李建濤

（中車福伊特傳動技術(shù)（北京）有限公司,北京 102202）

引言

2Cr13 不銹鋼屬于馬氏體不銹鋼,該類鋼材不僅具有優(yōu)良的耐腐蝕性,而且經(jīng)1 000 ℃加熱淬火后具有良好的組織性能和硬度[1-2],在機(jī)械制造領(lǐng)域被廣泛用于生產(chǎn)汽車傳動軸、連接桿等關(guān)鍵零部件。為保證上述關(guān)鍵零部件使用性能,一般對不同服役環(huán)境的零部件提出不同表面粗粗糙度要求,根據(jù)實際工程應(yīng)用,一般表面粗糙度需求包括Ra0.2 μm、Ra0.4 μm和Ra0.8 μm 四種,但由于2Cr13 不銹鋼具有硬度高等特點(diǎn),在制造領(lǐng)域中,該材料屬于典型難加工材料,傳統(tǒng)車削加工參數(shù)一般依靠工人經(jīng)驗取值,不僅加工質(zhì)量差,而且由于不同工人經(jīng)驗不同,所選取的加工參數(shù)差異較大,難以滿足標(biāo)準(zhǔn)可靠的加工需求,尤其針對不同表面粗糙度需求的車削加工,其加工參數(shù)的選擇更是行業(yè)中的難題。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn),關(guān)于以不同表面粗糙度為目標(biāo)的2Cr13 不銹鋼最優(yōu)車削參數(shù)研究較少,但相關(guān)文獻(xiàn)對其他難加工材料車削參數(shù)優(yōu)化做出一定研究成果,具有一定參考意義。

馮華瑤[3]利用正交試驗法設(shè)計新型工具,實現(xiàn)對鈦合金車削參數(shù)優(yōu)化研究；孫捷夫[4]將主客觀賦權(quán)法和TOPSIS 方法相結(jié)合,實現(xiàn)車削參數(shù)優(yōu)化；王運(yùn)[5]以試驗為手段,基于對試驗結(jié)果的分析探究三種難加工材料的最優(yōu)車削參數(shù)；馬堯[6]利用粒子群優(yōu)化算法對最優(yōu)車削參數(shù)進(jìn)行計算。上述研究成果均取得一定效果,但均采用特定的設(shè)備、夾具和刀具,難以直接用于2Cr13 不銹鋼材料的車削參數(shù)優(yōu)化研究。

本文以2Cr13 不銹鋼為研究對象,以車削試驗為基礎(chǔ)開展?jié)M足不同表面粗糙度需求的最優(yōu)車削參數(shù)研究。

1 車削試驗方案

1.1 車削試驗條件

毛坯材料選用2Cr13 不銹鋼棒料,其直徑為40 mm；加工設(shè)備選用CA6140 數(shù)控車床,冷卻方式為切削液冷卻；刀片選用廈門金鷺WNMG080408-HK 型號外圓車刀刀片,表面粗糙度選用吉泰科技TR200 型號的便攜式表面粗糙度測量儀測量。

1.2 車削試驗方案和試驗結(jié)果

根據(jù)機(jī)械加工基礎(chǔ)知識,在車削加工時切削速度v、進(jìn)給量f 和背吃刀量ap 三項加工參數(shù)直接影響加工后的表面粗糙度數(shù)值。以刀片廠家推薦的加工參數(shù)選取樣本為基礎(chǔ),同時考慮加工對象和車削試驗條件,確定車削加工試驗三項加工參數(shù)的取值范圍：切削速度v 的取值范圍為320～380 m/min、進(jìn)給量f 的取值范圍為0.02～0.06 mm/r、背吃刀量ap 的取值范圍為0.3～0.6 mm。

在試驗設(shè)計方案的選擇上,采用中心復(fù)合試驗法進(jìn)行試驗設(shè)計,相比傳統(tǒng)的正交試驗設(shè)計方案具有更好的非線性,可用較少的試驗次數(shù)得出更加全面的試驗結(jié)果,同時試驗結(jié)果所反映的試驗現(xiàn)象更加準(zhǔn)確[7-8]。

按照試驗設(shè)計矩陣進(jìn)行車削試驗,每次加工長度為30 mm,在距離端面距離分別為10 mm 和20 mm距離處的截面上,各在界面圓周上等角度取四點(diǎn)測量加工后的表面粗糙度,將測量后的車削試驗的測量結(jié)果平均值作為該次試驗的表面粗糙度,記錄16 次車削試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗設(shè)計矩陣及試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

以表1 的加工后表面粗糙度測量試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用極值法對加工結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表2 所示。

表2 極差法計算結(jié)果

基于表1 和表2 結(jié)果,繪制各加工參數(shù)在不同取值情況的表面粗糙度變化趨勢圖,如圖1～圖3 所示。

圖1 切削速度對表面粗糙度的影響

圖3 背吃刀量對表面粗糙度的影響

圖1 中隨切削速度的增大,表面粗糙度先減小后增大,該現(xiàn)象是在切削速度較低的情況下,更容易產(chǎn)生積削瘤等問題,相應(yīng)影響加工后的表面粗糙度,切削速度越大該現(xiàn)象發(fā)生可能性越小,相應(yīng)表面粗糙度降低,但當(dāng)切削速度提高到一定程度后,加工過程中由于離心力作用振動加大,相應(yīng)增大表面粗糙度。圖2中表面粗糙度隨進(jìn)給量的增大而增大,該現(xiàn)象與目前大多數(shù)研究成果相符。圖3 中表面粗糙度隨背吃刀量增大而減小,該現(xiàn)象由于2Cr13 不銹鋼材料在加工過程中會產(chǎn)生硬化效應(yīng),背吃刀量必須大于一定數(shù)值后才能將硬層切削去除,否則刀具在零件表面冷硬層上摩擦,增大表面粗糙度。

圖2 進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

3 車削參數(shù)優(yōu)化計算

3.1 結(jié)果分析

響應(yīng)面法是采用多元二次回歸方程擬合各變量和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,并兼顧到各變量之間的相互影響,具有良好的實際應(yīng)用價值[9]。

采用響應(yīng)面法建立表面粗糙度預(yù)測模型為：

其中：Ra為表面粗糙度；kii、kij、ki為系數(shù),xi、xj為自變量；k0、ε 為常數(shù)項。

基于上述調(diào)整后的參數(shù)變量數(shù)值,基于響應(yīng)面法擬合可得表面粗糙度模型為：

3.2 優(yōu)化計算和實際驗證

在車輛制造領(lǐng)域中,不同零件的服役環(huán)境不同,對零件表面的表面粗糙度要求差異較大,2Cr13 不銹鋼材料零件典型表面粗糙度包括：Ra0.2 μm、Ra0.4 μm 和Ra0.8 μm。基于公式（2）,利用數(shù)理統(tǒng)計分析軟件以不同表面粗糙度為目標(biāo),測算最優(yōu)車削參數(shù)。在軟件中,將各典型表面粗糙度數(shù)值設(shè)置為目標(biāo)值,優(yōu)化目標(biāo)的允許浮動區(qū)間為±0.03 μm,經(jīng)過計算,得到Ra0.2 μm、Ra0.4 μm 和Ra0.8 μm 的最優(yōu)車削參數(shù)計算結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 以Ra0.2 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參數(shù)

圖5 以Ra0.4 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參數(shù)

圖6 以Ra0.8 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參數(shù)

圖4～圖6 為通過軟件計算得出以不同表面粗糙度為目標(biāo)的最優(yōu)車削參數(shù),在實際工程中,各車削參數(shù)一般對取值精度有所要求,其中切削速度和背吃刀量均取三位有效數(shù)字,進(jìn)給量取四位有效數(shù)字。因此可以得出,以表面粗糙度Ra0.2 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削 參 參 數(shù) 為：v=279 m/min、f=0.005 mm/r、ap=0.70 mm；以表面粗糙度Ra0.4 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參參數(shù)為：v=282 m/min、f=0.016 mm/r、ap=0.31 mm；以表面粗糙度Ra0.8 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參參數(shù)為：v=303 m/min、f=0.069 mm/r、ap=0.66 mm。

為驗證通過軟件計算得出的最優(yōu)車削參數(shù)的有效性,分別對三組最優(yōu)車削參數(shù)進(jìn)行實際車削試驗,經(jīng)實際測量,按上述最優(yōu)車削參數(shù)加工后的表面粗糙度均滿足實際工程要求。

4 結(jié)論

（1） 以2Cr13 不銹鋼為研究對象,基于中心復(fù)合法建立試驗矩陣,并基于實際加工結(jié)果進(jìn)行影響規(guī)律分析,結(jié)果表明,按對表面粗糙度的影響程度由大到小排序依次為進(jìn)給量、背吃刀量、切削速度。

（2） 以實際車削試驗結(jié)果為基礎(chǔ),利用響應(yīng)面法建立表面粗糙度和車削參數(shù)的預(yù)測模型,利用梳理統(tǒng)計軟件計算得出,以表面粗糙度Ra0.2 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參參數(shù)為：v=279 m/min、f=0.005 mm/r、ap=0.70 mm；以表面粗糙度Ra0.4 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參參數(shù)為：v=282 m/min、f=0.016 mm/r、ap=0.31 mm；以表面粗糙度Ra0.8 μm 為目標(biāo)的最優(yōu)車削參參數(shù)為：v=303 m/min、f=0.069 mm/r、ap=0.66 mm。并經(jīng)過實際加工驗證,車削結(jié)果均滿足實際工程要求。