周超，姜增輝，張瑩，邵忠偉，陳榮葛

1沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司

1 引言

34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼因良好的物理機(jī)械性能、工藝成型性能好和生產(chǎn)成本低而被普遍應(yīng)用在軍用武器、航空航天及車輛工程等工業(yè)制造領(lǐng)域[1]。由于高強(qiáng)度鋼具有硬度大和強(qiáng)度高等特性，車削時(shí)的切削力很大，一方面會(huì)導(dǎo)致刀具使用壽命縮短，另一方面會(huì)造成工件的已加工表面質(zhì)量降低[2，3]。研究高強(qiáng)度鋼加工過(guò)程中切削力的變化，對(duì)于提升切削加工穩(wěn)定性和改善工件表面質(zhì)量有重要指導(dǎo)意義。

許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高強(qiáng)度鋼的切削力進(jìn)行了深入研究。岳蕓[4]通過(guò)建立30CrNiMo8合金鋼仿真模型，在不同切削參數(shù)下進(jìn)行了切削力變化趨勢(shì)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切削力受切削速度的影響較小，受切削深度的影響較大。李源等[5]和付芝芳[6]分別選用PVD-AlTiN涂層硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行高速銑削高強(qiáng)度鋼的切削力試驗(yàn)，獲得了試驗(yàn)銑削速度區(qū)間內(nèi)切削力相對(duì)穩(wěn)定的切削參數(shù)，并得出切削力與切削用量之間存在非線性特征規(guī)律的結(jié)論。Ding T.等[7]建立了H13高強(qiáng)度鋼的銑削力仿真模型，結(jié)果表明，背吃刀量和進(jìn)給量是影響切削力的兩個(gè)關(guān)鍵因素。王林林等[8]通過(guò)涂層硬質(zhì)合金刀片對(duì)22SiMn2TiBi高強(qiáng)度鋼進(jìn)行四因素四水平的正交銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削深度對(duì)切削分力的影響顯著。

目前有關(guān)34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼切削力的研究相對(duì)較少，尤其是車削時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律仍未完全了解。因此，建立車削34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼的切削仿真模型，運(yùn)用正交試驗(yàn)法對(duì)車削加工34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律進(jìn)行研究具有較為重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 仿真建模

2.1 本構(gòu)模型

Johnson-Cook模型在金屬切削仿真中的應(yīng)用較多，其參數(shù)較其他本構(gòu)模型更為可靠，因此采用此模型作為34CrNi3Mo工件材料的本構(gòu)模型，其表達(dá)式為

(1)

2.2 工件模型

如圖1所示，仿真車削的對(duì)象是直徑1000mm的回轉(zhuǎn)體，為節(jié)省計(jì)算量，工件幾何模型簡(jiǎn)化為直徑1000mm、圓心角為8°的一段回轉(zhuǎn)體表面。根據(jù)切削參數(shù)(切削深度ap和進(jìn)給量fa)、工件直徑及切削弧角生成工件幾何模型。為保證仿真的準(zhǔn)確度，在劃分網(wǎng)格時(shí)將工件的最小單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置成進(jìn)給量的0.5倍。

圖1 工件模型

2.3 刀具模型

由于工件材料為34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼，要求刀具材料具有良好的綜合力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性。如圖2所示，選用CNMG160612-HM 4325車削刀片，刀具主要參數(shù)如表1所示。因?yàn)榈毒叩娜锌诎霃綖?.2mm，為保證網(wǎng)格足夠細(xì)化，將刀具最小單元尺寸設(shè)定為0.1mm。

圖2 刀具模型

表1 刀具幾何尺寸

3 仿真研究方案結(jié)果分析

3.1 仿真方案

如表2所示，以切削速度vc、切削深度ap和進(jìn)給量fa作為三個(gè)主要因素，建立三因素四水平的正交仿真試驗(yàn)方案。

表2 L16(43)正交仿真試驗(yàn)方案

3.2 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果

進(jìn)行仿真切削時(shí)，當(dāng)切削速度vc=40m/min、切削深度ap=3mm和進(jìn)給量fa=0.3mm/r時(shí)，刀具受到的進(jìn)給力Fx、主切削力Fy及背向力Fz的瞬時(shí)變化如圖3所示。

(a)仿真瞬時(shí)進(jìn)給力Fx

去除不可信值，取0.02～0.08s過(guò)程中的進(jìn)給力Fx，主切削力Fy及背向力Fz的平均值，則得到可靠的正交仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)。16組仿真試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 L16(43)正交仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 極差分析

對(duì)表3中的三個(gè)切削分力進(jìn)行分析，極差分析結(jié)果見表4?？梢缘玫角邢鲄?shù)的綜合最優(yōu)方案，切削參數(shù)對(duì)三個(gè)切削分力影響主次程度均為ap>fa>vc。以最小切削力為目標(biāo)的最優(yōu)方案均為A4B1C1。

表4 切削力仿真極差結(jié)果

如圖4所示，根據(jù)表4的分析數(shù)據(jù)繪制切削參數(shù)對(duì)三個(gè)切削分力的影響曲線?？梢钥闯觯谡辉囼?yàn)的切削參數(shù)范圍內(nèi)，三個(gè)切削分力受切削參數(shù)影響的規(guī)律基本相同。當(dāng)vc逐漸上升時(shí)，三個(gè)切削分力逐漸下降，進(jìn)給力Fx及背向力Fz的下降趨勢(shì)較大；在vc=60～80m/min時(shí)，進(jìn)給力Fx、主切削力Fy及背向力Fz均會(huì)逐漸上升，但上升幅度不大；隨后隨著vc的增大三個(gè)切削分力逐漸下降。從整體上看，三個(gè)切削分力隨著vc的增大而減小，但有所波動(dòng)；在ap=3～6mm和fa=0.3～0.6mm/r時(shí)，隨著ap和fa的增大，三個(gè)切削分力都明顯增大。

(a)切削參數(shù)對(duì)進(jìn)給力Fx的影響

3.4 方差分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析結(jié)果見表5～表7。臨界值F取F0.05(3，6)=4.76，F(xiàn)0.01(3，6)=9.78。

表5 進(jìn)給力Fx的方差分析

表6 主切削力Fy的方差分析

表7 背向力Fz的方差分析

通過(guò)比較F值可以得出，影響三個(gè)切削分力顯著性的切削參數(shù)順序均為ap>fa>vc，這與極差分析結(jié)論一致，驗(yàn)證了極差分析的準(zhǔn)確性。

3.5 建立切削力經(jīng)驗(yàn)公式

利用正交試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)多元線性回歸擬合建立三個(gè)切削分力的經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)

對(duì)切削分力多元線性回歸分析的匯總見表6。其中，R2為多元線性回歸的相關(guān)系數(shù)，R2值越趨近于1，表示經(jīng)驗(yàn)公式的擬合程度越好。因此，0.9

表6 回歸分析摘要

4 結(jié)語(yǔ)

以正交仿真試驗(yàn)的方法研究了車削加工34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。通過(guò)極差和方差分析法得出切削參數(shù)對(duì)主切削力Fy、進(jìn)給力Fx及背向力Fz的影響主次順序及顯著性程度，并得到了以降低切削力為優(yōu)化目標(biāo)的切削參數(shù)最優(yōu)組合，得出如下結(jié)論。

(1)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響主次順序?yàn)榍邢魃疃萢p>進(jìn)給量fa>切削速度vc。

(2)從整體上看，三個(gè)切削分力隨著vc的增大而減小且有所波動(dòng)，隨著ap和fa的增大，三個(gè)切削分力均明顯增大。

(3)在參數(shù)范圍內(nèi)，車削加工34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時(shí)切削力最優(yōu)的切削參數(shù)為切削深度ap=3mm，進(jìn)給量fa=0.3mm，切削速度vc=100m/min。