(jié)果與圖1中觀測(cè)結(jié)果一致。

表5中切削參數(shù)與磨損面積相關(guān)性的皮爾遜系數(shù)的絕對(duì)值均接近1，表明切削參數(shù)與磨損面積之間有著極強(qiáng)的相關(guān)性。切削速度與磨損面積間的系數(shù)值為負(fù)數(shù)，表明它們之間具有負(fù)相關(guān)性，即磨損面積隨切削速度的增大而減小，而進(jìn)給速度與切削深度與磨損面積的系數(shù)值均為正數(shù)，表明它們之間具有正相關(guān)性，即磨損面積隨進(jìn)給速度和切削深度的增加也變大。

為了更加形象描述切削參數(shù)對(duì)刀具磨損面積的綜合影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[12]，建立刀具磨損面積與切削參數(shù)關(guān)系模型如式(1)所示。

(1)

式中：b1、b2、b3是各項(xiàng)指數(shù)；k是與工件材料、刀具材料、切削條件等有關(guān)的系數(shù)。

將式(1)兩端取對(duì)數(shù)，有

lnS=lnk+b1lnvc+b2lnvf+b3lnap

(2)

令b0=lnk，x1=lnvc，x2=lnvf，x3=lnap，y=lnS，并代入式(2)有

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(3)

利用EXCEL軟件中的LINEST函數(shù)對(duì)式(3)參數(shù)估計(jì)，并對(duì)擬合結(jié)果作回歸分析，檢驗(yàn)其顯著性。計(jì)算后得到數(shù)學(xué)模型如式(4)所示，擬合優(yōu)度與顯著性值如表6所示。

(4)

表6 刀具磨損面積公式顯著性分析結(jié)果

磨損面積S擬合優(yōu)度R2F檢驗(yàn)S0.8547228.26

表6中擬合優(yōu)度R2=0.854 72，較接近1，顯著性檢驗(yàn)值F=28.26>F0.01(3,12)=5.95，表明顯著性很高，擬合效果較好，即利用式(4)作為刀具磨損面積計(jì)算公式有很高的可信度。式(4)的給出不僅驗(yàn)證了以上分析的正確性，同時(shí)還可以判斷出影響刀具磨損面積最大的因素是切削深度，切削速度次之，進(jìn)給速度對(duì)刀具磨損面積的影響最小。同時(shí)還可以分析出刀具磨損面積與進(jìn)給速度和切削深度正相關(guān)，與切削速度負(fù)相關(guān)。

由以上分析可知，提高切削速度可以減小刀具磨損面積，有利于延長(zhǎng)刀具的使用壽命。提高進(jìn)給速度與切削深度并不能改善刀具磨損情況，增加切削深度反而會(huì)使刀具磨損面積明顯增大。因此要改善刀具磨損狀況，提高刀具使用壽命，在高速銑削大理石過(guò)程中應(yīng)根據(jù)加工需要合理選擇進(jìn)給速度和切削深度，在允許條件下盡量提高切削速度。

2.1.3 刀具磨損形態(tài)分析

利用高倍顯微鏡觀測(cè)各組試驗(yàn)刀具磨損表面形態(tài)，其形貌特征主要表現(xiàn)為各種磨損、犁溝、崩刃以及涂層與基體剝離，此外還有加工過(guò)程中刀具前刀面殘留的積屑瘤。采用能譜分析儀檢測(cè)刀具磨損區(qū)域元素成分，其主要有氧、鈣、碳、硅、鎂等元素，它們均為天然大理石的基本化學(xué)成分。由于加工過(guò)程中溫度非常高，使切削下來(lái)的材料粘結(jié)在前刀面上從而形成積屑瘤。積屑瘤的形成會(huì)增大刀具前角，使刀具變得較鋒利，但如果加工環(huán)境不穩(wěn)定，在加工過(guò)程中積屑瘤將會(huì)破裂，致使刀具表面顆粒剝落，從而導(dǎo)致刀具磨損狀況加劇，也影響加工表面質(zhì)量。

2.2 高速銑削大理石表面粗糙度分析

2.2.1 大理石表面粗糙度測(cè)量

清洗加工試件并風(fēng)干，利用粗糙度檢測(cè)儀在加工表面隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)取長(zhǎng)度50 mm檢測(cè)，用5個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值Ra表示表面粗糙度。最終得到大理石表面粗糙度值如表3所示。

2.2.2 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響分析

圖2給出了不同切削參數(shù)試驗(yàn)條件下的4組試驗(yàn)結(jié)果表面質(zhì)量比較。從圖2a～d的切削參數(shù)變化可以看出，加工大理石表面質(zhì)量逐漸得到改善。隨著切削速度的提高，切削區(qū)域溫度將不斷上升，導(dǎo)致切屑底層軟化，使已加工表面顆粒不易脫落，切屑不被粘著在加工表面，同時(shí)加工表面塑性變形程度也會(huì)減小，使顆粒迅速被切斷而脫落，抑制了凹坑與裂紋的生成。圖2a中能夠明顯看出刀具切削刃劃過(guò)加工表面產(chǎn)生的犁溝，也能看到顆粒脫落產(chǎn)生的凹坑，圖2d在切削速度較大，進(jìn)給速度與切削深度相對(duì)較小的加工條件下，得到了較好的加工表面質(zhì)量。

圖3給出了各切削用量對(duì)表面粗糙度的影響關(guān)系。由圖3可知，在試驗(yàn)設(shè)定切削參數(shù)范圍內(nèi)，高速銑削大理石過(guò)程中，隨著切削速度的提高，工件表面粗糙度有所減小，隨著進(jìn)給速度與切削深度的增加，表面粗糙度不斷增大。提高切削速度，可抑制積屑瘤的產(chǎn)生，得到較小表面粗糙度，從而改善表面質(zhì)量；增加進(jìn)給速度，將加大切削振動(dòng)，導(dǎo)致表面粗糙度變大，表面質(zhì)量下降；增加切削深度加大了刀具與工件接觸面積，增大了切削力，進(jìn)而加劇了刀具與加工表面的摩擦，容易產(chǎn)生凹坑或裂紋，降低了表面光潔度，加大了表面粗糙度。

2.2.3 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型

表面粗糙度是評(píng)價(jià)加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，若在加工前能夠根據(jù)加工參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)加工表面粗糙度，便可根據(jù)調(diào)節(jié)加工參數(shù)更好地實(shí)現(xiàn)所要求的加工質(zhì)量。這樣可以降低加工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少粗糙度檢測(cè)環(huán)節(jié)，有效控制粗糙度值，從而提高對(duì)大理石加工的表面質(zhì)量。

仿照刀具磨損面積與切削參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的建模方法，最終得到大理石加工表面粗糙度預(yù)測(cè)模型如式(5)所示。

(5)

計(jì)算式(5)擬合優(yōu)度得R2=0.999 77，接近1，顯著性檢驗(yàn)F=17 625.04>F0.01(3,12)=5.95，表明擬合效果極佳。由式(5)可知，切削深度值與進(jìn)給速度指數(shù)均為正，表明其值若增大，表面粗糙度值也會(huì)增大，切削速度指數(shù)為負(fù)，說(shuō)明其值若增大，表面粗糙度值會(huì)減小。切削深度指數(shù)最大，是對(duì)表面粗糙度影響最大的因素，進(jìn)給速度指數(shù)非常小，其值變化對(duì)表面粗糙度影響不明顯。

式(5)揭示了切削參數(shù)對(duì)大理石加工表面粗糙度的影響規(guī)律，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)CVD涂層刀具加工漢白玉大理石的加工表面粗糙度，為提高大理石加工表面質(zhì)量提供了一定參考價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)利用CVD氮化鈦涂層刀具進(jìn)行高速銑削天然大理石試驗(yàn)，得到刀具磨損面積與大理石加工表面粗糙度均隨切削速度的增大而呈減小趨勢(shì)，均隨進(jìn)給速度與切削深度的增加而呈變大趨勢(shì)。

(2)分析試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，利用EXCEL分別建立了刀具磨損面積和大理石加工表面粗糙度與切削參數(shù)間的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)均有很高的顯著性與較強(qiáng)的擬合優(yōu)度。進(jìn)一步分析模型各項(xiàng)指數(shù)得到刀具磨損面積和大理石加工表面粗糙度受切削深度改變的影響最大，受切削速度改變的影響較小，受進(jìn)給速度改變的影響最小。因此，控制好切削深度是提高大理石加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵。

(3)在利用CVD涂層刀具加工大理石時(shí)，根據(jù)所建模型能夠較準(zhǔn)確地揭示刀具磨損面積和大理石表面粗糙度與切削參數(shù)間的關(guān)系，可以通過(guò)調(diào)解切削參數(shù)來(lái)控制刀具磨損，減小加工表面粗糙度值。因此，所建預(yù)測(cè)模型可以為提高大理石加工表面質(zhì)量提供了一定參考價(jià)值。

(4)提高切削速度可以避免積屑瘤的產(chǎn)生，降低刀具磨損量，增加刀具使用壽命，改善大理石加工表面質(zhì)量。適當(dāng)選擇較小的進(jìn)給速度與切削深度可以減小加工表面粗糙度值，有利于獲得較好的表面質(zhì)量。

[1]段春爭(zhēng),郝清龍. 45鋼高速銑削表面粗糙度預(yù)測(cè)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36 (9):1229-1233.

[2]Ilio A D, Togna A. A theoretical wear model for diamond tools in stone cutting[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2003, 43:1171-1177.

[3]Turchetta S. Cutting force and diamond tool wear in stone machining[J]. Int J Adv Manuf Technol,2012, 61:441-448.

[4]Yurdakul M, Akdas H. Prediction of specific cutting energy for large diameter circular saws during natural stone cutting[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2012, 53:38-44.

[5]張臣,周來(lái)水,安魯陵,等. 球頭銑刀刀具磨損建模與誤差補(bǔ)償[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(2):207-212.

[6]吳玉厚,閆廣宇,趙德宏,等. CVD復(fù)合涂層刀具在天然大理石切削中的磨損特性[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2014,30(4):712-719.

[7]袁根福,曾曉雁. 大理石的激光銑削加工試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)激光,2003,30(3):275-278.

[8]王興盛,康敏,傅秀清,等. 鏡片精密車(chē)削表面粗糙度預(yù)測(cè)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(15):192-198.

[9]鞏亞?wèn)|,張金峰,張永震,等. 微尺度高速銑削表面質(zhì)量的試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(13):190-198.

[10]Bagci E. 3-D numerical analysis of orthogonal cutting process via mesh-free method[J]. International Journal of Physical Sciences,2011, 6(6):1267-1282.

[11]任文祥,吳玉厚,閆廣宇. CVD氮化鈦涂層刀具加工天然大理石的磨損特性[J]. 潤(rùn)滑與密封,2014,39(3):71-74.

[12]閆海鵬,吳玉厚,宗宇鵬. CVD涂層刀具高速銑削大理石切削力研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2016(3):24-28.

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見(jiàn)調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Experiment on high speed milling marble using CVD coating tools

YAN Haipeng, WU Yuhou, ZONG Yupeng

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

The paper aims to explore the cutting characteristics of high speed milling marble and to improve the surface quality of marble processing. A high speed milling marble test using CVD titanium nitride coating was carried out. To study the relationship between the cutting parameters and the tool wear conditions, the tool wear surfaces were observed through the microscope and the tool wear areas were calculated by the grid method. The machined marble surface roughnesses were detected by the roughness tester to probe the influence of the cutting parameters on the marble surface quality. It’s found that the tool wear losses and the marble surface roughness have negative correlation with the cutting speed, but positive correlation with the feed rate and the cutting depth. The experimental results show that the established mathematical models are significant in revealing the relationships between the cutting parameters and the tool wear losses and the marble surface roughness. Therefore it provides a theoretical basis for the proper selection of cutting parameters to improve the surface quality of marble processing.

CVD coating tools;marble; cutting characteristics; cutting parameters; surface quality

* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51375317) ; 遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 2014020069) ; 教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃( ITR1160)

TH161+.1;TG711;TG506.1

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.018

閆海鵬，男，1987年生，在讀博士，研究方向?yàn)榇嘈圆牧霞庸ぁ⒐に噮?shù)優(yōu)化。

(編輯 高 揚(yáng))

2016-04-26)

161125