鄧亞弟，稅妍，向志楊，王春江

東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司

1 引言

綠色制造的核心是節(jié)能減排，在機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的廢棄物主要是切削液和切屑，尤其是切削液的采購、存貯、使用和廢棄處置需要專門的技術(shù)和物流系統(tǒng)，費(fèi)用很高，約占加工成本的10%～15%，并且切削液處理不當(dāng)會(huì)對(duì)人類健康以及環(huán)境造成危害。采用干切削加工替代傳統(tǒng)冷卻潤滑加工方式可節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率以及保護(hù)員工健康與生態(tài)環(huán)境。

在切削過程中，切削液主要有冷卻和潤滑兩個(gè)功能，其中，潤滑主要是改善切削過程中的切削力。針對(duì)不同加工工況和被加工材料，切削液的潤滑作用對(duì)切削力的改善效果不同[1]。以銑削加工B65A-S材料為研究對(duì)象，在不同切削參數(shù)條件下對(duì)有無采用切削液的切削力進(jìn)行測試和分析，所得結(jié)論可為類似工況和材料加工提供數(shù)據(jù)參考，以減少切削液使用。

2 試驗(yàn)原理及方案

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)法，利用均勻設(shè)計(jì)表得到切削速度、進(jìn)給量和切削深度的三因素十三水平設(shè)計(jì)方案，并采用測力計(jì)得到不同參數(shù)條件下的切削力，利用回歸分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得出在試驗(yàn)范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)干切削和濕切削下的切削力進(jìn)行對(duì)比分析。

切削力采集系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。采用Kistler公司生產(chǎn)的測力計(jì)，該測力計(jì)利用壓電傳感器將所受到的力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)電荷放大器放大后，由調(diào)理模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，最后由數(shù)據(jù)采集卡記錄存儲(chǔ)在電腦中。

圖1 切削力采集系統(tǒng)組成

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用美國哈斯VM-2型立式加工中心，其主電機(jī)功率為15kW，最高轉(zhuǎn)速12000r/min。采用肯納4.3032R320可轉(zhuǎn)位立銑刀，直徑φ32，刀片型號(hào)為APKT263PDTR，材質(zhì)KC725M。試驗(yàn)材料為B65A-S。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

均勻設(shè)計(jì)(Uniform Design)是基于試驗(yàn)點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)從均勻性角度出發(fā)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能從全面試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出部分有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)，這些試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)充分均衡分散，能反映體系的主要特征[2]。

采用三因素十三水平的均勻試驗(yàn)方法。根據(jù)該立銑刀在實(shí)際加工中所用切削參數(shù)和現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，選定切削深度ap=0.1～2.02mm，每齒進(jìn)給量fz=0.09～0.18mm/z，切削速度vc=50～158m/min，切削寬度ae=21mm，選用均勻設(shè)計(jì)表U13*，均勻設(shè)計(jì)偏差D=0.1442，所得試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

測定試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)所用切削液牌號(hào)為E206，濃度為12.8%，環(huán)境溫度為22℃，相對(duì)濕度為70%。

3 建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 建立干切削經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)傳統(tǒng)切削理論[3]，切削深度ap、每齒進(jìn)給量fz、切削速度vc與切削力的關(guān)系為

(1)

式中，K為修正系數(shù)。

對(duì)式(1)兩邊求對(duì)數(shù)，得

lgF=lgK+algap+blgfz+clgvc

(2)

設(shè)Y=lgF，B=lgK，X1=lgap，X2= lgfz，X3=lgvc，則式(2)可轉(zhuǎn)化為

Y=B+aX1+bX2+cX3

(3)

應(yīng)用全回歸法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并建立回歸方程，其中顯著性水平α=0.05，得到回歸系數(shù)B=3.11，a=0.835，b=0.592，c=-0.055。

對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其中復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.992，顯然，0.8

由表可以看出，F(xiàn)=392.369>F(0.05，3，9)=3.863，則拒絕假設(shè)H0，即3個(gè)自變量的總體回歸效果顯著。

表2 干切削切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲罘治?/p>

由上述分析得到以下經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(4)

3.2 建立濕切削經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)干切削經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒎椒ǖ玫綕袂邢鞯慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?/p>

(5)

式中，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.995。

方差分析見表3。

表3 濕切削切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲罘治?/p>

4 分析及討論

由式(4)和式(5)可以看出，在銑削過程中，切削深度ap對(duì)切削力的影響最大(偏回歸平方和判斷)，進(jìn)給量次之，切削速度對(duì)切削力的影響最小。用后退法對(duì)方程進(jìn)行分析，剔除該項(xiàng)后得到切削力隨切削深度和進(jìn)給量的變化曲線(見圖2)。

如圖3所示，取切削速度vc=100m/min，進(jìn)給量fz=0.10mm/z，得到干切削與濕切削時(shí)切削力隨切削深度的變化曲線。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著切削深度的增大，濕切削時(shí)的切削力較干切削時(shí)稍有減小，且整體隨著切削深度的增大呈上升趨勢。這主要是由于在加工過程中隨著切削深度的增加，單位時(shí)間內(nèi)去除的金屬材料體積增加，切削力增大；并且濕切削時(shí)隨著切削深度的增加，切削液的潤滑作用逐漸凸顯，因此切削力較干切削時(shí)稍有減小。

圖2 切削力與進(jìn)給量、切削深度的關(guān)系

圖3 切削力隨切削深度變化曲線

如圖4所示，取切削深度ap=1mm，進(jìn)給量fz=0.1mm/z，得到干切削與濕切削切削力隨切削速度變化的曲線。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增大，干切削時(shí)的切削力較濕切削時(shí)稍有減小，且整體隨著切削速度的增大呈下降趨勢。這主要是由于在加工過程中隨著切削速度的增加，切削溫度逐漸上升，材料硬度降低，導(dǎo)致切削力減?。欢矣捎谠诟汕邢鲿r(shí)沒有切削液的冷卻作用，切削溫度上升較快，材料軟化趨勢更加明顯，切削力較濕切削時(shí)更小。

圖4 切削力隨切削速度變化曲線

如圖5所示，取切削速度vc=100m/min，切削深度ap=1mm，得到干切削與濕切削時(shí)切削力隨進(jìn)給量變化的曲線。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給量的增大，濕切削時(shí)的切削力與干切削時(shí)無明顯差異，且整體都隨著進(jìn)給量的增大呈上升趨勢。這主要是由于在加工過程中，隨著進(jìn)給量的增加，單位時(shí)間內(nèi)去除的金屬材料體積增加，切削力增大；而且由于在切削深度較小時(shí)切削液的潤滑作用不明顯，導(dǎo)致濕切削時(shí)切削力與干切削時(shí)的切削力無明顯差異。

圖5 切削力隨切削進(jìn)給變化曲線

5 結(jié)語

利用均勻試驗(yàn)法得到切削速度、進(jìn)給量和切削深度的三因素十三水平的均勻設(shè)計(jì)方案，采用測力計(jì)測得不同參數(shù)下的切削力，利用回歸分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到試驗(yàn)范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過對(duì)干切削和濕切削下的切削力進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，切削力隨切削速度的變化最大，隨著切削速度的增加，濕切削時(shí)的切削力大于干切削。

在切削加工過程中，切削速度對(duì)切削溫度的影響最大。干切削時(shí)，隨著切削溫度的升高，材料硬度有所降低，使切削力下降；在濕切削時(shí)，切削液的冷卻作用降低了濕切削時(shí)的切削溫度，由于材料硬度降幅較小，使得切削力反而大于干切削。對(duì)比進(jìn)給量與切削深度變化時(shí)干切削與濕切削的切削力變化可知，切削液的潤滑作用在切削深度增大時(shí)更明顯。