一種超臨界材料銑削切削力試驗(yàn)研究*

韓俊峰 梁軍華 高宏力 陳洪濤

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000；②西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為適應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，火電機(jī)組發(fā)電效率要求不斷的提升，傳統(tǒng)機(jī)組將難以滿足，因此國(guó)內(nèi)新增的火電機(jī)組將以超臨界或超超臨界機(jī)組為主(最高使用溫度為566 ℃～630 ℃；蒸汽參數(shù)24 MPa)。

超臨界材料1Cr11Co3W3NiMoVNbNB是一種從日本日立公司引進(jìn)的超臨界機(jī)組用馬氏體不銹鋼。其為一種改良型Cr12%鋼，在Cr12%鋼基礎(chǔ)上添加了Co、W等元素，使其在高溫強(qiáng)度、持久性能等方面有了很大的提高，主要用于超臨界汽輪機(jī)的葉片、螺栓、圍帶、轉(zhuǎn)子等零部件的制造用材[1]。

切削力是金屬切削過(guò)程中一個(gè)重要物理現(xiàn)象，切削力與切削熱、刀具磨損、加工表面質(zhì)量等息息相關(guān)，是計(jì)算機(jī)床功率、刀具及夾具等工藝系統(tǒng)強(qiáng)度的重要依據(jù)[2-6]。影響切削力的因素有許多，切削用量是其中一項(xiàng)重要因素。本文研究切削用量的改變對(duì)切削力作用，對(duì)于指導(dǎo)切削用量的選取和分析切削過(guò)程都有重要意義。

1 試驗(yàn)條件

(1)實(shí)驗(yàn)機(jī)床：加工中心VDL850D，主軸功率15 kW。

(2)實(shí)驗(yàn)刀具：成都英格數(shù)控刀具有限公司，φ30mm；可轉(zhuǎn)位銑刀EM90-30LD15L200，刀片型號(hào)LDFT1504PDSR-33，所裝刀片的個(gè)數(shù)為2個(gè)。

(3)冷卻條件：嘉士多4K切削液。

(4)銑削方式：滿刀切削寬度、順銑。

(5)工件材料：1Cr11Co3W3NiMoVNbNB不銹鋼，機(jī)械性能如表1所示。

表1 工件材料機(jī)械性能

屈服強(qiáng)度σs/MPa抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長(zhǎng)率δ/%≥620≥885≥15斷面收縮率?/%沖擊功Akv/J660°持久應(yīng)力/h≥45≥107≥100

毛坯規(guī)格：φ125 mm×50 mm，外形為凸字形狀，下部通過(guò)螺釘與測(cè)力臺(tái)連接，上部凸臺(tái)用于切削實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖1。

(6)切削力測(cè)量系統(tǒng)：奇石樂(lè)儀器儀表公司Kistler9257B測(cè)力儀、5070A電荷放大器、集16通道A/D轉(zhuǎn)換卡和數(shù)據(jù)分析處理軟件Dewesoft-6-se于一體的DEWE3020數(shù)字采集工控機(jī)，切削力測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。該測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)量銑削過(guò)程中主切削力FC(對(duì)應(yīng)測(cè)力臺(tái)的Fx)、進(jìn)給力FF(對(duì)應(yīng)測(cè)力臺(tái)的Fy)和背向力FP(對(duì)應(yīng)測(cè)力臺(tái)的Fz)等三個(gè)方向的切削力。由測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得三向分力，通過(guò)切削力合成計(jì)算公式可得到總切削力。

(1)

(7)試驗(yàn)方案：試驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)法，即只改變切削用量的某一個(gè)參數(shù)，其余切削條件不變的情況下，對(duì)超臨界材料1CrllCo3W3NiMoVNbNB進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，研究切削用量變化對(duì)切削力的影響規(guī)律，并給出該種超臨界材料粗銑時(shí)的參考切削用量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

切削力是指切削過(guò)程中作用在刀具或工件上的力，它是工件材料抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力。切削力主要來(lái)源于3個(gè)方面：(1)克服切削層彈性變形的抗力。(2)克服切削層塑性變形的抗力。(3)克服切屑對(duì)刀具前面、工件對(duì)刀具后面的摩擦力。根據(jù)金屬切削原理，有切削力指數(shù)計(jì)算公式[7]：

(2)

式中：F為切削力；C為與工件和切削條件有關(guān)的系數(shù)；x、y和z分別為背吃刀量ap、每齒進(jìn)給量fz和切削速度vc的指數(shù)；K為各種因素對(duì)切削力的修正系數(shù)的乘積。

2.1 背吃刀量ap改變對(duì)切削力的影響

如圖3所示，切削力隨背吃刀量ap改變的變化規(guī)律(其中vc= 100 m/min，fz= 0.15 mm/齒，ap分別取0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 mm)。

從圖3可以看出，三向力的大小順序?yàn)镕C、FF和FP。對(duì)比各力曲線的斜率可知，背吃刀量ap對(duì)FC影響明顯，幾乎成比例關(guān)系，對(duì)FF的影響次之，對(duì)FP幾乎沒(méi)影響?？偳邢髁的變化規(guī)律與FC的變化規(guī)律相似。

背吃刀量ap對(duì)主切削力FC影響幾乎成比例，原因是當(dāng)切削速度和進(jìn)給量保持不變，若背吃刀量增加一倍，則切削的切屑寬度、切屑與刀具前刀面接觸的面積都隨之增大一倍，從而使得切削過(guò)程中I變形區(qū)變形抗力和刀具前刀面上摩擦抗力增大，故主切削力FC增大，幾乎與背吃刀量成正比例增大。

但當(dāng)背吃刀量ap超過(guò)一定程度時(shí)，二者逐漸呈現(xiàn)非線性關(guān)系[1]。因?yàn)楸吵缘读吭龃蟮耐瑫r(shí)會(huì)引起切削熱增多，使得刀屑面溫度升高、導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，使得主切削力部分減小。

背吃刀量ap增加使得切削面積增加，進(jìn)給阻力增大，故進(jìn)給力FF增大；背吃刀量ap引起的切削層金屬、切屑的變化對(duì)背向力FP影響很小，如圖3所示FP的變化很小。

2.2 進(jìn)給量fz改變對(duì)切削力的影響

如圖4所示，切削力隨進(jìn)給量f改變的變化規(guī)律(其中vc=100 m/min，ap= 1.0 mm，fz分別取0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 mm/齒)

從圖4可以看出，三向力大小順序?yàn)镕C、FF、FP。各力隨進(jìn)給量的增大成增大趨勢(shì)，變化趨勢(shì)與改變背吃刀量相似，但沒(méi)有背吃刀量的作用那么明顯。對(duì)比各力曲線的斜率可知，進(jìn)給量對(duì)FC影響大些，對(duì)FF、FP的影響較小。

影響原因分析：(1)進(jìn)給量增加，切削的切屑厚度增厚，切屑的變形抗力增大，故切削力FC、FF、FP也隨之增大。(2)進(jìn)給量增加，雖然切屑的厚度增大，但切屑的寬度未變，切屑與前刀面的接觸面積未變，故切削力隨著進(jìn)給量增加而增大，但沒(méi)有背吃刀量增加的迅速。(3)刀具在制造以及刀尖強(qiáng)度方面的問(wèn)題，刀尖處必然有刀尖圓弧的存在，切削過(guò)程中刀尖圓弧隨著切削的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給的移動(dòng)，會(huì)使工件上產(chǎn)生殘余的未切削材料。其他因素不變，進(jìn)給量增加，單位時(shí)間兩刀尖移動(dòng)的距離增大，則工件上殘留面積將增大，工件殘留部分材料對(duì)刀具的擠壓力也會(huì)增大，其可以部分抵切削力[5]，故進(jìn)給量對(duì)FF、FP的影響較小些。

2.3 切削速度的改變對(duì)切削力的影響

如圖5所示，切削力隨切削速度vc改變的變化規(guī)律(其中fz= 0.15 mm/齒，ap=1 mm保持不變，vc分別取50、100、150、200和250 m/min)

從圖5可以看出，三向力大小依次為主切削力FC，進(jìn)給力FF，背向力FP。對(duì)比各力曲線的斜率可知，vc對(duì)FC影響明顯，對(duì)FF的影響次之，對(duì)FP的影響較小。切削速度對(duì)切削力的影響比較復(fù)雜，剛開(kāi)始增大，隨后趨于減小。

當(dāng)vc在<100 m/min低速段時(shí)，隨著vc增大，切削力增大。原因是隨著切削速度的增加，切屑底層新生的表面與刀具前刀面接觸的時(shí)間減小，切屑的滯留層會(huì)嵌入凸凹不平的前刀面中，形成全面接觸，使得切削阻力增大， 另外由于此材料屬于不銹鋼，不銹鋼在低速切削時(shí)容易形成積屑瘤，粘結(jié)刀具，也使得切削力增大。

當(dāng)vc在100～200 m/min時(shí)，隨著vc增大，切削力減小。原因是隨切削速度增大，切削溫度繼續(xù)升高，超過(guò)一定溫度時(shí)，在切削溫度的作用下，在第Ⅰ變形區(qū)切削層金屬變形系數(shù)和摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，使切削力減?。辉诘冖蜃冃螀^(qū)刀屑平均溫度升高，引起刀屑平均摩擦系數(shù)的減小，進(jìn)而導(dǎo)致切削力減小[2]。

當(dāng)vc在200～250 m/min時(shí)，隨著vc增大，切削力也在減小，但減小的斜率相對(duì)變小了，原因是隨著切削區(qū)溫度進(jìn)一步升高，工件的回彈加劇，使得工件與刀具后刀面的擠壓和摩擦加劇，增大了背向力和進(jìn)給力，從而使切削力減小的斜率相對(duì)變小了[3-4]。

如圖5所示FF隨vc的變化與同F(xiàn)C，先增大后減小；切削速度對(duì)FP基本沒(méi)有影響。

2.4 粗銑加工時(shí)切削用量的選取

粗加工階段主要目的是去除多余金屬材料，銑削加工金屬去除率公式[6]：

Q=(ap×ae×fz×z×n)/1 000

(3)

式中：Q為金屬去除率，cm3/min；ap為背吃刀量，mm；ae為側(cè)向吃刀寬度(粗加工以及本文實(shí)驗(yàn)采用滿刀切寬)fz為每齒進(jìn)給量，mm/齒；z為銑刀齒數(shù)，n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n=Vc×1 000/(πD)，r/min。從公式看出提高切削用量可以提高金屬去除率。

粗加工時(shí)應(yīng)盡量選擇較大的背吃刀量，以減少走刀次數(shù)，提高金屬去除率。在考慮機(jī)床功率、刀具強(qiáng)度以及工藝系統(tǒng)剛度的條件下，粗銑該超臨界材料建議ap取1 mm左右。

粗加工時(shí)增大進(jìn)給量帶來(lái)的加工表面質(zhì)量下降的問(wèn)題，影響不大。但增大進(jìn)給量會(huì)增大切削力，在考慮機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)、銑刀桿剛度以及刀具耐用度的條件下，粗銑該超臨界材料建議fz取0.15 mm/齒左右。

增大切削速度切削力減小的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)機(jī)床主軸功率消耗劇增、刀具磨損加劇等不利因素，粗銑該超臨界材料建議vc取120 m/min左右。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在本文所選試驗(yàn)參數(shù)條件下，切削用量改變對(duì)切削力影響的大小順序?yàn)楸吵缘读縜p、每齒進(jìn)給量fz、切削速度vc。

(2)背吃刀量ap在0.1～2 mm范圍內(nèi)增大，三向力增大，ap對(duì)FC影響明顯，對(duì)FF的影響次之，對(duì)FP的影響不明顯，總切削力F的變化規(guī)律與FC的變化規(guī)律相似。

(3)進(jìn)給量fz在0.05～0.25 mm/齒范圍內(nèi)增大，三向力增大,但三力的增大程度不同，fz對(duì)FC影響明顯，對(duì)FF、FP影響較小。

(4)切削速度vc在50～100 m/min范圍內(nèi)增大時(shí)，三向力增大，vc在100～250 m/min范圍內(nèi)增大，三向力緩慢減小，vc對(duì)三向力影響大小依次為FC、FF、FP。

(5)根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)，綜合考慮加工效率以及機(jī)床、刀具等工藝系統(tǒng)因素，超臨界材料1Cr11Co3W3NiMoVNbNB在鋼粗銑加工時(shí)切削用量采用vc≈120 m/min，fz≈0.15 mm/齒，ap≈1 mm。

[1]陳洪濤,黃遂,傅攀,等.切削條件對(duì)超臨界材料加工影響規(guī)律研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010(6):86-89.

[2]嚴(yán)文杰.基于17-4PH葉片鋼的切削力數(shù)學(xué)建模研究[J].工具技術(shù),2015,49(4):23-26.

[3]滕樹新,黃艷玲.基于正交試驗(yàn)的葉片鋼銑削力研究[J].機(jī)械制造,2013,51(12):56-58.

[4]劉衣昌.42CrMo高強(qiáng)度鋼高速銑削過(guò)程中切削力和切削溫度的研究[D].衡陽(yáng)：南華大學(xué)，2015: 30-32.

[5]李炳林.不銹鋼加工中切削力分析預(yù)測(cè)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012: 35-40, 89-91.

[6]劉強(qiáng)，張弘弢，董海，等.涂層硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼切削力的試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù)，2008，42(4)：22-25.

[7]韓文強(qiáng)，何輝波，李華英，等.影響40Cr鋼切削力的主要因素研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，35(6)：109-116.