45#調(diào)質(zhì)鋼數(shù)控車削工藝參數(shù)優(yōu)化研究*

閆存富,劉 超，劉 軍

(1.黃河科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州 455063；2.鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州 450000)

0 引言

表面粗糙度即加工表面的幾何形狀誤差，是零件已加工表面具有的較小間距和微小峰谷所組成的的微觀幾何特性，是衡量零件表面加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。切削加工是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ),切削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度有很大影響。合理選擇加工參數(shù),對(duì)優(yōu)化影響零件表面粗糙度的因素，獲得理想的加工表面粗糙度,提高加工效率、延長刀具壽命具有重要意義[1-3]。

45#調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合性能，廣泛應(yīng)用于制造強(qiáng)度要求較高的零件和受力不很大的機(jī)械加工件、鍛件、沖壓件等方面。但目前對(duì)切削加工的粗糙度的研究較多集中于鈦合金、鋁合金及氧化鋯陶瓷等材料[4-7]。Chandrakanth Shet 等利用有限元方法對(duì)金屬切削過程進(jìn)行了仿真研究[8]。周家林等通過單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)45調(diào)質(zhì)鋼切削表面粗糙度進(jìn)行了研究，分析了切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律[9]。本文以車削45#調(diào)質(zhì)鋼正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用回歸分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立以表面粗糙度為響應(yīng)的多元回歸數(shù)學(xué)預(yù)測模型，對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行顯著性分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。研究車削45#調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和背吃刀量三因素對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律，為分析預(yù)測45調(diào)質(zhì)鋼切削表面粗糙度提供了新的思路。

1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

車削實(shí)驗(yàn)在CKA6150數(shù)控車床上進(jìn)行，該機(jī)床配備Fanuc 0i Mate-TC系統(tǒng)，由大連機(jī)床廠生產(chǎn)。所選刀片型號(hào)為WNMG080404-SF，材料為硬質(zhì)合金材料，刀桿型號(hào)為DWLNR2525-M08。切削試件材料為45#調(diào)質(zhì)鋼,長度為100mm,直徑為30mm,平均硬度為HRC32～38，切削試件主要化學(xué)成分如表1所示[10]。切削液選用乳化液，型號(hào)為“長城M101”號(hào)。使用光切顯微鏡(雙管顯微鏡)對(duì)加工樣件進(jìn)行測量。

表1 45#調(diào)質(zhì)鋼主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

表2試驗(yàn)因素水平

水平切削速度s/(r/min)進(jìn)給量f/(mm/r)背吃刀量ap/(mm)15000．050．1027100．100．15310000．150．20

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表面粗糙度測試結(jié)果見表3。由表3可知，第8組試驗(yàn)的粗糙度值最小為8.62，因此直觀分析選定試驗(yàn)最優(yōu)組合為A3B2C1。由于正交試驗(yàn)只是全面試驗(yàn)中的三分之一試驗(yàn)，還需對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論研究分析，來確認(rèn)試驗(yàn)最優(yōu)組合是否就是最優(yōu)組合。

為更直觀表達(dá)各加工因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，以各影響因素水平值為橫坐標(biāo)，各因素水平值對(duì)應(yīng)的表面粗糙度值為縱坐標(biāo)，繪制各因素與表面粗糙度關(guān)系的坐標(biāo)圖如圖1～圖3所示。

表3 試驗(yàn)因素及試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，被加工表面粗糙度值逐漸減小。這是因?yàn)樘岣咧鬏S轉(zhuǎn)速，增大了切屑與被加工表面的分離速度，切削區(qū)域內(nèi)局部溫度升高，使切削區(qū)域內(nèi)的材料發(fā)生軟化，摩擦系數(shù)減小，同時(shí)刀具對(duì)軟化層產(chǎn)生擠壓熨平作用，最終導(dǎo)致被加工表面粗糙度值減小[11-12]。由圖2可知，加工表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增加而逐漸增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給量增加，會(huì)增加單位時(shí)間內(nèi)刀具承受的切削負(fù)載，使刀具振動(dòng)加劇；同時(shí)大量的切屑從副刀刃方向流出，表面粗糙度值隨之增大。由圖3可知，隨著背吃刀量的增加，被加工表面粗糙度值逐漸增大。這是因?yàn)樵龃蟊吵缘读?，?huì)增加單位時(shí)間內(nèi)的切削材料，切削力隨之增大，導(dǎo)致切削過程中的振動(dòng)，加工表面粗糙度增大。

圖1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

圖2 切削進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

圖3 背吃刀量對(duì)表面粗糙度的影響

3 表面粗糙度預(yù)測模型

3.1 預(yù)測模型的建立

為得到基于試驗(yàn)結(jié)果的表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型，采用回歸分析法，建立表面粗糙度的預(yù)測模型。影響加工表面粗糙度的因素很多，根據(jù)金屬切削原理，在機(jī)床加工系統(tǒng)、加工材料性能和刀具幾何參數(shù)確定的前提下，切削參數(shù)和表面粗糙度的指數(shù)關(guān)系預(yù)測模型為[13]:

(1)

其中:Ra為加工后的表面粗糙度；c為與加工材料性能、機(jī)床特性及刀具結(jié)構(gòu)相關(guān)的待定常數(shù)系數(shù);v為切削速度，f為進(jìn)給量，ap為背吃刀量；k、m、n分別為與切削用量三要素相關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)表3表面粗糙度的測量結(jié)果，利用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，采用多元線性回歸法進(jìn)行擬合，求得各回歸系數(shù)，得表面粗糙度和切削用量三要素之間的關(guān)系為：

(2)

3.2 模型的顯著性檢驗(yàn)

由于我們并不能預(yù)先確定加工表面粗糙度值y與變量x1、x2、x3之間的關(guān)系，上述所建立的表面粗糙度預(yù)測模型只是一種假設(shè)，該模型的可靠度如何還未知。因此為了進(jìn)一步判斷方程的預(yù)測效果，有必要對(duì)該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，以判定預(yù)測模型的擬合程度。

為進(jìn)行顯著性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，將總的偏差平方和SST分解為回歸平方和SSH和殘差平方和SSE,計(jì)算如下：

(3)

(4)

SSH=SST-SSE

(5)

采用F檢驗(yàn)法對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)量F計(jì)算如下：

(6)

式中，n為試驗(yàn)組數(shù),取9；p為影響因素自由度，取 3；

取顯著性水平因子α=0.05，查F分布表得F0.05(3,5)=5.41,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)～式(6)中，計(jì)算可得回歸方程對(duì)應(yīng)的F值為：F=9.1458 ，大于5.41，所建模型呈顯著狀態(tài)。可以認(rèn)為回歸模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度良好，則建立的表面粗糙度預(yù)測模型有效。

3.3 預(yù)測模型驗(yàn)證

表4為根據(jù)式(2)計(jì)算得到的表面粗糙度預(yù)測值與試驗(yàn)的表面粗糙度實(shí)測值的比較。由表4可知,預(yù)測值與試驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為9.173%。圖4為以試驗(yàn)序號(hào)為橫坐標(biāo)，表面粗糙度試驗(yàn)值與預(yù)測值為縱坐標(biāo)的擬合曲線圖。由圖4可知,預(yù)測值與試驗(yàn)值擬合精度較高, 可以用于對(duì)加工表面粗糙度的預(yù)測，對(duì)車削45#調(diào)質(zhì)鋼切削用量的選擇具有一定的參考價(jià)值。

表4 預(yù)測值與試驗(yàn)值比較

圖4 試驗(yàn)值與預(yù)測值擬合曲線

4 結(jié)束語

(1)采用硬質(zhì)合金刀具在數(shù)控車床上進(jìn)行45#調(diào)質(zhì)鋼的車削試驗(yàn),利用正交試驗(yàn)法研究切削用量三要素對(duì)加工表面粗糙度的影響,結(jié)果表明:切削速度對(duì)表面粗糙度的影響最顯著,背吃刀量其次,進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響最小。在所選切削用量范圍內(nèi)最優(yōu)的加工參數(shù)組合:切削速度為1000r/min,進(jìn)給量為0.05r/mm,背吃刀量為0.1mm。

(2) 建立了試驗(yàn)條件下表面粗糙度的預(yù)測模型，采用F檢驗(yàn)法對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，預(yù)測模型線性回歸方程顯著性良好，表明建立的表面粗糙度預(yù)測模型有效。

(3)將預(yù)測模型的預(yù)測值與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行比較,經(jīng)過計(jì)算,平均相對(duì)誤差為9.173%,擬合精度較高,能夠?qū)囅?5#調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，合理選擇切削用量的提供指導(dǎo)，也可為其他材料的切削加工提供一定的理論參考。

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