周超，姜增輝，張瑩，邵忠偉，王冬月

1沈陽理工大學(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

插銑是近些年發(fā)展起來的一種高效銑削新方式，在深槽腔的粗開加工中具有較好的切削穩(wěn)定性和較高的切削效率，主要應(yīng)用于航空鈦合金深槽加工與難加工材料深腔加工[1]。34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼因具有良好的韌性、淬透性和耐磨性等，被普遍應(yīng)用于軍用武器、航空航天及車輛工程等重工業(yè)制造領(lǐng)域[2]。

許多國內(nèi)外學(xué)者在深入研究高強(qiáng)度鋼切削力時發(fā)現(xiàn)，插銑加工可以高效快速地切削工件材料，有效提高零件的加工效率。Sun C.等[3]在研究插銑加工時發(fā)現(xiàn)，減小刀具切削深度和改變接觸面積可以避免產(chǎn)生頂?shù)冬F(xiàn)象。楊富偉[4]建立了30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼插銑模型，研究小切削寬度插銑切削參數(shù)對銑削力的影響，結(jié)果表明，每齒進(jìn)給量和切削速度對銑削合力的影響較小，而徑向切削寬度和插銑步距對其影響較大。崔立強(qiáng)[5]對銑削力仿真和刀具變形量進(jìn)行了研究，得到插銑和側(cè)銑工件的加工精度。丁悅等[6]建立了38CrSi高強(qiáng)度鋼端銑動態(tài)銑削力系數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，實驗研究結(jié)果表明，在選取的實驗參數(shù)范圍內(nèi)，每齒進(jìn)給量對銑削力系數(shù)影響程度最大。劉衣昌[7]通過建立42CrMo高強(qiáng)度鋼銑削模型，在不同切削參數(shù)下對其進(jìn)行了切削力變化趨勢的研究，發(fā)現(xiàn)銑削力隨進(jìn)給量、徑向切削深度及軸向切削深度的增大而增大。李昊澤等[8]建立了AF1410高強(qiáng)度鋼的二維高速切削仿真模型，得出了進(jìn)給力會隨著切削速度和切削深度的增大而增大，而兩者對主切削力的影響較小的結(jié)論。何少林等[9]以45鋼和40Cr為試件，對比研究順銑與逆銑結(jié)果表明，逆銑加工時切削力較小。林謙等[10]通過單因素試驗對GH4169高溫合金進(jìn)行了高效插銑粗加工研究，得出了順銑最優(yōu)銑削參數(shù)。

由于34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度高和硬度大，在插銑加工過程中銑刀的徑向切削力較大，使其極易產(chǎn)生振動現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具磨損加劇，刀具使用壽命降低。目前對34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼切削力的研究相對較少，尤其在插銑加工時切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律仍未完全了解。因此，建立34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼插銑的切削仿真模型，運(yùn)用正交試驗法研究34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼插銑加工時切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律具有較為重要的工程應(yīng)用價值。

2 仿真建模

2.1 本構(gòu)模型

Johnson-Cook在高應(yīng)變率、大應(yīng)變及高溫環(huán)境下研究金屬材料的強(qiáng)度極限以及失效過程應(yīng)用最多，因此采用此模型作為工件材料34CrNi3Mo的本構(gòu)模型，其表達(dá)式為

(1)

2.2 切削模型

工件尺寸為200mm×200mm×80mm，切削模型如圖1所示，為節(jié)省計算量，工件的幾何模型簡化為60mm×60mm×30mm。在劃分網(wǎng)格時為保證仿真的準(zhǔn)確度，故將工件網(wǎng)格數(shù)設(shè)為90000個。

由于工件材料為34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼，要求刀具材料需具有良好的綜合力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性。刀片選用R210-09 04 14E-PM S30T，刀具主要參數(shù)如表1所示。因為刀具刃口半徑為0.4mm，所以為保證網(wǎng)格足夠細(xì)化，故可將插銑銑削刀具的網(wǎng)格數(shù)設(shè)為20000。

圖1 切削模型

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、切削寬度ae和每齒進(jìn)給量fz作為三個主要因素，建立三因素三水平的正交仿真研究方案。

表2 L9(33)切削參數(shù)正交仿真方案

3.2 正交試驗仿真結(jié)果

插銑加工過程中主切削力為Z方向，因此只研究Z方向的切削力。當(dāng)切削速度vc=80m/min，切削寬度ae=5mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z時，插銑切削力應(yīng)力如圖2所示，主切削力的瞬時變化曲線如圖3所示。

圖2 插銑主切削力應(yīng)力云圖

圖3 仿真瞬時主切削力

對主切削力的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)的主切削力的平均值為正交仿真試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)所建立的正交表進(jìn)行9組仿真試驗，結(jié)果見表3。

表3 L9(33)正交試驗仿真數(shù)據(jù)

3.3 極差分析

對表3中的主切削力的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析處理，結(jié)果如表4所示，切削參數(shù)對主切削力Fz影響主次程度為ae>fz>vc。因此得到插銑34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時切削參數(shù)的綜合最優(yōu)方案，則以最小主切削力為目標(biāo)的最優(yōu)方案為A3B1C1。

表4 切削力仿真結(jié)果極差

由圖4可知，主切削力隨著切削速度的增大而減小。在插銑高強(qiáng)度鋼時，隨著vc增大切削溫度升高，導(dǎo)致摩擦減小，變形系數(shù)減小，故主切削力下降。因此要想在插銑過程中獲取較小的主切削力，可適當(dāng)提高切削速度。

圖4 切削速度對主切削力的影響

由圖5可知，主切削力隨著切削寬度的增大而增大。在研究插銑34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時，隨著切削寬度ae增加，切削面積增大，同等條件下所需的主切削力會增加。因此在插銑加工高強(qiáng)度鋼時，想要獲得較小的主切削力，則應(yīng)選擇較小的切削寬度。

由圖6可知，主切削力隨著每齒進(jìn)給量的增大而增大。在研究插銑34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時，隨著每齒進(jìn)給量fz增大，切屑厚度增加，切削變形系數(shù)減小，導(dǎo)致主切削力增大。因此，在插銑加工高強(qiáng)度鋼時，想要獲得較小的主切削力，應(yīng)選擇較小的每齒進(jìn)給量。

圖5 切削寬度對主切削力的影響

圖6 每齒進(jìn)給量對主切削力的影響

3.4 方差分析

對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表5。臨界值F取F0.05(2，2)=19.00，F(xiàn)0.01(2，2)=99.00。由方差分析表可知，切削寬度對試驗結(jié)果影響非常顯著，而每齒進(jìn)給量和切削速度對試驗結(jié)果影響不顯著，插銑高強(qiáng)度鋼時，切削參數(shù)對主切削力Fz影響的顯著性順序為ae>fz>vc。在插銑高強(qiáng)度鋼的仿真結(jié)果中，主切削力的方差分析與極差分析結(jié)果相同，證明極差分析的結(jié)果準(zhǔn)確。

表5 主切削力仿真結(jié)果方差分析

比較表5中F值可以得出，切削參數(shù)影響主切削力的顯著性順序均為ae>fz>vc，這與極差分析結(jié)論一致，驗證了極差分析的準(zhǔn)確性。

3.5 建立主切削力的經(jīng)驗公式

利用正交試驗結(jié)果，通過多元線性回歸擬合，建立主切削力的經(jīng)驗公式為

(2)

如表6所示，對插銑34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼進(jìn)行主切削力的正交試驗數(shù)據(jù)多元回歸分析，其中R2為多元線性回歸的相關(guān)系數(shù)，若R2值越趨近于1，表示經(jīng)驗公式的擬合程度越高；若0.90.9，因此經(jīng)驗公式擬合程度極高。對經(jīng)驗公式進(jìn)行顯著性檢驗可知，各公式的F值大于F臨界值，表示經(jīng)驗公式的線性關(guān)系顯著。

表6 回歸分析摘要

4 結(jié)語

采用正交仿真試驗法研究了插銑加工34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時切削參數(shù)對主切削力的影響規(guī)律。通過極差和方差分析法得出切削參數(shù)對主切削力Fz影響主次順序及顯著性程度，并得到了以降低主切削力為優(yōu)化目標(biāo)時的切削參數(shù)最優(yōu)組合，結(jié)論如下。

(1)切削參數(shù)對主切削力的影響主次順序為：切削寬度ae>每齒進(jìn)給量fz>切削速度vc。

(2)從整體上看，主切削力隨vc的增大而減小，隨ae和fz的增大均明顯增大。

(3)在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，插銑加工34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼時主切削力最優(yōu)的切削參數(shù)為：切削寬度ae=3mm，每齒進(jìn)給量fz=0.08mm，切削速度vc=100m/min。