小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的切削合力研究

闕燚彬

(1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧 530004;2.柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州 545006)

小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的切削合力研究

闕燚彬1，2

(1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧 530004;2.柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州 545006)

通過多因素正交試驗，應用SPSS軟件建立不銹鋼小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的最大切削合力回歸經驗公式，同時對回歸模型進行顯著性驗證。最終得到對銑削參數的優化選擇有一定的參考價值的分析結果。

小直徑銑刀;高速銑削;316L不銹鋼;切削合力;經驗公式

0 前言

316L不銹鋼屬難加工材料，其黏附性及熔著性強，銑削時沖擊、振動較大，銑刀刀齒崩刃和磨損非常嚴重。當前，不銹鋼的小直徑高速加工技術，國內外學者鮮有研究，所以通過小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼外形輪廓正交實驗得出小直徑銑刀高速銑削316L不銹鋼的最大切削合力回歸經驗公式，對優化不銹鋼的銑削工藝參數、提高其加工效率、降低加工成本有重要意義。

1 實驗條件及工件制備

1.1 實驗加工設備

(1)機床。實驗采用Fanuc a-t14iflb加工中心(主軸最高轉速為24 000 r/min)，該加工中心的數控系統為Fanuc數控系統。

(2)刀具。實驗采用刀具直徑為2 mm，刀柄直徑為4 mm的GUK品牌鈦鋁涂層鎢鋼硬質合金兩刃平底銑刀，銑削方式采用順銑。

(3)切削合力采集系統。切削合力的采集系統包括:大連YDX-III9702型壓電式銑削測力儀、YE5850電荷放大器、數據采集卡、數據采集軟件和計算機組成。YE5850電荷放大器如圖1所示。YDXIII9702壓電式銑削測力儀卻能以其高剛度、高靈敏度、高固有頻率能很好地滿足靜、動態測試的要求，可測出任意方向力的3個相互正交的分量 (Fx，Fy，Fz)。

圖1 YE5850電荷放大器

測試系統在使用前要做好相應的調試工作，首先給測力儀和電荷放大器設置專門的地線，使整個測力系統有一個統一的地線;然后，對電荷放大器進行調試，合理選擇電荷放大器的量程和擋位，以便提高測量精度和減小噪聲。在數據采集軟件方面，由于此次的實驗是小刀徑小切深的高速銑削，故實驗所測得的數據保持在100 N以內，所選取的采樣頻率為10 kHz。

1.2 工件的制備

實驗所提供的工件材料為316L不銹鋼，尺寸規格為120 mm×75 mm×50 mm，測量現場如圖2所示。

圖2 測量現場

2 外形輪廓側銑加工實驗方案及數據處理方法

2.1 實驗方案

為了建立不銹鋼小直徑銑刀高速銑削的切削合力模型，作者設計了正交試驗。通過正交試驗和回歸分析法研究切削參數 (切削速度vc、進給速度vf、徑向切深Ad、軸向切深Ap)對工件切削合力的影響效果，同時建立切削合力的經驗公式。為了體現試驗的實際工程意義，該試驗結合實際生產中的切削參數并按照本試驗條件的要求進行適當調整以建立更加準確的切削合力以及粗糙度回歸模型。正交試驗的安排采用四因素三水平共27組實驗，實驗參數如表1所示。

表1 側銑正交試驗參數表

2.2 數據處理方法

切削合力3個方向X、Y、Z的信號通過三向石英測力儀測得，進行切削實驗時，每一組參數的實驗進行3次切削，所以每一組參數的切削合力值取3次的平均值。

3 外形輪廓側銑正交試驗切削合力的實驗結果

實驗參數以及實驗結果如表2所示。

表2 側銑L27(313)正交試驗參數安排表及試驗結果

4 外形輪廓側銑切削合力回歸模型經驗公式的建立

回歸模型常用來確定兩個或兩個以上變量對目標變量的定量關系，是一種常用的數理統計方法，廣泛用于生產中的預測和控制。在實際問題的曲線類型不易判斷時，可采用多項式進行逼近，因為，任意曲線都可以近似地用多項式來表示。如果變量y與x的關系可以假設為P次多項式，則多項式的模型為:

可以把上式的非線性項用不同的線性項來替代，則可以把上述問題用多元線性回歸分析的方法來解決。即令

同理，多元多項式回歸問題也可以化為多元線性回歸問題來解決。

在上述問題中，由于事先對于切削合力與4個考察指標之間的回歸曲線類型未知，所以采用多項式逼近，建立完全二次多項式模型:

其中y表示切削合力，xi(i=1，2，3，4)分別表示切削速度、切削深度、進給量和切削寬度4個因素;系數βi表示xi的線性效應，βii表示xi的二次效應，βij表示xi與xj的交互作用效應。

利用SPSS軟件，對試驗數據進行統計分析。根據逐步回歸分析結果，得到切削合力與4個因素的回歸模型如下:

5 外形輪廓側銑切削合力的回歸模型的顯著性檢驗

上節所建立的切削合力的回歸模型 (4)只是一種經驗概率模型，不能將試驗中由于試驗條件的改變引起的波動同實驗誤差引起的數據波動區分開來，對實際結果的擬合程度好壞有待進一步的檢驗，為此需要采用方差分析對該模型進行顯著性檢驗。依據數理統計，方差分析的基本思想是將總的離差平方和QT分解為回歸平方和QA和剩余平方和QE兩部分來構造F統計量，并作F檢驗，進而判斷各因素作用是否顯著。

式中:r為試驗選取因素的個數;n為試驗組數，由正交試驗表可知n=27、r=4。

則，由公式 (5)— (8)可得切削合力顯著性檢驗表如表3所示。

表3 回歸模型顯著性檢驗表

模型的決定系數R2=0.748，說明y的74.8%可以由模型確定。

回歸模型的F統計量 =12.456＞F0.01(5，21)=4.04，顯著性檢驗的P值=0.000，遠小于顯著性水平0.01，說明所建立的切削合力的經驗預測模型顯著，能夠較好地預測切削合力。

另一方面，對模型中各個變量的系數進行顯著性檢驗，得到表4所示結果。

表4 回歸模型系數顯著性檢驗表

從表4可知，各個變量的顯著性檢驗的P值均小于0.05，各個變量都顯著。進一步說明了建立的模型的合理性。

運用經過顯著性檢驗的切削合力回歸模型，比較該模型的預測結果與實際試驗結果誤差如表5所示。

表5 預測模型誤差分析表

從誤差分析表可以看出，所有試驗的預測誤差均限制在10%之內，可見所建立的切削合力預測模型預測性能較穩定，可以用于側銑切削合力的預測。

6 結束語

應用多因素正交試驗法進行了小直徑刀具高速銑削316L不銹鋼外形輪廓的試驗，建立了順銑銑削316L不銹鋼外形輪廓的小直徑刀具銑削合力經驗公式，并通過了顯著性驗證。應用該公式可以提前對所選定銑削參數的加工的銑削合力進行估算，對優化不銹鋼的銑削工藝參數、提高其加工效率、降低加工成本有重要參考意義。

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Study of Cutting Force of Small Diameter Cutter with High Speed Milling of 316L Stainless Steel

QUE Yibin1，2
(1.College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi530004，China;2.Department of Electromechanical Engineering，Liuzhou Vocational and Technical College，Liuzhou Guangxi545006，China)

Multi-factor orthogonalexperimentwas carried out.SPSSsoftwarewas applied to establish regression empirical formula for cutting force of small diameter stainless steel cutter with high speed milling of 316 l stainless steel，at the same time，the notable significance for the regressionmodelwas validated.Finally，the analysis of the results is obtained to have certain reference value to the optimization ofmilling parameters selection.

Small diametermilling cutter;High-speed milling;316L stainless steel;Cutting force;Empirical formula

TH16

A

1001－3881(2015)21－156－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.038

2014－09－17

闕燚彬 (1981—)，男，工程碩士，講師，主要研究方向為先進制造技術。E－mail:queyibin@sina.com。