李佳宏,劉贛華,熊小文
1江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;2南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司
銑削加工是一種斷續(xù)切削加工過程,沖擊載荷較大,易發(fā)生振動(dòng),刀齒銑削厚度和銑削面積在銑削過程中隨時(shí)變化,因而銑削力變化較大[1]。在其它切削條件相同的情況下,銑削力大,切削加工性會(huì)變差,進(jìn)一步加劇刀具的磨損,降低工件表面質(zhì)量[2,3]。316L不銹鋼作為一種難加工材料,在銑削加工中所需切削力較大,切削溫度較高,切削加工性較差[4]。對(duì)316L不銹鋼銑削過程中的切削力變化規(guī)律進(jìn)行分析,可提高其實(shí)際銑削加工效率,改善工件表面質(zhì)量。
郭皓邦等[5]研究了不同類型的涂層刀片對(duì)316L不銹鋼車削加工過程中切削性能的影響。吳沁等[6]研究了切削用量對(duì)316L不銹鋼車削加工的影響。于鳳云等[7]通過車削試驗(yàn)研究,優(yōu)選出304L不銹鋼車削加工的刀具材料。劉念聰?shù)萚8]研究了冷卻參數(shù)對(duì)不銹鋼車削過程中表面粗糙度的影響。Endres W.J.等[9]以切削加工過程中的切削參數(shù)模型為基礎(chǔ)建立切削力模型。孫鵬程等[10]研究了高速銑削過程中銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響。作為一種難加工材料,目前在銑削加工316L不銹鋼研究中,有關(guān)不同銑削參數(shù)對(duì)其切削力的影響研究很少。利用AdvantEdge軟件對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行二維銑削仿真研究,分析切削參數(shù)對(duì)其切削力的影響,同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證切削力變化規(guī)律,為316L不銹鋼的銑削工藝參數(shù)選取提供依據(jù)。
為了節(jié)省仿真運(yùn)算時(shí)間,在不影響仿真結(jié)果的前提下,將三維銑削模型簡(jiǎn)化為二維銑削模型[11]。采用AdvantEdge軟件建立的二維切削模型見圖1,刀具相關(guān)參數(shù)見表1,工件材料為316L不銹鋼。利用AdvantEdge軟件的網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能分別對(duì)刀具和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分出的最大網(wǎng)格尺寸為0.1mm,最小網(wǎng)格尺寸為0.02mm。
圖1 二維切削模型
表1 刀具參數(shù)設(shè)置
316L不銹鋼銑削加工參數(shù)的設(shè)置見表2。
表2 銑削加工參數(shù)的設(shè)置
選擇主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和銑削寬度為主要影響因素,對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行銑削仿真研究。每齒進(jìn)給量固定為0.1mm/z,其它條件保持不變,分別以單變量因素分析主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和銑削寬度對(duì)316L不銹鋼銑削過程中銑削力的影響。
仿真試驗(yàn)的銑削加工參數(shù)設(shè)置見表3。
表3 仿真試驗(yàn)的加工參數(shù)設(shè)置
主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和銑削寬度對(duì)316L不銹鋼銑削加工過程中銑削力的影響曲線分別見圖2~圖4。
由圖2可知,在轉(zhuǎn)速2500~4000r/min范圍內(nèi),增大主軸轉(zhuǎn)速后,銑削過程中x和y方向的切削力先增大后減小。為改善316L不銹鋼的切削性能和降低銑削過程中的切削力,在實(shí)際銑削過程中應(yīng)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速。
圖2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響
由圖3可知,在銑削深度為0.5~2.0mm范圍內(nèi),隨著銑削深度的增加,銑削過程中x和y方向的切削力均增大。銑削深度與銑削力的變化呈正相關(guān),且x向銑削力變化比y向變化更劇烈。
圖3 銑削深度對(duì)銑削力的影響
由圖4可知,在銑削寬度1.5~3.0mm范圍內(nèi),隨著切削寬度的增加,銑削過程中x和y方向的銑削力均增大,銑削寬度與銑削力的變化呈正相關(guān),且x向銑削力變化比y向的變化更劇烈。
圖4 銑削寬度對(duì)銑削力的影響
試驗(yàn)選用VMC850E數(shù)控機(jī)床,主軸功率為7.5kW,最高轉(zhuǎn)速為6000r/min,工作臺(tái)尺寸為1000mm×500mm。采用壓電式三向力測(cè)試儀,設(shè)備編號(hào)為NBJR2015092202,分辨率≤1N,固有頻率≥3kHz,設(shè)備測(cè)量范圍為Fx/Fy=2500N,F(xiàn)z=2500N。采用直徑6mm的四刃硬質(zhì)合金平底銑刀,刀具前角為6°,后角為12°。工件為160mm×100mm的316L不銹鋼工件。
銑削試驗(yàn)參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min,每齒進(jìn)給量為0.1mm/z,銑削深度分別為0.5mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm,銑削寬度為2mm。
采用測(cè)力儀測(cè)量x,y,z三個(gè)方向的銑削力,得到三向力數(shù)值。截取穩(wěn)定段,通過取平均值的方法得到每次測(cè)量時(shí)的各銑削力。將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(見圖5)。結(jié)果表明,銑削深度在0.5~2.0mm范圍內(nèi)時(shí),316L不銹鋼銑削過程中x向銑削力隨著銑削深度的增加而增大。試驗(yàn)值與仿真值存在一定誤差,可能是加工過程中的誤差造成的。
圖5 仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比
根據(jù)316L不銹鋼銑削過程中的銑削力變化規(guī)律研究,可得出以下結(jié)論。
(1)在主軸轉(zhuǎn)速2500~4000r/min范圍內(nèi),隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,銑削力會(huì)先增大后減??;在切削深度0.5~1.5mm范圍內(nèi),銑削力隨著切削深度的增大而增大,說明銑削深度與銑削力的變化呈正相關(guān);在切削寬度2.0~3.0mm范圍內(nèi),銑削力隨著銑削寬度的增大而增大,說明銑削寬度與銑削力的變化呈正相關(guān)。
(2)為了提高316L不銹鋼的銑削性能,實(shí)際銑削加工中,應(yīng)采用較高的轉(zhuǎn)速、較小的銑削深度和銑削寬度。
(3)將改變銑削深度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,銑削力變化規(guī)律一致,驗(yàn)證了仿真過程中的銑削力的變化規(guī)律。