尹亮

摘 要：304不銹鋼具有優(yōu)良的抗氧化性和抗腐蝕性，其結構性能和物理化學性質比較穩(wěn)定，但在切削的過程中，由于產生的熱能較高，因此其表面質量無法有效把控。本文針對其難以加工的特性，對其進行深入的分析，分別從軸向切削深度、銑削速度、進給量與徑向切削深度四個方面，對銑削力以及表面粗糙度的影響規(guī)律進行研究。本次研究對正交實驗結果采用最小二乘法進行分析，并構建銑削力及加工表面粗糙度與切削參數之間的經驗模型，進而確定了合理的銑削參數。結果表明：當徑向切削深度在2～3mm之間，進給量在0.10～0.15mm/r之間，軸向切削深度在0.7～0.8mm之間，銑削速度在450～500m/min之間時，銑削參數最為適宜。

關鍵詞：高速銑削；304不銹鋼；銑削力；表面粗糙度

Study on the Milling Force and Surface Roughness of

High-speed Milling 304 Stainless Steel

Yin Liang

（Mechanical Engineering Department，Baotou Vocational & Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：304 stainless steel has excellent antioxidation and anticorrosion.Its structural properties and physical and chemical roperties are relatively stable，but the surface quality cannot be effectively controlled owing to the high heat in the cutting process.This paper studied the effects of milling force and surface roughness from the axial cutting depth，the milling speed，the feed rate and radial cutting depth.The orthogonal experiment results are analyzed in this study by least square method and constructs the empirical model between milling force and surface roughness and cutting parameters to determine the reasonable milling parameters.The results shows that the parameters are the most appropriate when the radial cutting depth is between 2 and 3mm，the feed rate is between 0.10 and 0.15mm/r，the axial cutting depth is between 0.7 and 0.8mm and the milling speed is between 450 and 500m/min.

Key words：high-speed milling;304 stainless steel;milling force;surface roughness

304不銹鋼不但硬度、強度較高，其高溫耐腐蝕性也是十分優(yōu)越，其綜合性能十分優(yōu)良，因此在航空、醫(yī)療、船舶等高技術領域應用廣泛。［1］切削力在切削加工中具有不可忽視的作用，其變化情況會對刀具的使用壽命以及表面質量產生直接影響?，F階段，對涂層刀具高速銑削高強度鋼的銑削力研究仍然不夠完善，因此本篇文章以TiAIN涂層刀具為例，采用高速銑削加工的方式，進行銑削力和表面粗糙度與銑削參數之間的規(guī)律研究，以供參考。

1 高速銑削的特點

高速銑削是指采用高的進給速度和小的切削參數，其優(yōu)點首先是效率高，加工時主軸最高轉速可達到100000r/min，正常情況下轉速也保持在15000r/min至40000r/min之間。在進行切削鋼時，切度削速能夠達到400m/min，與普通銑削加工相比，高出約5至10倍。在進行模具型腔加工時，其效率也能夠提升4至5倍；其次是精度高，高速銑削的加工精度能夠保持在10μm，有時甚至更高；再次是表面質量高，使用高速銑削方式進行加工時，其工件溫度上升情況保持在3℃左右，由于溫度變化較小，因此工件表面不易產生變質層或者微裂紋的情況，以及熱變形情況也微乎其微。同時表面粗糙度能夠控制在1μm以下，在后期進行加工的過程中，能夠有效的降低拋光和磨削的工作強度；最后是能夠對高硬材料進行加工，其最高銑削硬度可達60HRC。［2］

2 切削實驗

本次實驗選用的實驗設備以及工具情況如下，首先立式JC-30Ca型號加工中心作為實驗機床，304不銹鋼作為實驗材料，刀具選用型號為D8×20×60×4F規(guī)格的四刃直柄平底立銑刀。采用順銑，干切削無切削液，空冷的方式，［3］在正交實驗設計的過程中，要采用四因素五水平的方式對其進行科學合理的設計，在對銑削力，表面粗糙度進行數據分析時，采用極差法。本次實驗的主要原理，見圖1。

3 實驗結果分析

3.1 軸向切削深度與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系

軸向切削深度與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系，具體數據可參考表1和表2。

通過表1各項數據的顯示，可以得出：主銑削力為Fy，通過數據顯示，隨著軸向切削深度的不斷加大，銑削力Fy和FX總體呈現上升的趨勢，而Fz的銑削力始終較為平穩(wěn)地保持在10N至20N之間。軸向切削深度增加，表明材料的厚度和體積都在增加，導致切削阻力變大，因此銑削力也隨之增加。

通過表2各項數據的顯示，可以得出：隨著軸向切削深度的不斷增加，切削材料表面的粗糙度也在不斷的下降，提升了工件表面的質量。產生這種情況的主要原因在于，當切削深度較小時，表明切削材料的體積較小，因此在切削的過程中，無法將產生的熱量有效地帶走，會使得工件表面由于熱量過大，從而發(fā)生變形的情況，將增加粗糙程度； ［4］其次通過表2 可以看出，當切削深度為0.5mm至0.6mm時，隨著切削深度的增加，表面粗糙度也隨之增加，這是由于隨著切削深度的不斷加大，阻力增加，銑削力加大，因此會出現刀尖磨損的情況，使得工件表面質量呈現下降狀態(tài)；最后隨著縱向深度的繼續(xù)加深，切屑能夠將加工過程中產生的熱量大面積地帶走，因此有效降低了工件表面出現變形的情況，降低了表面粗糙度。

3.2 銑削速度與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系

銑削速度與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系，具體數據可參考表3和表4。

通過表3各項數據的顯示，可以得出：主銑削力為Fy，隨著銑削速度的不斷增加，銑削力也隨之不斷下降，出現該種情況的主要原因是：隨著銑削速度的增加，剪切角也在不斷的擴大，剪切力因此而隨之下降，隨著銑削速度不斷增加，釋放的熱能也在不斷增加，使得工件呈現一定的軟化狀態(tài)，因此導致摩擦系數逐漸降低，銑削力隨之降低。

通過表4各項數據的關系可以得出：隨著銑削速度的不斷增加，表面粗糙度數值呈現逐漸下降的趨勢，但是當銑削速度達到450m/min至500m/min時，表面粗糙度的數值又呈現上升的趨勢。出現該種情況的主要原因是：當銑削速度較小時，其產生的熱能較小，因此對工件表面產生的影響較小，不會導致其出現明顯的熱軟化現象，銑削力對工件表面產生一定的積壓，從而對工件表面的粗糙程度產生一定的影響。［5］但是隨著銑削速度的不斷增加，不僅會產生大量的熱能，同時刀具也會受到一定程度的磨損，因此會產生一定比例的積屑瘤和鱗刺，工件表面的質量會受到嚴重的影響，其粗糙程度不斷增加。

3.3 進給量與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系

進給量與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系，具體數據可參考表5和表6。

通過表5各項數據的關系可以得出：主銑削力為Fy，隨著進給量的不斷增加，銑削力也隨之不斷增加，FZ的變化情況與Fy的變化情況保持相對一致，均與進給量呈現正比例的關系。這是由于在單位時間內，刀具進行銑削的材料面積在不斷的增加，其抗變形能力也隨之呈現增長的趨勢。而FX的銑削力較為穩(wěn)定地停留在35N至45N之間，并沒有隨著進給量的變化而產生較大的變動。

通過表6各項數據的關系可以得出：隨著進給量數值的不斷增加，工件表面的粗糙度整體呈現上升的趨勢。當進給量在0.1/mm·r-1與0.15/mm·r-1之間，和進給量在0.2/mm·r-1與0.25/mm·r-1之間時，表面粗糙度數值呈現了一定的下降趨勢，產生該種情況的主要原因，可能是由于隨著切削力的不斷增加，刀具的自激振動受到了一定程度的抑制，從而導致工件表面的粗糙度減小。［6］

3.4 徑向切削深度與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系

徑向切削深度與銑削力、表面粗糙度之間的影響關系，具體數據可參考表7和表8。

通過表7各項數據的關系可以得出：主銑削力為Fy，隨著徑向切削深度數值的不斷增加，銑削力數值整體呈現上升趨勢，其中Fy與FX上升趨勢較為迅速，而FX的上升情況則相對較為平穩(wěn)。同時在徑向切削深度在3mm與4mm之間時，三個銑削力均呈現一定穩(wěn)定狀態(tài)，產生該種情況的原因，可能是由于隨著切削厚度的增加，加工產生的熱量與切屑帶走的熱量達到一種平衡。此外，在進給量為1mm至2mm之間的時候，FZ的銑削力數值出現了階段性的下降，產生該種情況的原因，可能是由于切削力的下降，自激振動影響到了機床，而產生的數值變化。

通過表8各項數據的關系可以得出：隨著徑向切削深度的數值不斷增加，工件表面粗糙度的數值呈現波浪式的變化。產生該種情況的主要原因，可能是由于隨著徑向切削深度的不斷加深，切削量在不斷地增加，自激振動情況出現，同時刀具受到一定損傷，出現鱗刺和積屑瘤，對工件表面的粗糙度產生較為劇烈的影響，最終導致徑向切削深度與表面粗糙度之間呈現波浪式的關系。

4 結論

本試驗研究在進行回歸分析時，采用最小二乘法，在進行經驗模型建立時，利用MATLAB軟件進行構建，通過對上述表格的數據進行分析，可以得出其經驗模型。利用經驗模型公式，將數據進行計算，其相對誤差值均在10%以內，表明該公式計算相對準確，因此應用此公式，對304不銹鋼的銑削參數進行計算，其最佳參數取值分別為：徑向切削深度在2mm與3mm之間，進給量在0.10mm/r與0.15mm/r之間，切削深度在0.7mm與0.8mm之間，銑削速度在450m/min與500m/min之間。

綜上所述，軸向切削深度、銑削速度、進給量與徑向切削深度都會對銑削力與表面粗糙度產生一定的影響。在實驗的過程中，為了保證實驗數據的準確性，要對數據進行全面精準的記錄，為了更好地對其進行加工，需要對佳參數值進行測量，在加工的過程中加以控制，以呈現高質量的工件。

參考文獻：

［1］郭琳，黃樹濤，楊海成，等.高速銑削光學級SiCp/Al復合材料的銑削力預測［J］.光學精密工程，2021，29（1）：117-129.

［2］淮文博，史耀耀，杜羽寅，等.面向多目標的高溫合金GH4169銑削工藝參數優(yōu)化［J］.現代制造工程，2020（11）：1-6、12.

［3］張昱，張昌明，王運，等.300M超高強度鋼銑削力模型構建及MOPSO優(yōu)化［J］.兵器材料科學與工程，2021，44（1）：27-35.

［4］張家雨，唐德文，鄒樹梁，等.基于中心復合響應曲面法的42CrMo高速銑削試驗分析［J］.制造技術與機床，2019（2）：94-100.

［5］于英釗，高軍，鄭光明，等.高速干銑削高強鋼銑削力及表面粗糙度研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2018（12）：21-24.

［6］陸峰，王筱晴，查麗瓊，等.不同碳源濃度金剛石涂層刀具切削石材的性能研究［J］.人工晶體學報，2018，47（9）：1873-1880.

（責任編輯 郭曉勇）