高速車削淬硬軸承鋼切削力試驗研究

李素燕， 王冠中， 韓志民

(1.黑龍江科技大學 工程訓練與基礎實驗中心， 黑龍江 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 教務處， 黑龍江 哈爾濱 150022)

?

高速車削淬硬軸承鋼切削力試驗研究

李素燕1， 王冠中2， 韓志民1

(1.黑龍江科技大學 工程訓練與基礎實驗中心， 黑龍江 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 教務處， 黑龍江 哈爾濱 150022)

采用正交試驗，并結合基于試驗結果的經驗模型，研究了PCBN刀具高速車削淬硬軸承鋼的切削力及其變化規律，且對徑向切削力模型進行了試驗驗證。結果表明,影響軸向力的主次因素為切削速度、背吃刀量和進給量；影響徑向力、切向力和切削合力的主次因素為背吃刀量、進給量和切削速度；各切削分力隨背吃刀量和進給量的增大呈線性增加趨勢，隨切削速度的增加是先增大而后又減小，徑向力的增大趨勢遠大于軸向力和切向力。方差分析結果顯示，切削力的回歸模型線性關系高度顯著，利用該模型對切削力進行預報，結果可靠，并進一步驗證了背吃刀量是影響徑向切削力的主要因素。

高速車削； 切削力； 軸承鋼； 正交回歸分析； 經驗模型

0 引 言

淬硬鋼是典型的耐磨材料，其加工性較差，這類工件經淬火或低溫回火后硬度高達50～65 HRC，廣泛應用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎零部件，如軸承、齒輪和精密量具等[1]。現階段，高速硬切削已成為淬硬鋼零件的一種重要加工方法，而切削力作為高速硬切削過程中控制的重要指標之一，研究預測其變化規律來優化切削工藝，從而有助于減小或消除切削振動，對實現淬硬鋼零件的高品質加工具有重要理論意義和應用價值。

國內外學者針對此方面的內容開展了諸多研究。于靜[2]等通過正交設計對淬硬模具鋼Cr12MoV(60 HRC)進行高速車削試驗，分析了切削用量和刀具變量對切削力的影響規律，并建立了切削力的經驗公式；李玉甫[3]等通過切削試驗研究了PCBN刀具切削淬硬GCr15鋼時，切削用量對切削力的影響規律，結果表明，切削力與切削深度和進給量在一定范圍內呈線性上升的關系，而與切削速度呈非線性關系；史振宇[4]等采用多因素正交試驗的方法，對不同硬度的AISI 440C不銹鋼進行干硬切削，基于多因素正交回歸分析，建立了AISI 440C不銹鋼的切削力經驗模型，并對方程進行了顯著性檢驗，分析了切削參數對切削力的影響；Bartarya[5]等采用CBN刀具進行AISI 52100鋼的全因素實驗，研究了切削參數對刀具切削性能的影響，給出了合理的切削參數范圍，并基于實驗數據建立了切削力和表面粗糙度回歸模型;Beňo[6]等采用不同刀尖圓弧半徑的CBN刀具切削淬硬鋼，研究了刀尖圓弧半徑對切削力和表面粗糙度的影響;Struzikiewicz[7]等在車削淬硬鋼時，采用正交實驗設計與方差分析，得出切削參數對切削力和切削溫度的影響規律，建立了切削力和切削溫度的回歸模型，并對回歸系數進行了優化。

綜上所述，國內目前針對車削淬硬軸承鋼切削力的建模與預測分析的報道較少，文中基于切削力的多因素正交試驗，通過PCBN刀具高速車削淬硬Gcr15，研究了淬硬Gcr15在高速切削加工中切削力的變化規律，詳細分析了切削速度、背吃刀量和進給量對切削力的影響，建立了切削用量三要素與切削力之間的數學預測模型，并對其進行顯著性檢驗，驗證了該模型的可信度。

1 試驗條件

1.1 試驗材料與試驗設備

工件材料為GCr15，規格為φ130 mm×200 mm的圓軸，熱處理后硬度為(60±2)HRC。車削試驗在CAK6150數控車床上進行，最大轉速為3 000 r/min，刀具選用Sandvik 7015 PCBN 刀片，刀桿型號為DCLNR 2525M12，加工方式為干式切削。切削試驗中，切削力的測量采用由瑞士 Kistler 公司生產的三分量壓電測力儀(型號9257B)和電荷放大器(型號5070A)，車削試驗系統如圖1所示。

圖1 車削試驗系統

1.2 試驗方案

切削試驗采用正交試驗法，影響因素為切削速度、進給量和背吃刀量，每個因素選取四個水平，選用L16(45)正交表安排試驗。結合實際切削條件，切削速度的取值范圍為90～210 m/min，進給量為0.07～0.22 mm/r，背吃刀量為0.1～0.4 mm，因素水平見表1。

表1 試驗因素水平

切削試驗中所確定的各參數是根據加工要求，以表面完整性為主要評價指標進行選取的。

每組切削參數下加工長度為50 mm，待切削進入穩態時，測量切削力Fx(軸向力)、Fy(徑向力)、Fz(切向力)，采樣頻率為300 Hz。文中研究主要針對穩態切削階段，也就是刀具尚未發生明顯磨損時，切削力隨切削參數變化的規律，為了減少刀具磨損產生的誤差，每一組正交試驗均采用新的刀具，即完成一組試驗更換一個刀尖。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果的極差分析

試驗測得的切削力詳見表2。

其中切削合力F根據公式計算所得。

對切削力進行極差分析見表3。

表3 切削力的極差R分析

由表3可知,影響軸向力的主次因素為切削速度、背吃刀量和進給量；影響徑向力、切向力和切削合力的主次因素為背吃刀量、進給量和切削速度。為獲得最小切削合力，在給定切削參數范圍內應選擇的最優參數組合是：進給量為0.07 mm/r、背吃刀量為0.1 mm、切削速度為210 m/min。該組合并不包含在16次試驗中，根據參數的最優組合進行驗證試驗，得到的切削合力為88.55 N，小于其他16次試驗。因此，在實際生產中，應優先選取進給量和背吃刀量，而切削速度可以綜合考慮。

2.2 切削參數對切削分力的影響分析

對表2中的切削力數據進行同水平求平均值，得到各切削參數在不同水平值時對應切削力的大小，如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4中可以看出，切削參數對各切削分力的影響趨勢是相同的，其中徑向力Fy大于切向力Fz和軸向力Fx，這是因為文中采用的是倒棱PCBN刀具，切削任務由倒棱承擔，刀具刃口與工件材料之間的擠壓作用強于剪切作用，徑向力Fy的增長速率遠遠大于切向力Fz和軸向力Fx。

圖2 切削速度對切削力的影響

圖3 背吃刀量對切削力的影響

圖4 進給量對切削力的影響

從圖2中可知，用PCBN刀具切削淬硬軸承鋼時，在切削速度較小的情況下，各切削分力隨速度的提高稍有增大，在130 m/min左右達到最大，而后隨切削速度的增加出現逐漸減小趨勢。這是由于淬硬軸承鋼在高速切削加工過程中，隨切削速度的增大，工件表面硬化程度增大，切削力隨之增加；但當切削速度增大到一定程度時，產生的切削熱增多，使切削溫度提高，導致切削變形系數減小，因而切削力也隨之減小。但這種趨勢只適用一定的切削速度范圍，肖露[8]研究了當切削速度超過一臨界值時，切削力反而又升高，給出的解釋是：切削速度到達一定值時，切削溫度會提高到接近工件材料的熔點，再增大切削速度時，切削溫度升高緩慢，因而切削力又隨切削速度的增大而升高。

從圖3可以看出，徑向力Fy、切向力Fz、軸向力Fx與背吃刀量都呈線性關系，隨著背吃刀量的增加，有明顯的上升，其原因是背吃刀量的增加導致切削面積增大，從而使變形力、摩擦力也增大，各切削力因此而增大。

圖4結果表明，當進給量增大時，切削力的各分量都呈線性增長。進給量增大，切削厚度隨之增加，副切削刃參與切削的長度增加,導致刀具副后刀面抵抗工件彈塑變形的抗力也隨之顯著增大，因此徑向力Fy急劇升高。

3 切削力預測模型

切削力主要來源變形和摩擦。切削過程中影響變形和摩擦的因素有切削用量、刀具幾何結構等，為了定量研究切削用量對切削力的影響，需要建立切削力經驗公式。當刀具、機床等切削條件一定時，切削力與切削用量關系的經驗公式模型為：

(1)

式中：Fx、Fy、Fz----分別為x、y、z方向分力；

xF、yF、zF----分別為切削速度、進給量和背吃刀量對切削力的影響指數；

CF----影響系數。

由于這種模型是非線性的，為了便于求解，需先進行線性化處理，然后利用多元線性回歸分析方法進行擬合，經計算，得一次線性回歸方程為：

(2)

將式(2)轉化為指數形式，可得各切削力的預測模型為：

(3)

由于切削力指數方程只是一種經驗模型，盡管這種模型有一定的根據，但必須采用方差分析(F檢驗)來判定其擬合程度的好壞。方差分析結果表明：軸向力Fx、徑向力 Fy、切向力 Fz、切削合力F回歸模型的值分別為55.44、51.67、39.16、49.13，若取顯著性水平α為0.05，查F分布表F0.05(3，12)的標準值為3.49，可見各切削力回歸模型的F值都遠大于3.49，表明各切削力模型都可顯著表達切削力受切削參數的影響規律。

為了便于比較不同切削參數下切削力的變化規律，選擇具有代表性的徑向切削力模型進行分析，如圖5所示。

(a) ap=0.1 mm

(b) ap=0.2 mm

(c) ap=0.3 mm

(d) ap=0.4 mm

圖5中分別是背吃刀量為0.1、0.2、0.3、0.4mm的切削條件下，徑向切削力Fy與切削速度、進給量之間的特征關系。由圖5分析可得，切削速度對徑向切削力的影響較小，背吃刀量是影響徑向切削力的主要因素，進給量對其也有一定影響。

不同切削速度、背吃刀量、進給量下徑向切削力預測模型的試驗驗證分別如圖6～圖8所示。

圖6 不同切削速度下徑向切削力預測值的驗(ap=0.15 mm, f=0.15 mm/r)

圖7 不同背吃刀量下徑向切削力預測值的驗證(v=100 m/min, f=0.15 mm/r)

圖8 不同進給量下徑向切削力預測值的驗證(v=100 m/min, ap=0.15 mm)

圖6中，當切削速度為100、130、160、190m/min時，預測值與試驗值的相對誤差分別為3.38%、4.44%、4.70%、6.40%；圖7中，當背吃刀量為0.15、0.25、0.35、0.40mm時，預測值與試驗值的相對誤差分別為4.04%、2.48%、2.98%、3.00%；圖8中，當進給量為0.1、0.15、0.18、0.22mm/r時，預測值與試驗值的相對誤差分別為5.55%、4.47%、2.95%、3.73%。由此可見，模型的預測誤差較小，能夠正確地指導選用切削用量，以實現高速車削淬硬軸承鋼切削力的預測。

4 結 語

通過設計切削參數的三因素四水平正交試驗，對PCBN刀具干式切削淬硬軸承鋼(GCr15)進行了切削力試驗研究，基于試驗結果分析得出以下結論：

1)切削參數對切削合力的影響主次關系依次為：切削深度、進給量、切削速度；在試驗參數范圍內，切削深度、進給量的增大均會導致切削力不斷增大，而切削速度從90m/min到130m/min時，切削力增大，當切削速度超過130m/min后，切削力有減小趨勢。

2)切削力回歸模型的顯著性檢驗表明，回歸模型準確有效，在給定切削參數范圍內，能對PCBN刀具高速車削淬硬GCr15鋼切削力進行有效預報，為實際應用中切削參數的合理選擇提供了有效參考依據。

3)徑向切削力模型與實驗驗證顯示，切削速度對徑向切削力的影響較小，背吃刀量是影響徑向切削力的主要因素，進給量對其也有一定影響。徑向力模型的預測誤差均小，進一步驗證了顯著性檢驗的準確性。

[1] 龐俊忠,王敏杰,李國和,等.高速切削淬硬鋼的研究進展[J].中國機械工程,2006，17(增刊)：421-425.

[2] 于靜,董海,張弘弢,等.基于正交試驗的高速切削淬硬模具鋼的切削力研究[J].工具技術,2012,46(6):13-16.

[3] 李玉甫,嚴復鋼,王宇,等.PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究[J].哈爾濱理工大學學報,2005,10(2):136-138.

[4] 史振宇,劉戰強,趙丕芬,等.硬切削AISI 440C 不銹鋼切削力建模及試驗分析[J].工具技術,2010,44(3):8-10.

[5] Bartarya G, Choudhury S K. Effect of cutting parameters on cutting force and surface roughness during finish hard turning AISI52100 grade steel[J]. Procedia CIRP,2012,1(1):651-656.

[6] Beňo J, Maňková I. Study of the effect of the cutting force decomposition on machined surface when hard turning[J]. Key Engineering Materials,2013,581：157-162.

[7] Struzikiewicz G, Z?bala W, Rumian K. Application of taguchi method to optimization of cutting force and temperature during turning of difficult to cut materials[J]. Key Engineering Materials,2016,686：114-118.

[8] 肖露,文東輝.PCBN刀具切削軸承鋼時切削速度的研究[J].工具技術,2011,45(4):35-37.

[9] 冀清發.應用切削實驗鑒定機床動態特性的實驗及其數據處理[J].長春工業大學學報,1981,2(2):125-128.

Experimental study on cutting force on hardened bearing steel in high-speed turning

LI Suyan1, WANG Guanzhong2, HAN Zhimin1

(1.Center for Engineering Training & Basic Experiment, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Dean’s Office, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

With orthogonal test and empirical model based on experimental results, for PCBN tool, we study the cutting force and its variation curve on hardened bearing steel of high speed turning. The results show that the main factors affecting the axial force are cutting speed, cutting depth and feed rate; the main factors affecting radial, tangential and cutting force are cutting depth, feed rate and cutting speed; cutting forces linearly increase with the rising of cutting depth and feed rate; the cutting speed increase first and then decrease; and the increment of radial force is far greater than that of axial and tangential force. Variance analysis indicates that the cutting force regression model is linear and reliable for the prediction of cutting force. It is verified that the cutting depth is the main factor affecting the radial force.

high-speed turning; cutting force; bearing steel; orthogonal regression analysis; empirical model.

2017-01-12

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541714)

李素燕(1972-)，女，漢族，黑龍江哈爾濱人，黑龍江科技大學副教授，碩士,主要從事機械制造及其自動化方向研究,E-mail:451815438@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.04

TH 161.1

A

1674-1374(2017)03-0231-06