閆存富，劉 超

(黃河科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)研究所, 鄭州 450063)

1001-2265(2017)10-0146-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.035

2016-11-17；

2016-12-09

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210170)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140754)；河南省民辦教育品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(ZLG201601)

閆存富(1972—)，男，河南安陽(yáng)人，黃河科技學(xué)院副教授, 碩士生導(dǎo)師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)，快速成型制造技術(shù)，(E-mail)ycf100@126.com。

45#調(diào)質(zhì)鋼車(chē)削表面粗糙度研究*

閆存富，劉 超

(黃河科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)研究所, 鄭州 450063)

為提高數(shù)控車(chē)削45#調(diào)質(zhì)鋼的加工表面粗糙度，基于正交試驗(yàn)法和單因素試驗(yàn)法設(shè)計(jì)車(chē)削試驗(yàn)，通過(guò)極差和方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究切削用量三要素(切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量)對(duì)加工表面粗糙度的影響。結(jié)果表明: 影響車(chē)削加工表面粗糙度的顯著性參數(shù)依次為切削速度>背吃刀量>進(jìn)給量；單因素試驗(yàn)法分析結(jié)果表明加工表面粗糙度隨切削速度的增加而降低，隨進(jìn)給量和背吃刀量的增加而增大。

數(shù)控車(chē)削;表面粗糙度;正交試驗(yàn)

0 引言

表面粗糙度是零件已加工表面具有的較小間距和微小峰谷所組成的微觀幾何特性，即加工表面的幾何形狀誤差，直接影響著零件的摩擦磨損、外觀質(zhì)量、疲勞強(qiáng)度及裝配質(zhì)量等使用性能和壽命，是衡量零件表面加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。切削加工是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)，其中又以車(chē)削加工的比重最大。合理選擇切削參數(shù),對(duì)提高車(chē)削加工零件表面粗糙度具有重要的意義[1-3]。

目前對(duì)工件的切削加工粗糙度的研究較多集中于鈦合金、高硬度淬火鋼、鋁合金及氧化鋯陶瓷等材料[4-10]，對(duì)45#調(diào)質(zhì)鋼車(chē)削加工表面粗糙度及工藝參數(shù)優(yōu)化的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。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大的機(jī)械加工件、鍛件、沖壓件等方面。本文以車(chē)削45#調(diào)質(zhì)鋼試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用正交試驗(yàn)法和單因素試驗(yàn)法設(shè)計(jì)車(chē)削試驗(yàn)，采用光切顯微鏡檢測(cè)工件的加工表面粗糙度，采用極差法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。研究切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量三因素對(duì)車(chē)削加工表面粗糙度的影響程度，采用單因素分析法分析各因素對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

在CKA6150數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行試件切削試驗(yàn)，如圖1所示, 該機(jī)床采用Fanuc 0i Mate-TC系統(tǒng)。切削刀具刀桿型號(hào)為DWLNR2525-M08，刀片型號(hào)為WNMG080404-SF, 材料為硬質(zhì)合金材料。試件材料為45#調(diào)質(zhì)鋼，長(zhǎng)度為80mm，直徑為30mm,平均硬度為HRC30～32，如圖2所示，試件主要化學(xué)成分如表 1 所示。選用“長(zhǎng)城M101”號(hào)乳化液為切削液。用圖3所示的雙管光切顯微鏡對(duì)加工樣件的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

圖1 車(chē)削試件的機(jī)床

圖2 試驗(yàn)用試件

圖3 試驗(yàn)用測(cè)量?jī)x器

表1 45#調(diào)質(zhì)鋼主要化學(xué)成分 (%)

1.2 試驗(yàn)方法

先在數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行試件切削，將切削出的試件清洗后晾干，再采用圖3所示的雙管光切顯微鏡測(cè)量試件的表面粗糙度，為增加測(cè)量結(jié)果的可靠性，在試件圓周方向上120°等間隔取3個(gè)點(diǎn)，沿試件軸線方向均勻取3個(gè)點(diǎn)，共取9個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量其粗糙度值，取9個(gè)點(diǎn)粗糙度值的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。采用極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究切削用量對(duì)加工表面粗糙度的影響。

表2試驗(yàn)因素水平

水平切削速度vc/(m·min-1)進(jìn)給量f/(mm·r-1)背吃刀量ap/mm15000．100．1027100．150．15310000．200．20

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

表面粗糙度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，第8組試驗(yàn)的粗糙度值最小為8.82，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)27次試驗(yàn)中的三分之一，上述試驗(yàn)最優(yōu)組合沒(méi)有考慮剩下的三分之二的試驗(yàn)，所以還需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，來(lái)確認(rèn)上述試驗(yàn)最優(yōu)組合是否就是最優(yōu)組合。

2.1 極差分析

KA1=Y1+Y2+Y3;

KA2=Y4+Y5+Y6;

KA3=Y7+Y8+Y9;

表3 試驗(yàn)因素及試驗(yàn)結(jié)果

表4 極差分析計(jì)算結(jié)果

2.2 方差分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析法雖然簡(jiǎn)單、直觀、計(jì)算量較小,但不能估計(jì)試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果中誤差的大小,也不能給出誤差大小的無(wú)偏估計(jì)，無(wú)法確定各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性[12]。而方差分析可以評(píng)價(jià)各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性大小,因此,需要采用方差分析來(lái)研究切削用量對(duì)車(chē)削加工表面粗糙度影響的顯著性。方差分析的計(jì)算結(jié)果如表5所示：具體計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

由表5中方差分析結(jié)果可知，在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的F值分別為：0.6372, 0.0838, 0.4878；響應(yīng)P值分別為：52.71, 6.932, 40.35。由此可知：在本試驗(yàn)選定的參數(shù)中，切削速度對(duì)加工表面粗糙度的影響最大，其次是進(jìn)給量，背吃刀量對(duì)加工表面粗糙度的影響最小。該結(jié)論與前述極差分析的結(jié)論一致。

表5 方差分析計(jì)算結(jié)果

2.3 單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)分處理與分析

為了更直觀地反映各加工因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律,采用單因素法進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，研究切削速度vc、進(jìn)給量f和背吃刀量ap三因素對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律。分別以切削速度vc、進(jìn)給量f和背吃刀量ap三個(gè)因素為橫坐標(biāo),以各因素在不同水平處粗糙度的平均值Ra為縱坐標(biāo)，繪制各因素對(duì)加工表面粗糙度影響的變化趨勢(shì)圖,如圖4所示。

圖4a為在切削速度對(duì)切削工件表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖。由圖4a可知，隨著切削速度的增加，被加工件的表面粗糙度值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)榈退偾邢鲿r(shí)，切屑與被加工零件的分離速度較小，使加工表面產(chǎn)生硬損傷，導(dǎo)致加工表面的粗糙度較大。隨著切削速度的增加，材料來(lái)不及變形，單位時(shí)間內(nèi)刀具與工件。

被加工表面的接觸次數(shù)增多，產(chǎn)生較多的切削熱使工件材料軟化，增大了切削區(qū)域材料的塑性變形，有效的減小了刀具和已加工表面的摩擦力，同時(shí)刀具對(duì)已加工表面上的軟化層產(chǎn)生輕微的擠壓熨平作用，減小了加工表面的粗糙度。

(a)切削速度的影響

(b) 進(jìn)給量的影響

(c) 背吃刀量的影響圖4 切削用量對(duì)表面粗糙度的影響

進(jìn)給量是指刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量。本文試驗(yàn)中車(chē)削外圓柱面，進(jìn)給量是指工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具切削刃相對(duì)于工件在進(jìn)給方向上的位移量，單位是mm/r。圖4b為進(jìn)給量對(duì)切削工件表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖。從圖中可以看到，隨著進(jìn)給量的增大，工件表面粗糙度值逐漸增大。這主要是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增加，刀具單位面積上的切削負(fù)載增大，進(jìn)給方向上的切削殘留高度增大，從而增大了表面粗糙度值，與此同時(shí)，走刀方向上進(jìn)給量的增大會(huì)影響到過(guò)渡表面的形狀，也會(huì)影響加工表面沿走刀方向的表面粗糙度。

背吃刀量又叫切削深度，是指垂直于進(jìn)給速度方向的切削層的厚度，一般指工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，圖4c為車(chē)削工件表面粗糙度隨背吃刀量的變化趨勢(shì)圖。由圖可知，表面粗糙度的值隨著背吃刀量的增大而增加。這是因?yàn)樵龃蟊吵缘读浚都獾乃矔r(shí)負(fù)載和前刀面的摩擦系數(shù)增大，刀尖圓弧半徑變小，增大了切削時(shí)產(chǎn)生的切削力，機(jī)床刀具系統(tǒng)的振動(dòng)也隨之加大，切屑變形加劇，降低了被加工表面質(zhì)量。因此為了獲得理想的表面粗糙度，可采用較小的背吃刀量進(jìn)行切削。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)背吃刀量為0.10mm時(shí)，表面粗糙度值比較低。但背吃刀量太小，會(huì)降低生產(chǎn)效率，因此在實(shí)際切削過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇背吃刀量參數(shù)，在保證加工質(zhì)量的前提下，盡量提高加工效率。

3 結(jié)論

(1)基于正交試驗(yàn)法和單因素試驗(yàn)法，采用方差分析法和極差分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量三因素對(duì)車(chē)削加工表面粗糙度的影響。

(2)正交試驗(yàn)極差分析和方差分析結(jié)果表明：在本文所選參數(shù)中，切削速度對(duì)粗糙度的影響最大，其次是背吃刀量，進(jìn)給量對(duì)車(chē)削加工粗糙度的影響較小。

(3)單因素試驗(yàn)分析結(jié)果表明：車(chē)削45#鋼時(shí)，加工件表面粗糙度隨切削速度的增加而降低，隨進(jìn)給量和背吃刀量的增加而增加。

(4)影響車(chē)削粗糙度的因素很多，在實(shí)際加工過(guò)程中，還應(yīng)考慮機(jī)床本身性能、刀具幾何參數(shù)及磨損狀況、工件材料等因素合理選擇切削用量。

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InvestigationonSurfaceRoughnessof45#QuenchedandTemperedSteelTurning

YAN Cun-fu， LIU Chao

(Huanghe College of Science and Technology, Institute of Advanced Manufacturing Technology，Zhengzhou 450063，China)

In order to improve the surface roughness of NC turning 45#quenched and tempered steel. The turning test was designed based on the combination of orthogonal test and single factor test. The range method and variance method were used to analyse the influencing of three cutting factors (cutting speed, feed rate and cutting depth) on the surface roughness. The results show that the significant factors from high to low are the cutting speed, the cutting depth and the feed rate; The influencing of the three factors on the surface roughness is as follows : The surface roughness decreases with the increasing of cutting speed, but increases with the amount of feed rate and the cutting depth.

NC turning; surface roughness; orthogonal test

TH16；TG506

A

(編輯李秀敏)