車削加工過程中切削力的試驗研究

魏效玲,侯自敬

車削加工過程中切削力的試驗研究

魏效玲,侯自敬

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

運用DEFORM仿真軟件對金屬切削過程進行仿真實驗，以金剛石為切削刀具，AISI52100淬硬鋼為工件材料，采用正交仿真實驗分析切削速度、進給量、切削深度對切削力的影響規律，并給出實驗范圍內的最優加工參數組合，當切削速度vc=120 m/min、進給量f=0.10 mm/r、切削深度為時ap=0.1 mm，切削力達到最小。最后運用回歸分析方法建立切削力的經驗模型,對得到的經驗公式進行顯著性檢驗，證明經驗公式的可信性。

DEFORM仿真軟件；金屬切削；切削力；正交實驗；回歸模型

切削力是高速切削加工中的重要參數，切削力不僅影響機床的切削功率，而且對刀具耐用度、工件表面的加工質量和加工精度有著直接的影響。因此研究切削力的變化規律，對減少切屑變形、提高刀具的使用壽命、提高切削效率和降低加工成本具有重要意義。淬硬鋼由于具有較高的強度硬度和耐磨性，廣泛應用于機械設備關鍵零件中，因此，研究淬硬鋼的高速硬車削技術具有實際應用價值。本文以DEFORM試驗仿真研究為基礎，分析切削用量對切削力的影響規律。通過加工過程的模擬，在滿足切削條件的前提下，可以大大縮短生產周期。

1 實驗設計

切削實驗在DEFORM有限元分析軟件上進行[1]，使用金剛石刀片加工AISI52100圓棒材，工件選用經淬火處理后的AISI52100鋼（GCr15軸承鋼），硬度為62 HRC,長度為800 mm，直徑為50 mm，其化學成分如表1所示。

表1 實驗用工件材料化學成分 (單位:%)Tab.1Chemical composition of experiment material

本文采用正交實驗法進行實驗設計，選擇切削速度、切削深度和進給量作為實驗因子，正交實驗的因素水平如表2所示。通過正交實驗，得到相應的主切削力Fc、切深抗力Fp、進給抗力Ff，實驗數據如表3所示。

表2 正交切削實驗因素水平表Tab.2 Horizontal table of orthogonal cutting experimental factors

表3 正交實驗獲得的切削力實驗數據Tab.3 Experimental data obtained by orthogonal experiments

2 切削力預測與仿真分析

2.1 仿真結果及分析

圖1 切削力仿真曲線及實體仿真結果Fig.1 Simulation curve and the physical simulation results of cutting force

切削加工過程中切削力的來源主要有兩個方面：一是刀具與切屑及工件表面間的摩擦阻力；二是切屑形成過程中彈性變形及塑性變形產生的變形抗力，這兩方面的力組成了合力，即切削力。當切削速度vc=140 m/min、進給量f =0.15 mm/r、切削深度為ap=0.2 mm時的車削力仿真結果如圖1所示[2]。可以看出，在切削開始一段時間內，三個方向的切削力都迅速地增大，隨后又逐漸平穩[3]，在一個相對恒定的數值范圍內不斷微小變化。這是由于刀具在剛切入工件時，與工件表面產生劇烈的擠壓、摩擦，從而導致切削力迅速增大；但是隨著切削過程的不斷深入，工件表層金屬由于受到刀具的剪切作用而形成鋸齒形切屑，隨著切屑的不斷產生和流動，切削力便逐漸趨于穩定[4]。

根據切削實驗得到的切削分力分析各因素對切削合力F的影響趨勢[5-6]，如圖2所示。由圖可知，切削力隨進給量、切削深度的增大而增大，且切削深度影響最大，進給量次之，而切削力值在不同切削速度的取值下幾乎保持不變。所以，在粗加工時為了提高切削效率切削深度、給量應取較大值，精加工時為了保證加工表面質量，應取較大的切削速度和較小的進給量。

圖2 切削用量對切削力影響的趨勢圖Fig.2 The trend of the cutting parameters on the cutting force

2.2 切削力的經驗模型

運用數理統計中的多元模型回歸分析方法，對仿真實驗數據進行處理，可以建立起切削力的經驗公式[7]。運用統計分析軟件MATLAB，并借助仿真軟件DEFORM對正交實驗中得到的9組數據進行線性回歸分析，得到切削力的經驗公式如下：

在上面的分析中，為了求得回歸方程，我們假設切削參數與切削力之間存在著復雜的指數關系。在求得回歸方程后，必須對這一假定進行檢驗，以確定切削參數與切削力之間是否真的存在線性關系。

對上述經驗公式分別進行顯著性檢驗，以確定其擬合度。進行F檢驗時，需比較F值和F(p,n-p-1)標準值的大小，其中n為實驗組數，p為變量個數，F(p,n-p-1)顯著性值查表可得。若F值大于F標準值，則可認為經驗模型模擬度良好。本次實驗中，實驗組數n=9，變量個數p=3，取顯著水平?=0.05時，則查表可得F0.05(3,5)=5.41。

根據經驗公式(1) - (3)，得Fc=225.567、Fp=100.835、Ff =86.573。綜上所述，上述切削力分量的經驗公式的F值均遠大于臨界值F0.05=5.41，故獲得的切削力分力經驗模型擬合度良好。

2.3 切削力的影響因素分析

以正交實驗獲得的各切削力分力經驗模型為基礎，研究不同切削用量對切削力的影響。在f =0.15 mm/r，ap=0.20 mm的切削條件下，切削力分力在不同的切削速度vc下的變化情況，如圖3所示。各切削力分力隨著切削速度的增大產生的變化很小。

在v=140 m/min，ap=0.20 mm的切削條件下，切削力分力在不同的進給量f下的變化情況如圖4所示。由圖可知，各切削力分力隨著進給量的增大均有所增大，且主切削力Fc和切深抗力Fp增加較為明顯。

圖3 切削速度vc對切削力分量的影響曲線Fig.3 Effect of cutting speed on the cutting force component

圖4 進給量f對切削力分量的影響曲線Fig.4 Effect of feedrate f on the cutting force component

圖5 切削深度對切削力分量的影響曲線Fig.5 Effect of cutting depth on the cutting force component

在vc=140 m/min，f =0.20 mm/r時，切削力分力在不同的切削深度ap下的變化情況如圖5所示為。由圖可知，各切削力分力隨著切削深度的增大均有所增大，且主切削力Fc有非常明顯的增大，切深抗力Fp的增大趨勢較Fc緩慢。

3 結論

1) 在切削加工過程中影響切削力的因素很多，有工件材料、切削用量和刀具的幾何參數等，切削用量是直接影響切削力、切削熱、刀具壽命和工件加工質量的重要因素，選擇合理的切削用量，是保證加工質量和降低成本的前提。

2) 本文運用DEFORM仿真軟件對金屬切削過程進行仿真實驗，運用回歸分析方法對得到的切削力經驗公式進行顯著性檢驗，不僅證明了經驗公式的可信性，而且驗證了模擬仿真的科學性。

[1]張方東.基于Deform的45鋼切削力仿真研究[J].內燃機與配件，2016(10)：56-58.

[2]王劍鋒.基于DEFORM的高速切削加工分析及切削參數優化[D].邯鄲：河北工程大學，2015.

[3]劉衣昌.42CrMo高強度鋼高速銑削過程中切削力和切削溫度的研究[D].衡陽：南華大學，2015.

[4]魏效玲，王劍鋒.基于DEFORM的刀具幾何參數與切削力關系的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2014(11)：11-13.

[5]韓文強，何輝波，李華英，等.影響40Cr鋼切削力的主要因素研究[J].西南大學學報：自然科學版，2013(6)：109-116.

[6]呂 鵬.車削力的預報研究[D].成都：西華大學，2010.

[7]惠記莊.采用回歸分析法建立切削力經驗公式[J].西安公路交通大學學報，1996(4)：102-105.

Experimental study on cutting force in turning process

WEI Xiaoling，HOU Zijing
(College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering,Hebei Handan 056038)

DEFORM simulation software；Orthogonal experiment；Regression model

TH206.5

A

1673-9469（2017）03-0097-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.021

2017-07-12 特約專稿

河北省科技廳科學技術計劃項目（17274502D）

魏效玲（1963-），女，山西河津人，碩士，教授，主要研究方向為現代設計方法與先進制造技術。

Absract：In this paper, the DEFORM simulation software is used to simulate the cutting process of AIGI52100 hardened steel with high speed and hard turning of diamond tools. The influence of cutting speed,feed rate and cutting depth on cutting force is studied by orthogonal simulation experiment. The optimal processing parameters combination in the experimental range is given. When the cutting speed is 120m/min,feed is 0.10m/min and cutting depth is 0.10mm, the minimum cutting force is obtained. The empirical model of cutting force is established by using regression analysis method., It is shown that the empirical formula is reliable by taking significance test.