闕燚彬

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西 柳州545006）

0 前言

316L不銹鋼是醫(yī)療器械及海水淡化工程所用的主要材料，屬難加工材料。高速加工有減少切削力、排屑效果好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)控加工的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，小型輪廓銑削是醫(yī)療器械及海水淡化工程部件加工時(shí)經(jīng)常遇到的加工難點(diǎn)。目前國內(nèi)外對(duì)小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼項(xiàng)目鮮有研究，確定試驗(yàn)方案及相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化銑削工藝參數(shù)，對(duì)提高加工效率、降低加工成本有重要意義。

1 單因素試驗(yàn)及結(jié)果分析

單因素實(shí)驗(yàn)是指對(duì)一個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而將其他因素都固定，從而得到每個(gè)因素的優(yōu)選值。本文采用單因素實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了切削速度、徑向切深、軸向切深和進(jìn)給速度對(duì)加工切削合力和振動(dòng)的影響規(guī)律研究。

為避免切削量引起的誤差，試驗(yàn)采用單側(cè)順銑方式，從右到左，從下到上依次銑削，切削示意圖如圖1所示[1]。

圖1 切削走刀示意圖

1.1 切削速度的影響

為保證工件的加工質(zhì)量，不銹鋼的小直徑銑刀高速銑削特別需要控制好加工產(chǎn)生的切削力及工藝系統(tǒng)振動(dòng)。

1.1.1 切削速度對(duì)徑向切削力的影響

圖2是切削合力F隨切削速度的變化關(guān)系，可見，在軸向切削深度、徑向切削深度和切削進(jìn)給量不變時(shí)，切削合力并不是單一的隨著切削速度的增大而增大或減小，當(dāng)切削速度從40 m/min增加到60 m/min時(shí)其切削合力下降了10%左右，而當(dāng)切削速度從60 m/min增大到80 m/min時(shí)其切削力增加了50%左右，當(dāng)切削速度從80 m/min增大到100 m/min再到120 m/min時(shí)其切削合力是逐步降低的。其中當(dāng)切削速度從80 m/min增大到100 m/min時(shí)切削合力下降增加了60%左右，切削速度從100 m/min增大到120 m/min時(shí)切削合力下降了10%左右。

切削速度上到80 m/min對(duì)降低切削合力有顯著效果，所以正交試驗(yàn)的切削速度水平選擇80 m/min、100 m/min、120 m/min較好。

圖2 切削合力、振動(dòng)隨切削速度的變化曲線

1.1.2 切削速度對(duì)振動(dòng)的影響

從圖2中可知，隨著切削速度的增加，振動(dòng)的幅值越來越大，當(dāng)切削速度達(dá)到100 m/min時(shí)，振動(dòng)幅值開始有下降趨勢(shì)。對(duì)比切削速度對(duì)切削合力的影響曲線圖，根據(jù)能量衰減理論，切削振動(dòng)在一定程度上反映了一種能量，隨著切削速度的增加，切削振動(dòng)逐漸增大，切削蓄積能量也逐漸增大，隨著刀齒的進(jìn)給移動(dòng)，能量發(fā)生衰減，能量的衰減致使刀具發(fā)生振動(dòng)，切削速度的增大使能量的衰減減慢，致使加工過程更加不穩(wěn)定，加工時(shí)的振動(dòng)更加劇烈。

1.2 徑向切深的影響

在不銹鋼的小直徑銑刀高速銑削過程中，徑向切深的大小直接影響到工件的固有剛度，進(jìn)而影響到銑削時(shí)的切削合力和振動(dòng)幅值，通過對(duì)徑向切深的分析可以有效研究徑向切深對(duì)加工特性的影響。

1.2.1 徑向切深對(duì)切削力的影響

從圖3可知在不銹鋼的小直徑銑刀高速銑削時(shí)，切削合力F隨徑向切深的增大緩慢增大，變化幅度不大，其主要原因是由于切深較小時(shí)工件的讓刀變形致使實(shí)際切削深度均較小，切削體積變化也較小，致使切削力變化趨勢(shì)不大。

圖3 切削合力、振動(dòng)隨徑向切深的變化曲線

1.2.2 徑向切深對(duì)振動(dòng)的影響

從圖3可知在切深從0.04 mm增加到0.08 mm段，加工時(shí)的振動(dòng)幅值較為平穩(wěn)，并在切深0.06 mm增加到0.08 mm段，振動(dòng)幅值有緩慢增加。切深從0.08 mm增加到0.1 mm段，振動(dòng)幅值有20%的下降，在0.1 mm增加到0.12 mm變化不大。

1.3 軸向切深的影響

軸向切深變化直接影響到金屬切削體積的變化，進(jìn)而加工時(shí)的力和振動(dòng)，最終將影響到工件的加工質(zhì)量。以下通過單因素法采用不同的軸向切深分析加工時(shí)軸向切深對(duì)工件加工過程的影響。

1.3.1 軸向切深對(duì)切削力的影響

從圖4可知，在軸向切深從0.04 mm增加到0.06 mm段，切削合力成緩慢下降趨勢(shì)，總共下降5%左右，軸向切深從0.06 mm增加到0.12 mm段，切削合力都成緩慢上升趨勢(shì)，其中0.06 mm到0.08 mm、0.08 mm到0.1 mm、0.1 mm到0.12 mm各段切削合力的增大值都在5%左右。

圖4 切削合力、振動(dòng)隨軸向切深的變化曲線

1.3.2 軸向切深對(duì)振動(dòng)的影響

隨著軸向切深的增大，實(shí)際切削量也逐漸增大，致使切削力增加，工件的回彈振動(dòng)增強(qiáng)，從圖4可以看出，隨著軸向切深的增大，振動(dòng)幅值逐漸增加。0.04 mm 到 0.06 mm、0.06 mm 到 0.08 mm、0.08 mm到0.1 mm、0.1 mm到0.12 mm各段的振動(dòng)幅值增加量保持在5%左右。

1.4 進(jìn)給速度的影響

進(jìn)給速度的變化不僅會(huì)引起切削層厚度的變化進(jìn)而影響切削力，還會(huì)改變刀屑的摩擦系數(shù)和切削剛度，對(duì)加工的振動(dòng)有較大影響。

1.4.1 進(jìn)給速度對(duì)切削力的影響

從圖5可知，隨著進(jìn)給速度的增大，徑向切削力也逐漸增大，但增加趨勢(shì)平緩，沒有大的拐點(diǎn)，主要由于進(jìn)給量的增加會(huì)引起切削層厚度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致單位切削量的增加,在進(jìn)給速度從0.02 mm到0.025 mm時(shí)切削力增加了20%左右。

圖5 切削合力、振動(dòng)隨進(jìn)給速度的變化曲線

1.4.2 進(jìn)給速度的振動(dòng)的影響

從振動(dòng)隨進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)圖5可以看出，進(jìn)給量的變化是引起工件加工穩(wěn)定性的主要因素之一，從切削力隨進(jìn)給速度變化曲線可以看出，因?yàn)檫M(jìn)給速度的增大導(dǎo)致了切削層厚度的增加，引起了切削力的增加，但進(jìn)給量的增大亦會(huì)導(dǎo)致變形系數(shù)以及切削層摩擦系數(shù)的減小，從而使得工件加工時(shí)的穩(wěn)定性有所提高，工藝系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定性有所好轉(zhuǎn)。但是，如果進(jìn)給速度持續(xù)增加，持續(xù)增大的切削力影響了銑削過程穩(wěn)定性，進(jìn)而引起振動(dòng)增大。

根據(jù)各因素的切削合力和振動(dòng)單因素分析結(jié)果可知，正交試驗(yàn)的四個(gè)因素水平應(yīng)取表1所列較為理想。

表1 外形輪廓銑削正交試驗(yàn)參數(shù)表

2 因素交互試驗(yàn)

通過對(duì)各因素取放大試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行兩兩交互試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)值內(nèi)是否存在較強(qiáng)的交互作用。小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼外形輪廓的試驗(yàn)方案如表2至表7所示。為了減少試驗(yàn)的主觀誤差，試驗(yàn)結(jié)果采用重復(fù)三次求平均得到[2]。

表2 切削速度與軸向切深的試驗(yàn)參數(shù)表

表3 切削速度與進(jìn)給速度的試驗(yàn)參數(shù)表

表4 切削速度與徑向切深的試驗(yàn)參數(shù)表

表5 軸向切深與進(jìn)給速度的試驗(yàn)參數(shù)表

表6 軸向切深與徑向切深的試驗(yàn)參數(shù)表

表7 徑向切深與進(jìn)給速度的試驗(yàn)參數(shù)表

判別兩個(gè)因素是否有交互作用，基本方法是按試驗(yàn)安排表2～7所示的二元表進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，如相應(yīng)的參數(shù)連線相交，就是交互作用很強(qiáng)的一種表現(xiàn)[3]。

通過分析交互試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切削速度與進(jìn)給速度、軸向切深與徑向切深兩組在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)對(duì)切削合力結(jié)果有較強(qiáng)的交互作用。因此，正交試驗(yàn)將考慮這兩組交互作用。

3 結(jié)束語

通過對(duì)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的結(jié)果分析，本試驗(yàn)根據(jù)四因素三水平L27（313）正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn)。四個(gè)因素水平取值如表1所列，考慮切削速度與進(jìn)給速度、軸向切深與徑向切深兩組的交互作用。本文得出的結(jié)論為開展316L不銹鋼小直徑高速銑削參數(shù)優(yōu)化研究確定了試驗(yàn)方案，奠定了基礎(chǔ)。