干式车削不同淬硬状态下Cr12MoV钢表面粗糙度规律分析.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()甘肃省教育厅产业支撑计划项目()甘肃省教育科技创新项目()甘肃省青年科技基金计划项目()作者简介:张继林()男甘肃民乐人副教授硕士 通讯作者:唐林虎()男甘肃武山人教授博士文章编号:()干式车削不同淬硬状态下 钢表面粗糙度规律分析张继林唐林虎马富荣李忠林哈金福(.兰州工业学院 甘肃省高校绿色切削加工技术及其应用省级重点实验室甘肃 兰州.兰州万里航空机电有限责任公司甘肃 兰州.兰州福斯特机械设备有限公司甘肃 兰州)摘要:为研究干式车削不同淬硬状态的 钢表面粗糙度的规律首先采用四因素(切削速度、切削深度、走刀量、硬度)四水平设计正交试验方案然后进行车削实验最后对试验结果进行极差和方差分析试验结果表明:()在影响因素给定的范围内切削速度 、切削深度、走刀量、工件硬度 等 个因素对粗糙度 影响程度由主到次的顺序依次是走刀量 切削速度 工件硬度 切削深度()以粗糙度最小为优化目标不同淬硬状态下 钢最优的车削参数为 即切削速度 /、切削深度 .、走刀量 .()建立粗糙度预测的指数模型(正交回归法 )和非线性模型(响应曲面法 )分析并比较可知二次 模型预测 淬硬钢车削加工粗糙度的精度比 预测模型高关键词:淬硬钢表面粗糙度正交回归法响应曲面法中图分类号:.文献标志码:淬硬钢具有高硬度、高淬透性、高耐磨性、高抗拉强度等优良性能广泛应用在大尺寸、大负载模具制造中必需经过冷加工是典型的难加工 高 硬 材 料 由 于 精 密 干 式 硬 态 切 削()具有高效率、低能耗及无污染等优点目前常采用这种方法加工 淬硬钢孙飞对淬硬模具钢 ()进行了高速铣削试验详细分析了切削参数对切削变形、切削力、切削温度以及表面质量的变化规律以最小铣削力、最低铣削温度、最低表面粗糙度和最优锯齿化程度为 个优化目标函数对切削三要素进行优化 唐林虎设计切削速度、试件硬度、刀具前角、切削深度 个因素三水平的正交试验方案采 用 刀 具 对 不 同 淬 硬 状 态 工 具 钢 进行精密干式硬态车削试验分析了 个因素的交互作用获得最优车削条件同时借助 技术建立 种粗糙度模型并对比分析 马富荣利用干式硬态车削试验平台研究切削速度、走刀量、切削深度、工件硬度对 种不同淬硬状态()模具钢已加工表面粗糙度及三维形貌的影响规律及机理 黄为民深入分析切削加工工艺参数对加工表面完整性及疲劳性能的影响探究淬硬模具钢高效高性能球铣加工机理并提出优化工艺参数控制模具表面高性能的方法综上所述学者们对 淬硬钢的切削加工关注点较高从不同的角度和方面对它进行切削试验研究其加工性能及机理但是同种材料不同的硬度对加工性能也有一定的影响无法满足企业加工生产要求为此笔者利用正交试验研究四因素(切第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .削速度、切削深度、走刀量、硬度)四水平对 淬硬钢的表面粗糙度的影响规律 车削试验.试件材料及设备试件 材 料 为 直 径 长 度 的 工具钢其主要化学成分如表 所示 试验前试件首先通过 热处理淬火再经过不同的低温回火得到硬度为、的试件 试验用的机床为沈阳第一机床厂生产的 数控车床切削现场如图 所示根据文献刀具选用北京沃尔德超硬工具有限公司生产的 复合刀具(型号为)刀头的组成和性能如表 所示其前角 后角实物图如图 所示采用日本三丰生产的便携式 表面粗糙度仪进行表面质量检测其测量现场如图 所示表 工具钢化学成分(质量分数/).表 刀头的组成和性能型号(美国)体积百分比/粒度/黏结剂密度/(/).图 切削现场图 刀头图 测量现场.试验方案及测量正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法利用它设计出来的试验方案能保证水平均匀性和分配均匀性极大地降低了试验次数是一种高效率、快速、经济的试验设计方法 利用上述方法设计连续精车不锈钢四因素(切削速度、切削深度、走刀量、硬度)四水平的试验方案即为四因素四水平正交表()其中四水平如表 所示 依据设计的试验方案利用图 的试验平台进行切削试验每一次试验方案后测不同位置的表面粗糙度 次去掉最大值和最小值后求 次结果的平均值以保证试验数据的有效性表 变量水平水平/(/)/(/)/.试验结果与分析极差分析法是用来比较两组或多组数据的差异性的简单统计方法而方差分析法是用于三组或多组数据的差异性的复杂统计方法并且可对各种因素数据差异性的影响进行分析例如因素的主效应和交互效应等.极差分析与参数优化采用正交试验方案分析后的结果如表 所示利用极差法分析正交试验结果不但可以获得各个因素对试验结果影响的程度而且可以获得最优组合但是不能估计试验过程与结果中存在的误差利用方差法分析正交试验结果正好弥补极差分析的缺点获得相对可靠的数量估计 依据表 中 个因素的极差值以横坐标为影响因素纵坐标为极差 兰州工业学院学报 第 卷值获得影响因素极差分析图如图 所示表 表面粗糙度试验值及其结果分析表影响因素/(/)/(/)/结果/().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().().().()().总和.表中第 列中数字 对应的试验值之和/(第 列中 的重合次数)第 列的 中最大值减去最小值的值其中(水平数)、(影响因素)、图 影响因素极差分析 从表 和图 可知在影响因素给定的范围内切削速度 、切削深度、走刀量、工件硬度 等 个因素对粗糙度 影响程度由主到次的顺序依次是走刀量 切削速度 工件硬度 切削深度 影响最大的是走刀量 影响最小的是切削深度 为了更直观的研究 个因素与粗糙度的关系以影响因素为横坐标轴表面粗糙度的平均值为纵坐标绘制粗糙度与 个影响因素的关系其结果如图 所示 切削速度从 /逐渐增加到/时粗糙度先急剧降低到.后逐步升高到.切削速度在 /(.)和 /(.)的粗糙度相差.近似相同 这主要是切削速度增加使切削刃发挥最大的切削性能同时副后刀面的修复作用将已加工表面光整降低粗糙度但是切削速度继续增加刀具和工件有火星且烧伤刀具导致刀具切削性能下降 粗糙度增大 切削深度从.逐渐增加到.时粗糙度先逐步缓慢降低到.后升高到.切削深度在.(.)和.(.)的粗糙度相差.近似相同变化幅度相对切削速度较小(切削深度不是影响粗糙度的重要因素)主要是因为过小的切削深度使刀具在已加工表面挤压和打滑 粗糙度增加 走刀量从.逐渐增加到.时粗糙度急剧上升到.走刀量在.(.)和.(.)的粗糙度相差较大走刀量增加 倍粗糙度也基本增加 倍这主要是进给量增加切削层公称面积增大粗糙度增大工件硬度从 逐渐到 时粗糙度先升高后降低再升高处于波动的状态硬度(.粗糙度最低)和(.)的粗糙度相差.主要是因为硬度增加使刀具切削性能降低粗糙度增加 综上所述走刀量增加使粗糙度一直处于升高状态切削速度和切削深度增加使粗糙度处于先降低后升高的状态但是切削速度对粗糙度影响比切削深度相比大一点唯有硬度对粗糙度的影响处于波动状态 现以粗糙度最小为优化目标在一定的切削试验条件下不同淬硬状态下 钢最优的车削参数为即切削速度 /、切削深度第 期 张继林等:干式车削不同淬硬状态下 钢表面粗糙度规律分析.、走刀量 .图 粗糙度与 个影响因素的关系.方差分析与预测模型在试验数据的基础上通过正交回归法()建立指数模型与响应曲面法()建立非线性模型 正交回归法指数模型将自变量进行正交化处理避免了多重共线性问题它主要确定主要影响因素不能确定交互影响因素 而响应曲面分析法是一种建立在响应变量与处理条件之间的统计关系能确定互因素之间的交互效应模型精确但较为复杂 本文采用上述 种方法建立以切削速度、切削深度、走刀量、工件淬火硬度 为输入参数的表面粗糙度指数与二次多项式预测模型.指数方程的建立根据试验结果其表面粗糙度的指数预测模型如式()即()式中:为表面粗糙度 为表面粗糙度的修正系数、分别为模型 所对应参数:切削速度、切削深度、走刀量 与工件淬火硬度 的指数对()式两边取自然对数得 ()令 、则()式变为 ()利用表 数据和 技术进行求解得.、.、.、.、.同时得到 指数方程方差分析结果见表 利用 技术进行求解步骤为:打开软件.点击输入数据点击变量视图输入变量点击数据视图输入变量点击文件另保存输入文件名称点击分析回归线性将 移入应变量、移入自变量点击确定所以 .().模型的建立建立 模型时由于独立变量和非独立变量之间的关系是未知首先确定多个独立变量与响应值之间的关系即 个影响因素(多个独立变量)与粗糙度(响应值)之间的关系 在建立该模型时一般采用二次模型其表达式为 ()式中:是 常 数 是 实 验 的 影 响 因 素 个 数()是影响因素 是一阶偏移系数 是二阶偏移系数 是交互作用系数 是正态随机误差 在此模型中包含影响因素的主效应和交互效应在实际工程问题中多因素(三因素及以上)组成的高次交互效应实质上起的作用微乎其微可忽略不计仅考虑主效应与二次交互效应此时式()简化为 ()()()()()()()()()()()利用表 数据和 技术进行求解得.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.同时得到 指数方程方差分析结果见表 技术进行求解步骤具体为:打开软件.点击输入数据点击变量视图输入变量点击数据视图输入变量点击文件另保存输入文件名称点击分析回归非线性将 移入因变量输入模型表达式“兰州工业学院学报 第 卷”给参数赋初始值点击确定得到结果所以 .()表 模型的方差分析模型平方和均方平方和均方回归.残差.总计.由表 可知二次 预测模型的.预测模型的 .值越大表明模型的拟合度好二次 预测模型明显优于 预测模型因此采用二次 模型预测 淬硬钢车削加工粗糙度较准确可信度较高 结论)在影响因素给定的范围内切削速度、切削深度、走刀量、工件硬度 等 个因素对粗糙度 影响程度由主到次的顺序依次是走刀量 切削速度 工件硬度 切削深度)在一定的切削试验条件下以粗糙度最小为优化目标不同淬硬状态下 钢最优的车削参数为 即切削速度 /、切削深度.、走刀量 .)利用正交回归法()和响应曲面法()分别建立粗糙度预测的指数模型和非线性模型对其进行方差分析并比较二次 模型预测 淬硬钢车削加工粗糙度的精度比 预测模型高参考文献:孙飞.淬硬模具钢 高速铣削实验及参数优化研究.天津:天津职业技术师范大学.王亮.铣削 淬硬钢的刀具使用寿命研究与铣削参数优化.苏州:苏州大学.唐林虎黄建龙高成秀等.干式硬态车削淬硬工具钢 表面粗糙度试验与预测模型.兰州理工大学学报():.唐林虎黄建龙高成秀.精密干式硬态车削淬硬工具钢时表面粗糙度的参数优化.制造技术与机床():.马富荣唐林虎李宝栋等.干式车削不同淬硬状态淬硬钢已加工表面粗糙度及三维形貌的试验研究.工具技术():.黄为民.淬硬模具钢 高效高性能球铣加工机理研究.济南:山东大学.王丽君苗彬孟先新.钢不同热处理条件下的硬度和金相组织分析.模具工业():.刘战强万熠周军.高速切削刀具材料及其应用.机械工程材料():.().:.中国科学院数学研究所数理统计组.正交实验法.北京:人民教育出版社.李嘉伟张东民陈剑.基于正交试验的枞树型轮槽加工切削参数优化.工具技术():.易润华邓黎鹏程东海等.基于多指标综合评分方差分析的镍铬合金储能缝焊工艺研究.材料导报():.汪兴贾志欣刘立君等.基于极差分析的 复合材料模压工艺参数优化.中国塑料():.唐林虎.淬硬工具钢的精密干式硬态车削机理研究.兰州:兰州理工大学.张付英夏靖炜张志祥等.基于田口法和响应曲面法的旋转唇密封可靠性分析.润滑与密封():.唐宗军.机械制造基础.北京:机械工业出版社:.袁志发宋世德.多元统计分析.北京:科学出版社:.():.第 期 张继林等:干式车削不同淬硬状态下 钢表面粗糙度规律分析 (.):().:().()/.()()().:(责任编辑:曾贤灏)兰州工业学院学报 第 卷