鎢合金(95WNiCu)銑削參數對銑削力的影響 *

李占杰，郝尚東，韓 進，靳 剛，閻 兵

(1.天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222； 2.天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222)

0 引 言

鎢合金是以金屬鎢為基并添加金屬元素雙相合金，其中鎢元素的含量大約為85%～98%，鎢合金熔點大約為3 410 ℃，沸點大約為5 900 ℃，其密度為16～19 g/cm3[1]。鎢合金是金屬合金材料中硬度最高的材料，其莫氏硬度接近天然金剛石的莫氏硬度，硬度大約為8～9 M[2]。鎢合金的優異性能的存在使其被廣泛應用于在航空航天、軍事兵器、核工業、化工業、電氣業等領域[3]。

陳潔[4]等人通過對鎢基粉末冶金制品半球件進行切削試驗發現銑削參數對加工表面殘余應力影響排列順序依次為進給量、切削深度和切削速度；李金元[5]通過對高純鎢進行磨削加工實驗分析出綠碳化硅砂輪對純鎢的磨削性最優且進一步發現粗糙度數值與線速度呈正相關以及磨削深度與工作臺進給速度影響無明顯規律。

通過對鎢合金的加工分析，發現在加工鎢合金制品過程中易出現積屑瘤，導致切削過程不穩定，工件表面質量較差，刀具磨損嚴重[6-8]。目前針對鎢合金的銑削系統性研究較少，因此筆者針對95WNiCu鎢合金開展銑削加工實驗，探索加工過程中銑削參數對銑削力影響規律，為后續鎢合金的銑削力控制以及參數優化打下基礎。

1 實驗準備

1.1 實驗裝置

此次鎢合金銑削實驗采用的加工平臺為XKA715A立式數控床身銑床，銑刀為直徑16 mm的涂層硬質合金四刃銑刀，采用的材料為150×70×20 mm的長方體形狀鎢合金塊，其化學成分組成如表1所列。鎢合金工件進行銑削加工示意圖如圖1所示，首先將測力臺固定在機床上，利用夾具固定工件，在進行銑削實驗時通過測力儀進行收集銑削過程中產生的三向銑削力，并通過數據采集在電腦端呈現。

表1 95WNiCu化學成分 /%

圖1 加工示意圖

1.2 實驗規劃

此次實驗通過硬質合金刀對鎢合金工件銑削實驗，分析各因素對銑削力的影響并探究合理的參數組合。首先通過多因素實驗分析各個因素對銑削力的影響程度，再采用單因素法探究每個因素對銑削力影響的變化規律[9]，實驗方案如表2～5所列。

表2 主軸轉速實驗參數表

表3 進給量實驗參數表

表4 切削深度實驗參數表

表5 正交實驗參數表

2 實驗結果及分析

2.1 結果采集

進行銑削實驗時通過測力儀進行收集銑削過程中產生的三向銑削力，并通過數據采集在電腦端呈現，通過軟件HRsoft_DW對接收到的數字信號進行處理分析，最后輸出銑削力關于時間的變化曲線圖，如圖2、3所示，由于篇幅有限，僅給出部分參數下的時域圖。

圖2 進給速度40 mm/min

圖3 進給速度80 mm/min

從圖中可以看出銑削力呈周期性震蕩趨勢，在每個周期內產生峰谷峰波為該周期內銑削力的極值點。通過對采集到的數據進行處理，可得到在多因素實驗條件下的正交實驗結果，如表6所列。

表6 正交實驗結果

2.2 銑削參數對銑削力的影響

通過對正交實驗結果表中的每一因素的平均極差進行分析，可得到直觀分析表，如表7所列。

表7 直觀分析表

在表中極差代表的含義是每單一因素各個水平下的指標平均值中最大數和最小數之差從表中可得出各向銑削因素的影響程度，極差越大說明該因素對實驗結果的影響程度更大。從直觀分析表中可觀察出對X、Y向銑削力影響程度的主次順序為切削深度、進給速度、主軸轉速；對Z向銑削力影響程度主次順序依次為進給速度、切削深度、主軸轉速。對直觀分析表進行整體觀察，可看出在X、Y方向銑削力最優水平組合為A3B1C1,在Z方向銑削力最優水平組合為A1B2C4，X、Y方向銑削力整體大于Z向銑削力，因此在對鎢合金進行銑削加工時應選擇高轉速，小進給速度和小切削深度的銑削參數。

2.3 銑削力影響因素分析

2.3.1 主軸轉速對銑削力的影響

固定銑削參數為進給速度80 mm/min、切削深度0.1 mm，分析主軸轉速在800～2 000 r/min范圍內對各銑削分力的影響趨，如圖4所示。

圖4 主軸轉速對銑削分力的影響

從圖中可以看出，Fx、Fy、Fz隨著主軸轉速的變化趨勢大致相同都是隨著主軸轉速的增加先增加后減小在逐漸增大；Fz是隨著主軸轉速的增加先減小后增大。從圖中可以得到，當主軸轉速達到1 200 r/min后，Fx、Fy、Fz都開始產生顯著變化。主軸轉速從800 r/min增加到1 200 r/min時，Fx、Fy增加了28%，Fz減小了13%；主軸轉速繼續增加到1 600 r/min時，Fx、Fy減小了34%，Fz增大了32%；主軸轉速達到2 000 r/min時Fx、Fy增大了21%，Fx、Fz增大了11%。主軸轉速一開始的增加使得每齒切削的單位切削面積的阻力增大，銑削力開始變大；當主軸轉速繼續增加時，銑削過程中產生的熱量會增加，使得切屑變形減小，剪切角增大，銑削力開始減小；主軸轉速繼續增加時，隨著切屑量的逐漸形成切屑瘤，使得刀具實際加工前角變小切削力又開始增加。

2.3.2 進給速度對銑削力的影響

固定銑削參數為主軸轉速1 200 r/min,切削深度0.1 mm，分析在進給速度為40～240 mm/min范圍內銑削力隨進給速度的變化趨勢，如圖5所示。

從圖中可以看出隨著進給速度的增加Fx、Fy、Fz力也在逐漸增大且變化趨勢大致相同，變化趨勢由開始的平緩逐漸增大。當進給速度從40 mm/min增加到80 mm/min時三方向銑削力增大了17%；當進給速度從80 mm/min增加到160 mm/min時銑削力增大了Fx、Fz方向銑削力增大了12%，Fy方向銑削力增大了10%；當進給速度從160 mm/min增加到了240 mm/min后銑削力產生了較為顯著的變化，三方向銑削力增大了31%。銑削力增長的原因是進給速度的增加使得銑刀在單位時間內每齒切削的材料總量增加，受到更得切削阻力，導致銑削力上升。

圖5 進給速度對銑削分力的影響

2.3.3 切削深度對銑削力的影響

固定銑削參數為主軸轉1 200 r/min，進給速度80 mm/min，分析切削深度為0.1～0.19 mm范圍內銑削力隨切削深度的變化趨勢，如圖6所示。

圖6 主軸轉速對銑削分力的影響

從圖中可以看出，Fx、Fy的變化趨于平緩且大小大致相同，Fz隨著切削深度的增加逐漸增大且后期趨于平穩。當切削深度從0.1 mm增加到0.13 mm時Fz增大了24%，切削深度增大到0.13 mm后Fz趨于平滑。由于實驗方案定制的切削深度較小，所以在初始隨著切削深度的增加變化較為明顯，切削深度繼續增加，每齒在單位時間內需要切除的材料厚度增加，受到摩擦和擠壓的作用力更強，所以在切削深度達到0.16 mm后銑削力呈現出逐漸變大的趨勢。

3 銑削力經驗模型建立

鎢合金銑削加工實驗中主要涉及主軸轉速、進給速度和切削深度三個加工參數，銑削力和各個銑削參數之間存在著指數關系，通過線性回歸擬合出建立各方向銑削力經驗模型。銑削力建模的模型為：

Fk=Cknd1fd2apd3

(1)

式中：Ck為加工系數；n為主軸轉速；f為進給量；ap為切削深度。對兩邊分別取對數得到：

lgFk=lgCk+d1lgn+d2lgf+d3lgap

(2)

令y=lgFk，x1=lgn，x2=lgf，x3=lgap，d0=lgCk則：

y=d0+d1x1+d2x2+d3x3+ε

(3)

建立多元線性回歸方程：

(4)

式中：εi為隨機誤差。

可以用矩陣來表示：

Y=Xβ+ε

(5)

(6)

用d0,d1,d2,d3來表示β0,β1,β2,β3的最小二乘估計，回歸方程為：

(7)

最后的回歸方程為：

y=d0+d1x1+d2x2+d3x3

(8)

基于上方理論，采用數理統計軟件SPSS對正交實驗結果表中的數據進行處理，可得出各方向銑削力經驗模型。

其銑削力經驗模型為：

(9)

4 結 語

通過對鎢合金進行銑削實驗研究，并基于實驗結果對不同影響因素在不同參數下對銑削力的影響規律進行分析總結，可得如下結論：X、Y向銑削參數影響程度主次順序為切削深度、進給速度、主軸轉速；Z向銑削參數影響程度主次順序為進給速度、切削深度、主軸轉速。在銑削鎢合金時對參數的選擇應為高轉速，小進給速度和小切削深度的加工方式；在單因素實驗條件下，X、Y方向銑削力隨著主軸轉速的增加先增大，達到1 200 r/min之后開始減小，Z方向銑削力變化規律與其相反；銑削分力隨著進給速度的增加都呈現出增大趨勢；X、Y方向銑削力變化趨于平緩且大小大致相同，Z方向銑削力隨著切削深度的增加逐漸增大且后期趨于平穩。上述結論對于鎢合金的加工以及推廣鎢合金的應用具有重要意義。