小直径刀具高速铣削316L不锈钢的单因素及因素交互试验研究

2019-04-22阙燚彬

装备制造技术 2019年1期

阙燚彬

（柳州职业技术学院机电工程学院，广西柳州545006）

0 前言

316L不锈钢是医疗器械及海水淡化工程所用的主要材料，属难加工材料。高速加工有减少切削力、排屑效果好、效率高等优点，是数控加工的重要发展趋势之一，小型轮廓铣削是医疗器械及海水淡化工程部件加工时经常遇到的加工难点。目前国内外对小直径铣刀高速铣削316L不锈钢项目鲜有研究，确定试验方案及相关参数，优化铣削工艺参数，对提高加工效率、降低加工成本有重要意义。

1 单因素试验及结果分析

单因素实验是指对一个因素进行实验，而将其他因素都固定，从而得到每个因素的优选值。本文采用单因素实验，分别进行了切削速度、径向切深、轴向切深和进给速度对加工切削合力和振动的影响规律研究。

为避免切削量引起的误差，试验采用单侧顺铣方式，从右到左，从下到上依次铣削，切削示意图如图1所示[1]。

图1 切削走刀示意图

1.1 切削速度的影响

为保证工件的加工质量，不锈钢的小直径铣刀高速铣削特别需要控制好加工产生的切削力及工艺系统振动。

1.1.1 切削速度对径向切削力的影响

图2是切削合力F随切削速度的变化关系，可见，在轴向切削深度、径向切削深度和切削进给量不变时，切削合力并不是单一的随着切削速度的增大而增大或减小，当切削速度从40 m/min增加到60 m/min时其切削合力下降了10%左右，而当切削速度从60 m/min增大到80 m/min时其切削力增加了50%左右，当切削速度从80 m/min增大到100 m/min再到120 m/min时其切削合力是逐步降低的。其中当切削速度从80 m/min增大到100 m/min时切削合力下降增加了60%左右，切削速度从100 m/min增大到120 m/min时切削合力下降了10%左右。

切削速度上到80 m/min对降低切削合力有显著效果，所以正交试验的切削速度水平选择80 m/min、100 m/min、120 m/min较好。

图2 切削合力、振动随切削速度的变化曲线

1.1.2 切削速度对振动的影响

从图2中可知，随着切削速度的增加，振动的幅值越来越大，当切削速度达到100 m/min时，振动幅值开始有下降趋势。对比切削速度对切削合力的影响曲线图，根据能量衰减理论，切削振动在一定程度上反映了一种能量，随着切削速度的增加，切削振动逐渐增大，切削蓄积能量也逐渐增大，随着刀齿的进给移动，能量发生衰减，能量的衰减致使刀具发生振动，切削速度的增大使能量的衰减减慢，致使加工过程更加不稳定，加工时的振动更加剧烈。

1.2 径向切深的影响

在不锈钢的小直径铣刀高速铣削过程中，径向切深的大小直接影响到工件的固有刚度，进而影响到铣削时的切削合力和振动幅值，通过对径向切深的分析可以有效研究径向切深对加工特性的影响。

1.2.1 径向切深对切削力的影响

从图3可知在不锈钢的小直径铣刀高速铣削时，切削合力F随径向切深的增大缓慢增大，变化幅度不大，其主要原因是由于切深较小时工件的让刀变形致使实际切削深度均较小，切削体积变化也较小，致使切削力变化趋势不大。

图3 切削合力、振动随径向切深的变化曲线

1.2.2 径向切深对振动的影响

从图3可知在切深从0.04 mm增加到0.08 mm段，加工时的振动幅值较为平稳，并在切深0.06 mm增加到0.08 mm段，振动幅值有缓慢增加。切深从0.08 mm增加到0.1 mm段，振动幅值有20%的下降，在0.1 mm增加到0.12 mm变化不大。

1.3 轴向切深的影响

轴向切深变化直接影响到金属切削体积的变化，进而加工时的力和振动，最终将影响到工件的加工质量。以下通过单因素法采用不同的轴向切深分析加工时轴向切深对工件加工过程的影响。

1.3.1 轴向切深对切削力的影响

从图4可知，在轴向切深从0.04 mm增加到0.06 mm段，切削合力成缓慢下降趋势，总共下降5%左右，轴向切深从0.06 mm增加到0.12 mm段，切削合力都成缓慢上升趋势，其中0.06 mm到0.08 mm、0.08 mm到0.1 mm、0.1 mm到0.12 mm各段切削合力的增大值都在5%左右。

图4 切削合力、振动随轴向切深的变化曲线

1.3.2 轴向切深对振动的影响

随着轴向切深的增大，实际切削量也逐渐增大，致使切削力增加，工件的回弹振动增强，从图4可以看出，随着轴向切深的增大，振动幅值逐渐增加。0.04 mm 到 0.06 mm、0.06 mm 到 0.08 mm、0.08 mm到0.1 mm、0.1 mm到0.12 mm各段的振动幅值增加量保持在5%左右。

1.4 进给速度的影响

进给速度的变化不仅会引起切削层厚度的变化进而影响切削力，还会改变刀屑的摩擦系数和切削刚度，对加工的振动有较大影响。

1.4.1 进给速度对切削力的影响

从图5可知，随着进给速度的增大，径向切削力也逐渐增大，但增加趋势平缓，没有大的拐点，主要由于进给量的增加会引起切削层厚度的增加，进而导致单位切削量的增加,在进给速度从0.02 mm到0.025 mm时切削力增加了20%左右。

图5 切削合力、振动随进给速度的变化曲线

1.4.2 进给速度的振动的影响

从振动随进给速度的变化趋势图5可以看出，进给量的变化是引起工件加工稳定性的主要因素之一，从切削力随进给速度变化曲线可以看出，因为进给速度的增大导致了切削层厚度的增加，引起了切削力的增加，但进给量的增大亦会导致变形系数以及切削层摩擦系数的减小，从而使得工件加工时的稳定性有所提高，工艺系统的振动稳定性有所好转。但是，如果进给速度持续增加，持续增大的切削力影响了铣削过程稳定性，进而引起振动增大。

根据各因素的切削合力和振动单因素分析结果可知，正交试验的四个因素水平应取表1所列较为理想。