王永鑫， 張昌明,2,3*

(1.陜西理工大學 機械工程學院， 陜西 漢中 723000；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院， 陜西 西安 710048；3.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

300M鋼作為超高強度鋼之一，由于其超高的強度、極強的硬度以及良好的韌性等綜合性能而被廣泛應用于航空、汽車、輪船等領域的關鍵承載力零部件中[1-3]，然而正因其高強高硬的特性，使切屑不易彎曲折斷，在加工過程中產(chǎn)生較大切削力和切削熱[4-5]，會嚴重影響加工表面質(zhì)量以及刀具的使用性能[6-8]，故屬于航空難加工材料[9]。

車削加工作為航空飛機起落架制造過程中不可或缺的加工工藝步驟[10]，司馬中文等[9]通過對300M鋼進行高速干車削加工，并分析了所選加工參數(shù)對工件表面粗糙度與殘余應力的影響，以此論述了對飛機起落架零部件生產(chǎn)制造的實際意義；邢萬強等[11]對淬硬后的300M鋼進行車削加工，通過對測得三個方向的殘余應力與平面應力狀態(tài)進行綜合分析而得到各參數(shù)對殘余主應力的影響規(guī)律；劉維民等[12]使用Al2O3基陶瓷刀具對300M鋼進行干切削加工試驗，通過微觀分析刀具磨損機理，得出了前后刀面的磨損情況結論；Wang Dong等[13]通過車削300M鋼，對加工刀具力學性能進行優(yōu)化分析，得出的優(yōu)化方法可用于特定加工中刀具新材料的設計和開發(fā)。然而，通過優(yōu)化切削參數(shù)來改善表面加工質(zhì)量和提高加工效率的研究還未見報道，因此得到更優(yōu)加工質(zhì)量分析的最優(yōu)加工參數(shù)組合尤為重要。

本文對300M鋼進行車削加工試驗，以其加工過程中所產(chǎn)生的切削力與表面粗糙度作為研究工件加工表面質(zhì)量優(yōu)劣的參評指標，通過使用多因素水平分析法對所設計的加工參數(shù)進行正交試驗，綜合分析車削因素對車削過程中所產(chǎn)生的切削力與表面粗糙度的影響規(guī)律。通過試驗測量結果對參評指標進行預測模型分析并以加工表面質(zhì)量以及加工效率為研究目標對加工參數(shù)進行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)參數(shù)組合為實際加工提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與刀具選擇

試驗采用300M超高強度鋼棒料，直徑尺寸30 mm，長度尺寸150 mm，其常溫狀態(tài)下化學成分以及機械性能分別如表1和表2所示。采用75°硬質(zhì)合金外圓車削刀具進行加工試驗，其前角為0°，后角為5°，刀尖半徑為0.04 mm。

表1300M鋼化學成分

元素成分CMnSiCrNiMoVPSFe質(zhì)量分數(shù)/%0.450.751.650.781.8250.360.060.0350.04Bal.

表2300M鋼機械性能

抗拉強度σb/MPa屈服強度σ0.2/MPa斷面收縮率ψ/%伸長率δ/%彈性模量E/GPa19301620329.2199

1.2 試驗條件

試驗采用CS6140車床進行加工，并使用9257B三向測力儀系統(tǒng)(瑞士Kistler公司生產(chǎn)，包含電荷放大器、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及分析軟件的測力系統(tǒng))對加工過程中產(chǎn)生的切削力進行實際測量和記錄分析，其實際切削過程試驗如圖1(a)所示；另一方面，在TA620測量平臺上使用TR210手持式表面粗糙度測量儀對車削加工后各組加工表面分別進行表面粗糙度的測量，選取取樣長度為0.25 mm，將測量所得數(shù)據(jù)進行分析處理，實際測量圖如圖1(b)所示。

(a) 實際車削試驗 (b) 表面粗糙度測量圖1 實際加工與測量

1.3 試驗方法

圖2 切削力分解示意圖

首先分析切削力模型，其分解示意圖如圖2所示。以主軸轉(zhuǎn)速n、進給量f以及切削深度ap作為本次車削加工試驗的主要研究對象，分別設置三個水平(水平選取由實際車床加工參數(shù)范圍選取)，設計得到水平因素表如表3所示，由表設計L9(33)正交試驗，分別得到切削力與表面粗糙度數(shù)值并加以討論分析結果。

2 試驗結果

2.1 切削力正交試驗結果

按照表3各水平因素設計的正交試驗方案以及各組測量的三向力結果如表4所示，其中各方向的力為車削加工過程中穩(wěn)定區(qū)域的最大值。

表3 水平因素表

表4正交試驗結果

編號轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)因素A進給量f/(mm·r-1)因素B切削深度ap/mm因素C進給力Fx/N背向力Fy/N切削力Fz/N16300.10.1408.92217.64272.6626300.150.2797.35393.23564.7836300.20.31 110.15513.21826.0148000.10.2728.02366.32523.3758000.150.31 044.49481.52796.8768000.20.1241.08176.49255.57710000.10.3946.99484.5706.78810000.150.1106.3181.7181.83910000.20.2755.17386.27600.01

2.2 表面粗糙度測量結果

將加工后的工件進行表面粗糙度測量，每組測量3次，取均值進行數(shù)據(jù)分析，測量結果如表5所示。

表5 表面粗糙度測量結果

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 切削力數(shù)據(jù)分析

3.1.1 直觀分析

將所測切削力按照3個因素的各個水平取均值并制作圖像以直觀分析各參數(shù)對切削力影響，如圖3所示?？梢缘贸?個參數(shù)對三向切削力的影響變化趨勢，綜合發(fā)現(xiàn)x方向上的力最大，其次為z方向的力，y方向力最小。下面分別對各因素進行分析。

(1)轉(zhuǎn)速對切削力的影響

轉(zhuǎn)速n逐漸上升的過程中，由圖3可以看出x方向的切削力下降趨勢最為顯著，z方向切削力下降趨勢較為平緩，y方向切削力隨著轉(zhuǎn)速增加先呈下降趨勢，而后緩慢上升，由此可知3個方向切削力隨轉(zhuǎn)速上升整體呈下降趨勢變化，這是因為當轉(zhuǎn)速增加時，切削溫度隨之上升，摩擦因數(shù)μ減小，從而導致切削力下降。因此在實際切削加工時，為減少切削力的產(chǎn)生，應選擇較高轉(zhuǎn)速進行車削加工，可以在獲得更高加工表面質(zhì)量的同時提升加工效率。

(2)進給量對切削力的影響

進給量f上升的過程中，由圖3可以得出3個方向切削力的變化。當進給量由0.1 mm/r增加至0.15 mm/r時，x方向切削力先呈下降趨勢，而隨著進給量繼續(xù)上升至0.2 mm/r時，F(xiàn)x又呈上升趨勢；Fz隨著進給量增加呈上升趨勢，且后段趨勢明顯高于前段；Fy隨著進給量上升并無明顯變化。因此可以得出，車削過程中的加工參數(shù)之一進給量對產(chǎn)生的切削力有一定影響，然而影響不顯著，隨著進給量上升，切削力緩慢上升，這是因為隨著進給量的上升，使切削面積增大，變形抗力隨之增大，因此導致切削力增大。

(3)切削深度對切削力的影響

切削深度ap上升過程中，由圖3顯然看出，3個方向的切削力均顯著上升，其中x方向切削力上升最為明顯，與進給量理論相同，隨著切削深度增加，切削面積增大，從而使切削變形增大，導致變形抗力與摩擦抗力顯著上升，然而，與進給量影響程度并不相同，切削深度對切削力的影響指數(shù)要高于進給量，這是因為進給量影響切削厚度的變化，而切削厚度增大會導致平均變形減小，因此切削深度對產(chǎn)生切削力的影響更為顯著，其變化趨勢明顯高于另外兩個因素對切削力的影響變化。

3.1.2 方差分析

由于直觀分析不能觀察試驗中必然誤差的缺陷，為了分析試驗精度，減少試驗誤差對試驗結果的影響，進一步采用方差分析對試驗數(shù)據(jù)進行分析，設計并計算方差分析表如表6所示。其中選取顯著性水平α=0.05以及0.01，通過查詢F檢驗臨界值表對計算得到的F值進行比較分析，如果F值19.000≤F<99.000，則顯著水平為顯著，記為*，如果F≥99.000，則為非常顯著，記為**。

由表6可以得到，對于3個方向的切削力，對其影響最為顯著的加工參數(shù)為切削深度ap，且顯著性程度明顯高于另外兩個切削參數(shù)。綜合比較直觀分析與方差分析得到相同結果，因此當對300M鋼進行實際車削加工時，應選取較小的切削深度以減小切削過程中所產(chǎn)生的切削力，從而減小刀具磨損并提高加工表面質(zhì)量。

針對表4第8組參數(shù)為加工組合A3B2C1，其切削力相對其他組合要小，這是因為其切削深度為最低水平，主軸轉(zhuǎn)速為最高水平，由直觀分析得到當主軸轉(zhuǎn)速提高和切削深度降低時，所產(chǎn)生的切削力較低，相比之下，由表6中F值分析進給量對切削力的影響較低，因此進給量雖不是最低水平，但所產(chǎn)生切削力明顯較小。

表6方差分析表

切削力方差來源偏差平方和自由度均方差F值P值顯著水平Fxn43 534.187221 767.0943.2320.236f4 887.78422 443.8920.3630.734ap744 229.9082472 114.95470.0980.014?誤差13 470.15326 735.077總計806 122.0328Fyn1 763.3242881.6629.8640.092f64.630232.3150.3620.734ap139 131.376269 565.688778.3120.001??誤差178.760289.380總計141 138.098Fzn5 094.26622 547.1331.1630.462f5 854.52322 927.2621.3360.428ap443 478.4472221 739.223101.2190.010??誤差4 381.38322 190.691總計458 808.6198

3.2 表面粗糙度極差分析

由所測得表面粗糙度數(shù)據(jù)結果(表5)進行統(tǒng)計學處理，設計極差分析表如表7所示。由表中可以得到3個因素對300M車削加工后表面粗糙度測量值根據(jù)各水平所計算的極差結果，由極差結果得到對工件表面粗糙度影響的排名次序，即進給量f對表面粗糙度影響變化最為顯著，其次為切削深度ap，而轉(zhuǎn)速n對工件表面粗糙度影響最小。

表7 極差分析表

4 最小二乘線性回歸分析及優(yōu)化

4.1 線性回歸模型建立

以試驗所得數(shù)據(jù)建立多元線性回歸指數(shù)模型，各參數(shù)與三向力和表面粗糙度結果取同底對數(shù)，通過數(shù)學分析軟件對數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，得到指數(shù)經(jīng)驗數(shù)學模型：

(1)

式中Ra表示表面粗糙度；n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為進給量，mm/r；ap為切削深度，mm。

以最大力和表面粗糙度為研究對象對各因素進行顯著性分析，使用t值分析法進行數(shù)據(jù)分析。針對x向切削力，轉(zhuǎn)速n對應t1值為-1.778，進給量f對應t2值為-0.506，切削深度ap對應t3值為5.526，由此可以得出t值大小排序：t3>t2>t1；針對表面粗糙度，其中t1值為0.032，t2值為1.266，t3值為0.459。由此可以得出t值大小排序：t2>t3>t1。因此可以得出與切削力方差分析和表面粗糙度極差分析相同的結果，即切削深度對切削力影響最顯著，進給量對表面粗糙度影響最顯著。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 目標函數(shù)的建立

通過對最大向力(x向力)以及表面粗糙度回歸經(jīng)驗模型，為了評價參評指標設計方案的優(yōu)劣，使用多目標遺傳算法進行優(yōu)化，優(yōu)化方案為：通過對精車加工時車削參數(shù)進行范圍界定，在保證良好加工表面質(zhì)量的前提下，提高車削加工效率角度進行優(yōu)化，其中以最大材料去除率Qz作為加工效率的參評對象。則目標函數(shù)建立如下：

①x向力優(yōu)化目標：

f1=minFx=min(106.902n-1.124f-0.212ap1.453) ;

(2)

②表面粗糙度優(yōu)化目標：

f2=minRa=min(100.674n0.016f0.433ap0.098) ;

(3)

③最大材料切除率優(yōu)化目標：

f3=maxQz=min(-Qz)=min(-vc·ap·f)=

(4)

4.2.2 約束條件

①主軸轉(zhuǎn)速約束條件應滿足：

(5)

②進給量約束條件應滿足：

(6)

③車削深度約束條件應滿足：

(7)

即優(yōu)化模型為：

(8)

4.3 多目標遺傳算法優(yōu)化求解結果

依據(jù)CS6140車床加工參數(shù)以及飛機起落架實際加工車削參數(shù)對約束條件進行范圍界定：630 r/min≤n≤1000 r/min；0.1 mm/r≤f≤0.2 mm/r；0.1 mm≤ap≤0.3 mm。使用MATLAB軟件相應代碼以約束條件為界限對目標函數(shù)進行優(yōu)化，得到參數(shù)及優(yōu)化結果如表8所示。由表所示，綜合考慮其表面質(zhì)量以及加工效率，期望值較高的參數(shù)組合為第三組，即最優(yōu)參數(shù)組合為n=813.576 r/min,f=0.128 mm/r,ap=0.1 mm,優(yōu)化結果為Fx=452.8 N，Ra=1.42 μm，Qz=0.981 cm3/min，其能在保證有較高材料去除率的同時提高表面質(zhì)量，產(chǎn)生較小切削力。

表8 優(yōu)化結果

5 結 論

通過以加工表面質(zhì)量作為參評指標對航空用300M超高強度鋼車削加工進行分析與研究，以提高加工表面質(zhì)量的同時提高生產(chǎn)效率為主要目的，探究切削三要素對車削加工工藝的影響并進行優(yōu)化。得到如下結論：

(1)影響切削力的最顯著的因素是切削深度，各方向切削力隨著切削深度的升高而顯著上升，因此在今后加工過程中，應盡量選擇切削深度較小的加工參數(shù)進行加工以減少切削力的產(chǎn)生，從而減少加工變形，提高加工表面質(zhì)量；

(2)通過極差分析法和t值分析法分別得出相同結論，即影響表面粗糙度變化趨勢的排序為進給量f>切削深度ap>轉(zhuǎn)速n；

(3)以切削三要素作為約束界定條件，加工表面質(zhì)量以及材料去除率作為優(yōu)化目標進行多目標遺傳算法優(yōu)化，最優(yōu)參數(shù)組合為n=813.576 r/min,f=0.128 mm/r,ap=0.1 mm,優(yōu)化結果為Fx=452.8 N，Ra=1.42 μm，Qz=0.981 cm3/min。