楊小軍，周 慧

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

PVD涂層刀具切削砂巖的磨損面積研究

楊小軍，周 慧

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

研究切削參數(shù)對PVD涂層刀具磨損面積的影響。利用正交試驗進行切削試驗，采用網(wǎng)格劃分方法計算刀具磨損面積，分析刀具磨損面積與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和切削深度之間的關(guān)系，根據(jù)試驗結(jié)果得到：提高主軸轉(zhuǎn)速能夠降低刀具磨損面積，增加進給速度與切削深度將使刀具磨損面積增大。根據(jù)經(jīng)驗公式，利用最小二乘法建立刀具磨損面積預(yù)測模型，通過F檢驗可知模型具有較高的顯著性，并得到切削參數(shù)中影響刀具磨損面積的主次關(guān)系為切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度。

刀具磨損面積；切削參數(shù)；網(wǎng)格劃分方法

0 引言

采用物理氣相沉積(PVD)方法獲得的Ti-N系列硬質(zhì)涂層刀具擁有高硬度、強耐磨性等優(yōu)點，能夠明顯提高刀具的切削性能，在切削加工中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。雖然，PVD刀具具有良好的性能，但在加工過程中仍然會產(chǎn)生磨損。刀具的磨損不僅影響刀具的使用壽命，而且也會降低加工表面質(zhì)量。

張少鋒等[3]研究了PVD氮化鈦涂層刀具在切削過程中的性能，并比較了刀具有無涂層時的切削性能；張嘯飛等[4]探討了PVD涂層刀具銑削砂巖的表面形貌；崔海冰等[5]利用激光照射法對TiN涂層刀具的抗熱沖擊性能進行了分析；王寧昌等[6]在高頻下對PVD Ti Cr Al N涂層刀具進行沖擊試驗，研究了涂層的抗沖擊性能，分析了涂層沖擊失效機理；E. Marin等[7]在鈦合金基體上利用PVD方法沉積 CrN或TiCN涂層，研究了PVD涂層刀具的耐磨性;李鋒等[8]利用PVD涂層刀具切削高溫合金GH4169，研究切削參數(shù)對切削表面粗糙度的影響，并建立了粗糙度的預(yù)測模型。雖然有很多文獻研究了PVD涂層刀具切削性能、磨損特性等，但對其磨損量分析及預(yù)測的研究鮮有報道。

本文通過正交試驗，研究切削參數(shù)對PVD涂層刀具磨損面積的影響規(guī)律，對試驗結(jié)果進行了曲線擬合，并建立了刀具磨損面積的預(yù)測模型。本文的研究為分析PVD涂層刀具磨損情況及延長刀具使用壽命提供了一定理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料及刀具

試驗切削材料選擇樹紋黃砂巖，其組成為石英65%、針鐵礦13%、黏土12%、其他成分10%，性能參數(shù)為密度2.28g/cm3、吸水率3.41%、肖氏硬度54HS、抗壓/抗彎強度72.5/4.47MPa。

本試驗使用切削外徑為6mm的PVD涂層硬質(zhì)合金刀具，刀具基體的切削部分鍍有TiN、Al2O3、TiCN復(fù)合涂層，涂層厚度為3μm，規(guī)格R3.0×L50。

2 試驗方案

本文試驗研究PVD涂層刀具切削砂巖時，改變切削參數(shù)，即主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和切削深度對刀具磨損面積的影響。試驗參數(shù)均為4水平，選取主軸轉(zhuǎn)速n為4000、6000、8000、10000(r/min)，進給速度v為200、400、600、800(mm/min)，切削深度ap為0.5、1.0、1.5、2.0(mm)，采用如表1所示的正交試驗表進行切削試驗。利用蔡司電子顯微鏡對每組試驗切削后的刀具表面進行觀察，并采用網(wǎng)格分析方法對刀具磨損區(qū)域進行網(wǎng)格大小為1×1μm的網(wǎng)格劃分，根據(jù)磨損區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量計算刀具磨損面積。試驗結(jié)果亦列于表1中。

表1 正交試驗表及試驗結(jié)果

3 切削參數(shù)對磨損面積的影響

圖1給出了PVD涂層刀具磨損面積受切削參數(shù)影響關(guān)系的試驗結(jié)果，同時繪制了刀具磨損面積與各切削參數(shù)的擬合曲線。

圖1a為刀具磨損面積隨主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，可以看出主軸轉(zhuǎn)速的提高能夠減少刀具的磨損。這是由于主軸轉(zhuǎn)速的升高，切削刃在單位時間內(nèi)參與切削加工的次數(shù)增多，使切刃背部單次摩擦磨損時間減少，有利于切削刃溫度的擴散，并且較大的切削速度將提高抑制積屑瘤的生成，因此減小對刀具表面的影響。

圖1b為刀具磨損面積隨進給速度的變化關(guān)系，進給速度的增加增大了刀具磨損面積。一方面，因為進給速度增大，意味著兩個刀刃之間的切削量增加了，這樣導(dǎo)致切削力增加，也會增大刀具的振動量，從而加大了刀具的磨損面積；另一方面，加大進給速度更容易導(dǎo)致切削刃背部被劃傷，致使刀具磨損加重。

圖1c為刀具磨損面積隨切削深度的變化關(guān)系，增大切削深度加劇了刀具的磨損，且導(dǎo)致刀具磨損面積增大較快，降低了刀具使用壽命。從圖中可以看到，增加很小量的切削深度，就會使刀具磨損面積有很大的增加，其原因為切削深度的增加使刀具與工件的接觸深度增加、接觸面積增大，在切削過程中切削刃與加工表面接觸前端產(chǎn)生的切削熱量不容易擴散，導(dǎo)致溫度升高，同時也將增大刀具與工件之間的摩擦，從而加劇刀具磨損。

此外，由擬合曲線可知，二次多項式擬合能夠很好地反應(yīng)切削參數(shù)對刀具磨損面積的具體關(guān)系，擬合優(yōu)度均達到了99.5%以上，而刀具磨損面積隨主軸轉(zhuǎn)速變化的擬合曲線實現(xiàn)了100%的擬合效果。由此表明本文的二次多項式擬合可充分體現(xiàn)單一切削參數(shù)對刀具磨損面積的影響規(guī)律。

(a) 磨損面積與主軸轉(zhuǎn)速擬合曲線

(b) 磨損面積與進給速度擬合曲線

(c) 磨損面積與切削深度擬合曲線圖1 刀具磨損面積與切削參數(shù)關(guān)系曲線

4 刀具磨損面積預(yù)測模型

4.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕⑹歉鶕?jù)長期的生產(chǎn)檢測，研究總結(jié)出加工參數(shù)對刀具磨損情況對應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。由于切削參數(shù)對刀具磨損面積的影響呈指數(shù)關(guān)系，本文建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿缡?1)所示。

(1)

式中，b1、b2、b3、k均為待估參數(shù)，其中b1、b2、b3為各切削參數(shù)項的指數(shù)，k為工件材料屬性、加工條件、切削溫度等對刀具磨損面積的影響系數(shù)。

4.2 參數(shù)估計

對式(1)兩邊取對數(shù)得到線性函數(shù)關(guān)系：

lnA=lnk+b1lnn+b2lnv+b3lnap

(2)

令b0=lnk，x1=lnn，x2=lnv，x3=lnap，y=lnA，并代入式(2)得：

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(3)

這樣，將磨損面積與切削參數(shù)的指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系。將試驗結(jié)果數(shù)據(jù)代入上式可得：

yi=b0+b1x1i+b2x2i+b3x3i+εi

(4)

其中，i=1～16表示第i組試驗，εi為誤差。式(4)的矩陣形式為：

Y=BX+ε

(5)

本文采用使誤差平方和最小化的最小二乘法估計式(3)中各參數(shù)，即式(6)中T值達到最小。

(6)

經(jīng)計算，得到待估參數(shù)值如表2所示。

表2 參數(shù)估計值

因此，建立PVD涂層刀具切削砂巖的刀具磨損預(yù)測模型為：

(7)

結(jié)合圖1及式(7)可知，影響刀具磨損面積最大的因素是切削深度，且隨著切削深度的增加磨損面積增大；其次是主軸轉(zhuǎn)速，而主軸轉(zhuǎn)速的提高將減小對刀具的磨損；影響最小的切削參數(shù)是進給速度，隨著進給速度的增加刀具磨損面積也將變大。

4.3 模型的顯著性檢驗

上述利用最小二乘法估計參數(shù)值建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⒉灰欢ň哂酗@著性，因此要對模型進行顯著性檢驗。本文應(yīng)用F檢驗方法對式(7)進行顯著性檢驗。

H0:b1=b2=b3=c=0

(8)

(9)

式中，SA為回歸平方和,SE為殘差平方和，n=16為試驗樣本數(shù)，p=3為獨立變量個數(shù)，α=0.01為顯著性水平。本文模型的SA=11902.5015，SE=451.3946，計算后有：

F=105.47>F0.01(3,12)=5.95

(10)

因此，可以得到本文建立的刀具磨損面受各切削參數(shù)影響的預(yù)測模型具有顯著性意義。此外，對各估計參數(shù)亦做了顯著性檢驗，結(jié)果列于表3。

表3 參數(shù)估計值

根據(jù)表3可知，除切削深度的指數(shù)系數(shù)不具有顯著性外，其他參數(shù)均顯著。

由以上分析可知，本文建立的刀具磨損面積模型可以根據(jù)切削參數(shù)很好地預(yù)測刀具磨損情況。

4.4 預(yù)測值與試驗值比較

利用預(yù)測模型對刀具磨損面積進行預(yù)測分析，并與試驗測量結(jié)果相比較，如表4所示。從表中可看到預(yù)測值與試驗值的最大相對誤差不超過10%，基本在5%以下，且第14組試驗參數(shù)得到的預(yù)測值與試驗測量值達到了零誤差。由此分析也可知道，本文建立的PVD涂層刀具切削砂巖刀具磨損面積預(yù)測模型具有較好的預(yù)測效果，為本文所用類型刀具的磨損分析提供了實驗與理論參考。

表4 預(yù)測值與試驗結(jié)果比較

為了更直觀分析預(yù)測效果，將各組試驗的刀具磨損面積預(yù)測值與試驗值比較結(jié)果繪制如圖2所示。

圖2 刀具磨損面積預(yù)測值與試驗值比較

5 結(jié)論

利用正交試驗進行PVD刀具切削砂巖試驗，分析了刀具磨損面積隨切削參數(shù)變化的規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 對試驗結(jié)果進行了二次多項式曲線擬合，實現(xiàn)了高達99.5%以上的擬合優(yōu)度，很好地表明了刀具磨損面積隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小，隨進給速度與切削深度的增加而增大的變化規(guī)律。

(2) 根據(jù)經(jīng)驗公式建立了刀具磨損面積與切削參數(shù)的關(guān)系模型，分析試驗結(jié)果與預(yù)測模型得到影響刀具磨損面積最大的因素是切削深度，其次是主軸轉(zhuǎn)速，最小的影響因素是進給速度。

(3) 對預(yù)測模型進行F檢驗具有顯著性，并將刀具磨損面積預(yù)測值與試驗值比較，相對誤差均未超過10%，表明預(yù)測模型具有較好的預(yù)測效果。

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(編輯李秀敏)

ResearchonWearAreaofPVDCoatingToolCutSandstone

YANG Xiao-jun, ZHOU Hui

(Baotou Iron and Steel Vocational Technical College, Baotou Inner Mongolia 014010, China)

The effect of cutting parameters on PVD coating tool wear area was studied. The cutting experiment was carried out using orthogonal test and the tool wear area was calculated by mesh method. Then the relationship between tool wear area and spindle speed, feed speed and cutting depth was analyzed. According to the experimental results, it was obtained that increasing the spindle speed could reduce the tool wear area, but increasing the feed speed and cutting depth would increase the tool wear area. On the basis of the empirical formula, the prediction model of tool wear area was established utilizing the least square method. And the F-test shows that the model has a high significance. Thus it is known that the major and minor relationship between the cutting parameters affecting tool wear area is the cutting depth, spindle speed and feed speed.

tool wear area; cutting parameter; mesh method

TH16;TG506

：A

1001-2265(2017)09-0059-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.015

2016-11-08；

：2016-12-12

楊小軍(1982—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向為機電一體化技術(shù)，(E-mail)716881688@qq.com。