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

1 引言

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)。

2 銑削加工模擬

2.1 建立二維銑削加工模型

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

2.2 設(shè)置銑削加工參數(shù)和仿真影響因素

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

3 仿真結(jié)果分析

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

4 銑削力試驗(yàn)驗(yàn)證

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

5 結(jié)語

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。