一种超临界材料铣削切削力试验研究*

韩俊峰 梁军华 高宏力 陈洪涛

(①四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000；②西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

为适应低碳经济结构，火电机组发电效率要求不断的提升，传统机组将难以满足，因此国内新增的火电机组将以超临界或超超临界机组为主(最高使用温度为566 ℃～630 ℃；蒸汽参数24 MPa)。

超临界材料1Cr11Co3W3NiMoVNbNB是一种从日本日立公司引进的超临界机组用马氏体不锈钢。其为一种改良型Cr12%钢，在Cr12%钢基础上添加了Co、W等元素，使其在高温强度、持久性能等方面有了很大的提高，主要用于超临界汽轮机的叶片、螺栓、围带、转子等零部件的制造用材[1]。

切削力是金属切削过程中一个重要物理现象，切削力与切削热、刀具磨损、加工表面质量等息息相关，是计算机床功率、刀具及夹具等工艺系统强度的重要依据[2-6]。影响切削力的因素有许多，切削用量是其中一项重要因素。本文研究切削用量的改变对切削力作用，对于指导切削用量的选取和分析切削过程都有重要意义。

1 试验条件

(1)实验机床：加工中心VDL850D，主轴功率15 kW。

(2)实验刀具：成都英格数控刀具有限公司，φ30mm；可转位铣刀EM90-30LD15L200，刀片型号LDFT1504PDSR-33，所装刀片的个数为2个。

(3)冷却条件：嘉士多4K切削液。

(4)铣削方式：满刀切削宽度、顺铣。

(5)工件材料：1Cr11Co3W3NiMoVNbNB不锈钢，机械性能如表1所示。

表1 工件材料机械性能

屈服强度σs/MPa抗拉强度σb/MPa伸长率δ/%≥620≥885≥15断面收缩率ϕ/%冲击功Akv/J660°持久应力/h≥45≥107≥100

毛坯规格：φ125 mm×50 mm，外形为凸字形状，下部通过螺钉与测力台连接，上部凸台用于切削实验，见图1。

(6)切削力测量系统：奇石乐仪器仪表公司Kistler9257B测力仪、5070A电荷放大器、集16通道A/D转换卡和数据分析处理软件Dewesoft-6-se于一体的DEWE3020数字采集工控机，切削力测量系统如图2所示。该测量系统可测量铣削过程中主切削力FC(对应测力台的Fx)、进给力FF(对应测力台的Fy)和背向力FP(对应测力台的Fz)等三个方向的切削力。由测量系统测得三向分力，通过切削力合成计算公式可得到总切削力。

(1)

(7)试验方案：试验采用单因素实验法，即只改变切削用量的某一个参数，其余切削条件不变的情况下，对超临界材料1CrllCo3W3NiMoVNbNB进行铣削实验，研究切削用量变化对切削力的影响规律，并给出该种超临界材料粗铣时的参考切削用量。

2 试验结果及分析

切削力是指切削过程中作用在刀具或工件上的力，它是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。切削力主要来源于3个方面：(1)克服切削层弹性变形的抗力。(2)克服切削层塑性变形的抗力。(3)克服切屑对刀具前面、工件对刀具后面的摩擦力。根据金属切削原理，有切削力指数计算公式[7]：

(2)

式中：F为切削力；C为与工件和切削条件有关的系数；x、y和z分别为背吃刀量ap、每齿进给量fz和切削速度vc的指数；K为各种因素对切削力的修正系数的乘积。

2.1 背吃刀量ap改变对切削力的影响

如图3所示，切削力随背吃刀量ap改变的变化规律(其中vc= 100 m/min，fz= 0.15 mm/齿，ap分别取0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 mm)。

从图3可以看出，三向力的大小顺序为FC、FF和FP。对比各力曲线的斜率可知，背吃刀量ap对FC影响明显，几乎成比例关系，对FF的影响次之，对FP几乎没影响。总切削力F的变化规律与FC的变化规律相似。

背吃刀量ap对主切削力FC影响几乎成比例，原因是当切削速度和进给量保持不变，若背吃刀量增加一倍，则切削的切屑宽度、切屑与刀具前刀面接触的面积都随之增大一倍，从而使得切削过程中I变形区变形抗力和刀具前刀面上摩擦抗力增大，故主切削力FC增大，几乎与背吃刀量成正比例增大。

但当背吃刀量ap超过一定程度时，二者逐渐呈现非线性关系[1]。因为背吃刀量增大的同时会引起切削热增多，使得刀屑面温度升高、导致摩擦系数减小，使得主切削力部分减小。

背吃刀量ap增加使得切削面积增加，进给阻力增大，故进给力FF增大；背吃刀量ap引起的切削层金属、切屑的变化对背向力FP影响很小，如图3所示FP的变化很小。

2.2 进给量fz改变对切削力的影响

如图4所示，切削力随进给量f改变的变化规律(其中vc=100 m/min，ap= 1.0 mm，fz分别取0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 mm/齿)

从图4可以看出，三向力大小顺序为FC、FF、FP。各力随进给量的增大成增大趋势，变化趋势与改变背吃刀量相似，但没有背吃刀量的作用那么明显。对比各力曲线的斜率可知，进给量对FC影响大些，对FF、FP的影响较小。

影响原因分析：(1)进给量增加，切削的切屑厚度增厚，切屑的变形抗力增大，故切削力FC、FF、FP也随之增大。(2)进给量增加，虽然切屑的厚度增大，但切屑的宽度未变，切屑与前刀面的接触面积未变，故切削力随着进给量增加而增大，但没有背吃刀量增加的迅速。(3)刀具在制造以及刀尖强度方面的问题，刀尖处必然有刀尖圆弧的存在，切削过程中刀尖圆弧随着切削的旋转运动和切削进给的移动，会使工件上产生残余的未切削材料。其他因素不变，进给量增加，单位时间两刀尖移动的距离增大，则工件上残留面积将增大，工件残留部分材料对刀具的挤压力也会增大，其可以部分抵切削力[5]，故进给量对FF、FP的影响较小些。

2.3 切削速度的改变对切削力的影响

如图5所示，切削力随切削速度vc改变的变化规律(其中fz= 0.15 mm/齿，ap=1 mm保持不变，vc分别取50、100、150、200和250 m/min)

从图5可以看出，三向力大小依次为主切削力FC，进给力FF，背向力FP。对比各力曲线的斜率可知，vc对FC影响明显，对FF的影响次之，对FP的影响较小。切削速度对切削力的影响比较复杂，刚开始增大，随后趋于减小。

当vc在<100 m/min低速段时，随着vc增大，切削力增大。原因是随着切削速度的增加，切屑底层新生的表面与刀具前刀面接触的时间减小，切屑的滞留层会嵌入凸凹不平的前刀面中，形成全面接触，使得切削阻力增大， 另外由于此材料属于不锈钢，不锈钢在低速切削时容易形成积屑瘤，粘结刀具，也使得切削力增大。

当vc在100～200 m/min时，随着vc增大，切削力减小。原因是随切削速度增大，切削温度继续升高，超过一定温度时，在切削温度的作用下，在第Ⅰ变形区切削层金属变形系数和摩擦系数减小，剪切角增大，使切削力减小；在第Ⅱ变形区刀屑平均温度升高，引起刀屑平均摩擦系数的减小，进而导致切削力减小[2]。

当vc在200～250 m/min时，随着vc增大，切削力也在减小，但减小的斜率相对变小了，原因是随着切削区温度进一步升高，工件的回弹加剧，使得工件与刀具后刀面的挤压和摩擦加剧，增大了背向力和进给力，从而使切削力减小的斜率相对变小了[3-4]。

如图5所示FF随vc的变化与同FC，先增大后减小；切削速度对FP基本没有影响。

2.4 粗铣加工时切削用量的选取

粗加工阶段主要目的是去除多余金属材料，铣削加工金属去除率公式[6]：

Q=(ap×ae×fz×z×n)/1 000

(3)

式中：Q为金属去除率，cm3/min；ap为背吃刀量，mm；ae为侧向吃刀宽度(粗加工以及本文实验采用满刀切宽)fz为每齿进给量，mm/齿；z为铣刀齿数，n为机床主轴转速n=Vc×1 000/(πD)，r/min。从公式看出提高切削用量可以提高金属去除率。

粗加工时应尽量选择较大的背吃刀量，以减少走刀次数，提高金属去除率。在考虑机床功率、刀具强度以及工艺系统刚度的条件下，粗铣该超临界材料建议ap取1 mm左右。

粗加工时增大进给量带来的加工表面质量下降的问题，影响不大。但增大进给量会增大切削力，在考虑机床进给机构、铣刀杆刚度以及刀具耐用度的条件下，粗铣该超临界材料建议fz取0.15 mm/齿左右。

增大切削速度切削力减小的同时又会带来机床主轴功率消耗剧增、刀具磨损加剧等不利因素，粗铣该超临界材料建议vc取120 m/min左右。

3 结语

(1)在本文所选试验参数条件下，切削用量改变对切削力影响的大小顺序为背吃刀量ap、每齿进给量fz、切削速度vc。

(2)背吃刀量ap在0.1～2 mm范围内增大，三向力增大，ap对FC影响明显，对FF的影响次之，对FP的影响不明显，总切削力F的变化规律与FC的变化规律相似。

(3)进给量fz在0.05～0.25 mm/齿范围内增大，三向力增大,但三力的增大程度不同，fz对FC影响明显，对FF、FP影响较小。

(4)切削速度vc在50～100 m/min范围内增大时，三向力增大，vc在100～250 m/min范围内增大，三向力缓慢减小，vc对三向力影响大小依次为FC、FF、FP。

(5)根据本文实验，综合考虑加工效率以及机床、刀具等工艺系统因素，超临界材料1Cr11Co3W3NiMoVNbNB在钢粗铣加工时切削用量采用vc≈120 m/min，fz≈0.15 mm/齿，ap≈1 mm。

[1]陈洪涛,黄遂,傅攀,等.切削条件对超临界材料加工影响规律研究[J].制造技术与机床,2010(6):86-89.

[2]严文杰.基于17-4PH叶片钢的切削力数学建模研究[J].工具技术,2015,49(4):23-26.

[3]滕树新,黄艳玲.基于正交试验的叶片钢铣削力研究[J].机械制造,2013,51(12):56-58.

[4]刘衣昌.42CrMo高强度钢高速铣削过程中切削力和切削温度的研究[D].衡阳：南华大学，2015: 30-32.

[5]李炳林.不锈钢加工中切削力分析预测研究[D].武汉：华中科技大学，2012: 35-40, 89-91.

[6]刘强，张弘弢，董海，等.涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢切削力的试验研究[J].工具技术，2008，42(4)：22-25.

[7]韩文强，何辉波，李华英，等.影响40Cr钢切削力的主要因素研究[J].西南大学学报：自然科学版，2013，35(6)：109-116.