CVD涂層刀具高速銑削大理石切削力研究*

閆海鵬　吳玉厚　宗宇鵬

(沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

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CVD涂層刀具高速銑削大理石切削力研究*

閆海鵬吳玉厚宗宇鵬

(沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

選定切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，進(jìn)行CVD氮化鈦涂層刀具高速銑削大理石切削力試驗(yàn)，利用測力儀測出各組試驗(yàn)的切削力信號圖，分析信號圖特征得出切削力值，并記錄各組切削力試驗(yàn)結(jié)果。分析單一切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給速度，切削深度)對切削力變化的影響規(guī)律。采用最小二乘法原理對切削力經(jīng)驗(yàn)公式回歸系數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，并對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明顯著性很高。最終通過試驗(yàn)結(jié)果得出：切削力隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加而增大，隨著切削速度的增加而減小；并且切削深度對切削力影響最大，切削速度次之，進(jìn)給速度對切削力的影響最小。

CVD涂層刀具；大理石；切削力；切削參數(shù)；最小二乘法

天然大理石——漢白玉具有耐磨性好、硬度高、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)等領(lǐng)域，但是該材料的韌性比較差，切除過程與金屬材料的切除過程有所不同，其切削層的切除是通過斷裂破碎而成為切屑的，因此，在穩(wěn)定銑削階段切削力變化并不穩(wěn)定[1]。

作為高速銑削天然大理石機(jī)理的研究重點(diǎn)之一，切削力的測量、切削力數(shù)值的處理并不是一個(gè)簡單的過程，切削過程中機(jī)床的振動(dòng)、刀具的磨損以及切削熱的變化等都會(huì)影響到切削力的變化，因此基于現(xiàn)場真實(shí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)回歸數(shù)學(xué)模型則成為準(zhǔn)確性較好的高速切削力研究方法[2-5]。在高速銑削條件下，研究切削參數(shù)對切削力變化規(guī)律的影響，對于改善大理石表面加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命等有重大意義[6-8]。

文獻(xiàn)[2]比較分析了PCBN和陶瓷刀具對淬硬模具鋼Crl2MoV高速切削時(shí)切削力的變化規(guī)律，得出了采用PCBN刀具切削時(shí)擁有較小的切削力。文獻(xiàn)[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立AlTiN涂層硬質(zhì)合金立銑刀加工4Cr5MoSiV1鋼時(shí)影響切削力變化模型，并用網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)比較分析了切削力的變化規(guī)律。

本文通過CVD氮化鈦涂層刀具高速銑削大理石試驗(yàn)，研究切削力隨著切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度)的變化規(guī)律，詳細(xì)分析了各切削參數(shù)對切削力變化規(guī)律的影響，建立了切削力與切削參數(shù)之間的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，并對預(yù)測模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1　切削試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)工件的選擇

本試驗(yàn)使用的工件材料為天然大理石——漢白玉，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種天然大理石，如圖1所示。漢白玉的主要成分是碳酸鈣，它是一種化合物，化學(xué)式是CaCO3。漢白玉基本上不溶于水。漢白玉可以存在于以下形態(tài)：方解石、霰石、石灰?guī)r、白堊、大理石、石灰石，也可于巖石內(nèi)找到。同時(shí)也是動(dòng)物貝殼和蝸牛殼的主要成分。它還是重要的建筑材料，漢白玉的質(zhì)地堅(jiān)硬潔白，石體中泛出淡淡的水印，俗稱汗線，故而得名漢白玉。

試驗(yàn)所采用的漢白玉大理石吸水率為0.16%、體積密度為2 800 kg/m3、抗彎強(qiáng)度為10.3 MPa、抗壓強(qiáng)度為1 072 MPa，冷卻方式選擇外部水冷。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

機(jī)床：異型石材車銑加工中心，如圖2所示。主要針對當(dāng)前石材制品向著精品化、異型化方向發(fā)展的趨勢，特別是針對國內(nèi)在三維雕塑制品和回轉(zhuǎn)體異型石材制品方面的技術(shù)空白而研制。該異型石材車銑復(fù)合加工中心為八軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，配有立式和臥式兩個(gè)工作臺，車削和銑削兩個(gè)獨(dú)立的工作頭。由兩個(gè)復(fù)合工作頭和兩個(gè)工作臺組成了兩套八軸五聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。本文實(shí)驗(yàn)用的五軸系統(tǒng)是臥式工作臺旋轉(zhuǎn)分度(A軸)，橫梁Y軸向進(jìn)給、滑鞍Z軸向進(jìn)給、高速雕銑工作頭X軸進(jìn)給和繞B軸旋轉(zhuǎn)分度，為標(biāo)準(zhǔn)的擺頭轉(zhuǎn)臺正交五軸機(jī)床。

測力儀：瑞士Kistler公司生產(chǎn)的9257B型三向壓電式測力儀，如圖3所示。包括：電荷放大器、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置、三向測力儀。

試驗(yàn)刀具：試驗(yàn)使用的刀具為D6CVD球頭銑刀如圖4所示，其主要參數(shù)如表1所示。

表1試驗(yàn)刀具主要參數(shù)

基體材質(zhì)涂層材料維氏硬度涂層厚度規(guī)格鎢鋼TiNTiCN103μmR3.0×L50

1.3試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析多因素多水平的一種研究方法[9-10]，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中整理出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具有了“均勻分散，齊整可比”的特性，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因研究的首選方法。試驗(yàn)選用L16(43)正交表來進(jìn)行，如表2所示。此表以進(jìn)給速度、切削速度、切削深度作為3個(gè)因素，每個(gè)因素選擇了4個(gè)水平，根據(jù)CVD涂層刀具的耐磨性能以及加工中心的功率，綜合考慮選擇切削速度vc=38、76、114、152 m/min，切削深度ap=1、2、3、4 mm，進(jìn)給速度vf=1 000、2 000、3 000、4 000 mm/min，總共16組試驗(yàn)。

將天然大理石試件固定在測力儀上，如圖5所示，將編制好的NC代碼輸入到數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)行大理石切削試驗(yàn)，保存好切削力信號。切削力測量結(jié)果如表2所示。

表2切削力測量結(jié)果

序號切削速度vc/(m/min)進(jìn)給速度vf/(mm/min)切削深度ap/mmFx/NFy/NFz/N1381000128.6036.7475.192382000258.1688.52175.913383000385.08128.57262.4343840004122.85144.46290.035761000239.2248.2795.586762000123.3327.7060.957763000493.33137.62281.468764000380.56120.17230.4491141000349.0578.41144.03101142000475.84108.13221.41111143000124.7330.3564.72121144000240.1955.68108.85131521000469.2899.24198.43141522000347.2367.56135.64151523000235.0241.9788.29161524000126.0632.3169.41

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1高速銑削天然大理石切削力分析

圖6為本次試驗(yàn)的切削力信號圖，在點(diǎn)A之前為刀具沒有接觸工件時(shí)的空切階段，此時(shí)的切削力不為零且有細(xì)微波動(dòng)，說明測力儀的調(diào)節(jié)沒有完全抑制零漂，機(jī)床在切削工件前本身還有一定的振動(dòng)，但是振動(dòng)不大，不影響正常試驗(yàn)及切削力的測量；A點(diǎn)之后為刀具接觸工件到穩(wěn)定切削的動(dòng)態(tài)過程，切削力信號線上下大幅度波動(dòng)，這是由于大理石為硬脆性材料，切屑類型以崩碎切屑為主，切削刃剛與工件接觸到將切屑切除這階段是切削力迅速增大，切削力信號表現(xiàn)為從波谷上升到波峰；當(dāng)?shù)毒咔胺讲牧媳磺邢潞螅毒甙l(fā)生局部空切，切削力迅速減小，切削力信號表現(xiàn)為從波峰下降到波谷，刀具繼續(xù)進(jìn)給，以上兩個(gè)過程交替循環(huán)發(fā)生，直至切削層被完全切除；B點(diǎn)為刀具完成切削離開工件，取切削力信號圖相鄰波峰與波谷的差值的平均值作為切削力的值，稱為靜態(tài)切削力。

2.2切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律

如圖7所示，F(xiàn)x、Fy、Fz分別表示進(jìn)給力、背向力、主切削力，從圖中可以看出，F(xiàn)z的值明顯大于Fx和Fy的值，這是由于主運(yùn)動(dòng)消耗的功率最多。切削速度增加，F(xiàn)x、Fy、Fz幾乎呈線性減小趨勢，這是因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣?，切削溫度上升，一方面，減小了工件與刀具之間的摩擦系數(shù)，另一方面降低了工件的剪切強(qiáng)度和硬度，最終致使切削力減小。在切削速度達(dá)到114 m/min時(shí)，由于大理石粉末覆蓋在切削刃上，導(dǎo)致刀具鋒利程度下降，所以切削力減小趨勢變緩慢。

圖8為切削力隨進(jìn)給速度變化曲線圖，由圖可知隨著進(jìn)給速度的增加，切削力呈增大趨勢，這是由式AC=f×ap可知：在切削深度ap恒定的前提下，伴隨進(jìn)給量f的增加，切削面積AC呈線性增大，致使材料在單位時(shí)間內(nèi)被去除體積增加，亟需的能量增大，因此切削力增大；在進(jìn)給速度為3 000～4 000 mm/min時(shí)，切削力增大趨勢變緩，這是由于刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)，切削后的表面存在材料殘留，被稱為殘留面積，又因?yàn)橛蓺埩裘娣e高度理論公式Rmax=f2/8rξ可知，隨著進(jìn)給量f的提高，增加了殘留高度，致使切削力增大速度緩慢。

由圖9可知，切削力隨切削深度的增大而增大，原因如上述,在進(jìn)給量恒定的前提下,隨著切削深度的增加,切削面積呈線性增加的趨勢,致使材料在單位時(shí)間內(nèi)被去除體積增加，亟需的能量增大，因此切削力增大。

2.3切削力經(jīng)驗(yàn)公式回歸模型的建立

為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，有必要建立起切削力與各影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系。假定切削力F是3個(gè)獨(dú)立變量(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度)的指數(shù)函數(shù)，公式如下所示[11]：

(1)

式中：b1、b2、b3分別是各自獨(dú)立變量的相關(guān)系數(shù)；是與工件材料、刀具材料、切削條件等相關(guān)的系數(shù)。

為了使經(jīng)驗(yàn)公式方便計(jì)算，將式(1)兩端取對數(shù)，將指數(shù)函數(shù)變?yōu)榫€性函數(shù)，則：

lnF=lnk+b1lnvc+b2lnvf+b3lnap

(2)

令b0=lnk，x1=lnvc，x2=lnvf，x3=lnap，y=lnF，并代入式(2)得：

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(3)

(4)

上式為線性回歸方程，即自變量x1、x2、x3與因素y之間存在線性關(guān)系。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，共有16組數(shù)據(jù)，分別帶入式(4)，可得到如下方程組：

Y=XB+ε

(5)

其中ε=(ε1，ε2，ε3，…，ε16)T為誤差矩陣。

采用最小二乘法原理對預(yù)測模型的回歸系數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，則：

B=(XTX)-1XTY

(6)

式中：X為獨(dú)立變量矩陣；B為回歸系數(shù)的參數(shù)估計(jì)；Y為切削力的矩陣。將矩陣的數(shù)值輸入Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算，分別得到如下結(jié)果：

(7)

(8)

(9)

根據(jù)以上3個(gè)算式，很容易看出：切削深度是對切削力影響最大的因素；切削速度次之；進(jìn)給速度對切削力的影響最小。

2.4經(jīng)驗(yàn)公式的檢驗(yàn)

雖然切削力經(jīng)驗(yàn)公式有一定根據(jù)，但只是一種假設(shè)，建立之前并不能確立其關(guān)系的正確性，因此需要進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。

為了精確地進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)值yi與按公式預(yù)測值Yi不可能完全一致，即試驗(yàn)點(diǎn)(xi，yi)并不能完全落在經(jīng)驗(yàn)公式的函數(shù)曲線上，各試驗(yàn)點(diǎn)偏離曲線的程度，可用它們的總偏差來表征，y是各試驗(yàn)yi的平均值，將總偏差平方和ST分解為殘差平方和SE和回歸平方和SA，計(jì)算公式如下：

ST=∑i(yi-y)2

(10)

SE=∑i(yi-Yi)2

(11)

SA=∑i(Yi-y)2

(12)

用F檢驗(yàn)，即

(13)

式中：p為變量個(gè)數(shù)；n為試驗(yàn)次數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)的變量個(gè)數(shù)p為3，試驗(yàn)次數(shù)n為16，依據(jù)公式(10)～(12)，可以算出ST、SE、SA，再依據(jù)公式(13)求出F。3個(gè)方向的切削力計(jì)算結(jié)果如表3所示，在給定顯著水平α=0.01的條件下，由于F≥F0.01(3,12)=5.95，因此進(jìn)給力Fx的顯著性很高，同理，背向力Fy、主切削力Fz的顯著性也很高。因此，本文所建立的切削力經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3　結(jié)語

(1)在CVD氮化鈦涂層刀具高速銑削天然大理石時(shí)，切削力隨著進(jìn)給速度vf和切削深度ap的增加而增大，隨著切削速度vc的增加而減小。

表3切削力方差分析表

切削力方差偏差平方和自由度偏差均方和FF0.01(3,12)顯著性Fx回歸3104.470531034.8235殘差2127.429612177.2858總和5231.9167.365.95α=0.01Fy回歸6249.704832083.2349殘差2625.926312218.8271總和8875.6311169.525.95α=0.01Fz回歸12947.584334315.8614殘差3090.115612257.5096總和16037.71616.765.95α=0.01

(2)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法原理對預(yù)測模型的回歸系數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，對切削力預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)的顯著性很高，表明本文建立的切削力經(jīng)驗(yàn)公式較為準(zhǔn)確，有一定實(shí)用價(jià)值。

(3)通過分析切削力預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式可以發(fā)現(xiàn)：切削深度是對切削力影響最大的因素；切削速度次之；進(jìn)給速度對切削力的影響最小。

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Research on cutting force of high speed milling marble using CVD coating tool

YAN Haipeng, WU Yuhou, ZONG Yupeng

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, CHN)

The orthogonal experiments for high speed milling marble cutting force test with CVD coated toolsare designed. The effect rule of cutting force changed with single cutting parameters(cutting speed, feed speed, depth of cut)are analyzed through the experiments.The parameters cutting force coefficients of empirical formula regression are estimated using the least squares principle and the correlation of empirical formulais tested.The tested results show that significance is high. The results show that the cutting force increases with the increase of feed rate and cutting depth, and decreases with the increase of cutting speed. The depth of cut has the main influence on cutting force and followed by the cutting speed, and the feed rate is the least influence on cutting force.

CVD coating tool;marble; cutting force; cutting parameters; least squares

TG501.3;TH711

A

閆海鵬，男，1987年生，在讀博士，研究方向?yàn)榇嘈圆牧霞庸ぁ⒐に噮?shù)優(yōu)化。

(編輯汪藝)(2015-12-22)

160307

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375317)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014020069)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(ITR1160)