姜 文，張 恒，嚴(yán)由春，王樹林

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

馬氏體不銹鋼是一種可以通過淬火、回火等熱處理方式進(jìn)行組織強(qiáng)化，從而獲得較高的硬度及耐磨性的不銹鋼。這類不銹鋼廣泛應(yīng)用于汽車配件、醫(yī)療器件、泵閥類鑄件等領(lǐng)域[1]。馬氏體不銹鋼具有良好的耐磨性、抗腐蝕性以及良好的綜合力學(xué)性能，但在機(jī)械加工中，它屬于一種難加工材料。它的難加工性主要體現(xiàn)為：高的強(qiáng)度和硬度；高延展性和低導(dǎo)熱率；加工硬化嚴(yán)重；與其他元素親和性強(qiáng)，易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，從而在刀具上形成積屑瘤[2]。因此，在加工馬氏體不銹鋼時如何延長刀具的使用壽命、提高生產(chǎn)率成為廠家十分關(guān)注的問題。閆光明等[3]對不銹鋼加工刀具的磨損進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了切削用量對刀具耐用度的影響程度；陳龍等[4]通過正交實驗分析了銑削AISI410不銹鋼時刀具壽命變化規(guī)律，并歸納出刀具壽命模型；CHAKRABORTY等[5]的研究表明在不銹鋼銑削過程中切削速度對刀具后刀面磨損的影響最大。國內(nèi)外的大部分研究都是針對各切削用量對刀具壽命的影響，很少結(jié)合生產(chǎn)實際，通過綜合刀具壽命和切削效率、生產(chǎn)成本來分析選取合理的切削參數(shù)。本文立足于生產(chǎn)實際，針對銑削馬氏體不銹鋼的刀具磨損問題，通過實驗得出不同切削參數(shù)對刀具磨損的影響規(guī)律，并以利潤最大化為優(yōu)化目標(biāo)，選取出一組較優(yōu)的切削參數(shù)，對提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本具有一定的指導(dǎo)意義。

1 切削參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則

在生產(chǎn)中，選用不同的切削參數(shù)會對刀具壽命和切削效率產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響生產(chǎn)成本和生產(chǎn)產(chǎn)量。為了使利潤最大化，在選取切削參數(shù)的時候需要考慮材料的去除率Vt和總的去除體積V。材料的去除率Vt反映了單位時間內(nèi)去除的材料體積，即切削效率；材料的去除體積V反映了刀具在壽命范圍內(nèi)可切除的材料體積，即刀具在壽命內(nèi)可加工的產(chǎn)品數(shù)量。理論上，人們希望得到高的切削效率，同時保證刀具壽命較長。但實際上這兩個指標(biāo)是相互矛盾的，切削效率高了，刀具壽命會降低，刀具成本會上升。為了在優(yōu)化切削參數(shù)時能夠兼顧到切削效率和切削總量，本文提出了一個新的切削參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)V0。切削參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)V0的表達(dá)式為：

V0=VtV

(1)

其中：

Vt=vfzapaez

(2)

V=Vtt

(3)

式中：v為切削速度；fz為進(jìn)給量；ap為軸向切深；ae

為徑向切深；z為刀具刃數(shù)；t為刀具壽命。

V0可以綜合反映不同切削參數(shù)對切削效率及生產(chǎn)成本的影響，V0值越大，表明生產(chǎn)利潤越高，切削參數(shù)越優(yōu)。

2 實驗方案

2.1 實驗條件

該實驗采用的材料材質(zhì)為SUS416(國內(nèi)牌號為Y1Cr13)，是馬氏體不銹鋼的一種，屬于難加工材料。材料規(guī)格為100mm×60mm×24mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

表1 SUS416的化學(xué)成分 %

表2 SUS416的力學(xué)性能

實驗使用的機(jī)床為FANUC ROBODRILL a-D21立式加工中心(如圖1所示)，刀具采用φ6的4刃硬質(zhì)合金立銑刀，刀具前角為6°，后角為10°,螺旋角為45°,刀具涂層為TiAlN(如圖2所示)。測量儀器采用大景深顯微鏡，加工方式采用順銑的方式。

圖1 加工中心

圖2 實驗銑刀

2.2 實驗設(shè)計

實驗采用全因素的設(shè)計方法，每間隔一段時間測量一次刀具后刀面的磨損量。設(shè)定試驗中刀具允許的最大后刀面磨損量為0.4mm(保證已加工表面的粗糙度值小于0.8μm),任意一個刃的后刀面達(dá)到最大磨損量時實驗結(jié)束，記錄切削時間。實驗分別采取4個切削速度(90m/min、120m/min、150m/min、180m/min),2個進(jìn)給量(0.12mm/r、0.16mm/r),2個切削深度(0.2mm、0.4mm)和1個徑向切深(4mm)。全因素實驗數(shù)據(jù)安排及測量結(jié)果見表3。

表3 實驗數(shù)據(jù)及測量結(jié)果

2.3 實驗結(jié)果分析

2.3.1刀具磨損分析

通過實驗，測得了在不同切削速度下的刀具磨損曲線，如圖3所示。

通過觀察分析圖3中的曲線可知，在同一進(jìn)給量和切削深度下，不同切削速度的刀具磨損曲線存在著很大的差異[6]。隨著切削速度的提高，刀具的壽命下降。在速度較低時(v=90m/min,v=120m/min),刀具磨損曲線存在正常的3個磨損階段，即初期磨損階段、正常穩(wěn)態(tài)磨損階段和劇烈磨損階段，并在后刀面的磨損量VB=0.25mm左右時，刀具處于正常穩(wěn)態(tài)磨損階段。在速度較高時(v=150m/min,v=180m/min)，刀具磨損過程不存在明顯的3個磨損階段，刀具磨損基本呈現(xiàn)線性增長。造成這一現(xiàn)象的原因是隨著切削速度的增大，單位時間內(nèi)切削刃參與的切削次數(shù)增加，摩擦與塑性變形功變大，同時刀具溫度升高，刀具的涂層材料剝落現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致刀具材料與工件材料的粘結(jié)加重，降低了刀具的耐用度，加劇了刀具磨損程度[7]。

圖3 不同切削速度下刀具磨損曲線

在進(jìn)給量和軸向切深較大時，不同速度下刀具磨損基本呈現(xiàn)線性規(guī)律(如圖3(d)所示)，且刀具壽命有了明顯的降低。原因是隨著進(jìn)給量和軸向切深的增大，材料的去除率變大，切削力變大，摩擦功增大，使刀具表面產(chǎn)生大量的切削熱，再加之馬氏體不銹鋼切屑不易折斷，使得切削過程不穩(wěn)定，從而降低了刀具的耐用程度，造成刀具磨損加劇。

通過分析對比不同的磨損曲線可以看出，切削速度對刀具的壽命影響最大。在中低速(v=90m/min,v=120m/min)，切削深度與進(jìn)給量對刀具壽命的影響程度相差不大；在中高速(v=150m/min,v=180m/min)，進(jìn)給量對刀具壽命的影響程度明顯大于切削深度對刀具壽命的影響程度。因此，在高速加工時，可以選擇小的進(jìn)給量和較大的切削深度來提高刀具的壽命和生產(chǎn)效率。

2.3.2切削參數(shù)的優(yōu)化選擇

根據(jù)測量結(jié)果以及前面給出的表達(dá)式，繪制出不同切削參數(shù)下的V0對比圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同切削參數(shù)的V0對比圖

從圖4中可以看出，第10組參數(shù)的V0值最大，因此可以認(rèn)為該組對應(yīng)的參數(shù)組合是一組較優(yōu)的切削參數(shù)。

3 生產(chǎn)產(chǎn)量及成本對比

為了更加直觀地反映生產(chǎn)中不同切削參數(shù)對生產(chǎn)產(chǎn)量及生產(chǎn)成本的影響，現(xiàn)以工廠加工某一產(chǎn)品為例(材質(zhì)為SUS416)，對16組不同的切削參數(shù)加工該產(chǎn)品進(jìn)行為時一天的生產(chǎn)產(chǎn)量及生產(chǎn)成本追蹤。生產(chǎn)成本主要包括原材料成本、刀具成本、人工成本以及設(shè)備和能耗成本，本文選用對生產(chǎn)成本影響較大的刀具成本和人工成本進(jìn)行分析。其中，人工成本與生產(chǎn)產(chǎn)量有關(guān)，產(chǎn)量越高，人工成本越低。單件產(chǎn)品的刀具成本Cx的表達(dá)式為：

(4)

式中：Ct為生產(chǎn)所用刀具總成本；Q為生產(chǎn)產(chǎn)量。

刀具總成本Ct與刀具的壽命即切削時間t有關(guān)。t越大，刀具壽命越高，刀具的總成本Ct越低。生產(chǎn)產(chǎn)量Q與總的材料去除體積V和材料去除率Vt有關(guān)，理論上應(yīng)該是Vt越大，生產(chǎn)產(chǎn)量越高。但在實際生產(chǎn)中，還需考慮總的去除體積V。因為切削效率Vt變大，刀具壽命t會減小，對應(yīng)的V可能會減小，V的減小會增加對刀和換刀等輔助時間，導(dǎo)致生產(chǎn)產(chǎn)量降低。

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，繪制出了一天的生產(chǎn)產(chǎn)量對比統(tǒng)計圖，如圖5所示。刀具成本、人工成本與總成本的對比關(guān)系圖，如圖6所示。

圖5 生產(chǎn)產(chǎn)量統(tǒng)計圖

圖6 生產(chǎn)成本對比圖

從圖5中可以看出，第8,10,12,14,16組參數(shù)的生產(chǎn)產(chǎn)量處于較高水平。雖然第12、14、16組參數(shù)的切削效率較高，但是它們的刀具壽命較低，生產(chǎn)過程中換刀及對刀的時間會影響產(chǎn)量，因此總的生產(chǎn)產(chǎn)量相差不大。從圖6中可以看出，第10組參數(shù)的生產(chǎn)成本是最低的。原因是該組切削參數(shù)下的刀具壽命較長，生產(chǎn)產(chǎn)量較高，生產(chǎn)單件產(chǎn)品的刀具成本和人工成本最低，總的生產(chǎn)成本最低。因此，考慮到利潤最大化，在生產(chǎn)該產(chǎn)品時，該組切削參數(shù)是一組較優(yōu)的切削參數(shù)，與上面分析的實驗結(jié)果相符。

4 結(jié)束語

本文給出了不同切削參數(shù)對刀具磨損的影響規(guī)律，并結(jié)合實際生產(chǎn)以利潤最大化為目標(biāo)提出了一種切削參數(shù)的優(yōu)化指標(biāo)，對生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)作用。但在實際生產(chǎn)中，刀具的材料、幾何參數(shù)以及冷卻條件等因素對刀具的磨損也有一定的影響。后續(xù)將對這些因素展開大量的實驗，進(jìn)一步完善理論基礎(chǔ)，提出更為優(yōu)化的方法。

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