奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti的鋸切試驗研究*

陳 權，王靳南，梁汝囡，王 權

(1.武漢海王新能源工程技術有限公司，湖北 武漢 430064； 2.中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引 言

奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti鋼是在Cr-Ni不銹鋼中添加穩(wěn)定元素Ti以提高其抗晶間腐蝕能力，因其具有良好的高低溫力學性能、耐腐蝕性和焊接工藝性能,在后處理工廠得到大量使用。在放射性廢物處理或核設施退役階段，為了滿足廢物最小化的原則，通常需要將設備或部件進行切割解體，以按照不同放射性水平進行廢物分類處理[1]，該切割解體過程通常涉及到奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti的鋸切。

奧氏體不銹鋼切削加工時存在加工硬化嚴重、切削力大、切削溫度高、刀具易磨損等特點，屬于難切削材料，其相對切削加工性約0.3～0.5，相同切削條件下06Cr18Ni11Ti的單位切削力比45#鋼大25%以上[2]。為探索奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti鋸切時的切削力影響因素及規(guī)律，根據(jù)金屬材料鋸切的理論分析，設計了鋸切的正交試驗方案，結合試驗結果研究了各切削參數(shù)對單齒平均鋸切力的顯著性影響，并利用線性回歸建立鋸切力的經(jīng)驗模型。

1 鋸切力影響因素分析

根據(jù)文獻[3]、[4]，金屬材料被鋸切時的單位體積鋸切變形功除了和材料本身的材質(zhì)特性、刀具前角及切入角度有關外，還與鋸切線速度、進鋸速度等切削參數(shù)有關。

被切金屬單位體積鋸切變形功[3]：

(1)

由公式(1)可知，金屬材料被鋸切時的單位體積鋸切變形功與鋸切線速度v、進鋸速度u、齒間距t成正比。

即a∝vx(ut)y

(2)

單齒平均鋸切力F[4]：

(3)

對齒間距t、總齒數(shù)z、直徑D的圓鋸片來說，進給速度u與鋸片轉速n、每齒切削量f存在以下關系：

ut=nzft=nπDf=fv

(4)

單齒平均鋸切力F：

F∝δxvyfz

(5)

可見，金屬鋸切符合一般金屬切削加工的規(guī)律，其鋸切力與切削深度(鋸片厚度)、切削線速度和每齒切削量這三個因素成指數(shù)關系[5]。

2 試驗設計

為分析各因素對鋸切力影響的顯著程度，擬合出單齒平均鋸切力的經(jīng)驗公式，采用正交試驗的方法，測量鋸切過程中的鋸切功率消耗。

2.1 試驗設備

此試驗在非標定制的圓盤鋸鋸切設備上進行(如圖1所示)，鋸切對象為直徑120 mm的06Cr18 Ni11Ti棒材。鋸片旋轉和刀具進給均采用SEW伺服電機驅動，便于速度調(diào)節(jié)和功率消耗記錄(伺服電機控制器見圖2)；試驗用鋸片采用硬質(zhì)合金P40刀塊，齒形為負前角的切斷齒。為減小斷續(xù)鋸切對測量數(shù)據(jù)的影響，測試時最長切斷路徑上確保有不少于5個鋸齒同時參與鋸切，記錄鋸切到最長切斷路徑上重復出現(xiàn)的最大電流值。

圖1 專用圓盤鋸鋸切設備 圖2 伺服電機控制器

2.2 試驗方案設計

正交試驗法是應用正交表的正交原理和數(shù)理統(tǒng)計分析，研究多因素優(yōu)化試驗的一種科學方法，可以用最少的試驗次數(shù)優(yōu)選出各因素較優(yōu)參數(shù)或條件的組合[6]。

此正交試驗采用L9(34)正交表，其中第4列為空列(作為誤差列)。參考相關文獻和金屬銑削、鋸削加工手冊的相關數(shù)據(jù)[7-8]，結合鋸片廠家推薦，確定鋸片厚度、鋸切線速度和每齒切削量這三個因素的三個水平。試驗方案設計見表1所列。

表1 正交試驗方案表

續(xù)表1 正交試驗方案表

3 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗結果

根據(jù)實測的最大電機消耗功率P，計算單齒平均鋸切力F(N)：

(6)

式中：z0為同時參與鋸切的齒數(shù)；D為鋸片直徑；n為主軸轉速。

測試與計算結果見表2所列。

表2 鋸切試驗測試結果

3.2 方差分析

利用方差分析評估不同切削參數(shù)對單齒平均鋸切力的顯著性影響[9]，詳見表3所列。

表3 切削參數(shù)對單齒平均鋸切力的顯著性分析

取顯著性水平α為0.05，通過查表可得F分布臨界值：F0.05(2,2)=19。根據(jù)F檢驗原理可知，單齒切削量f對單齒平均鋸切力的影響最為顯著，鋸片厚度次之，鋸切線速度最不顯著。

3.3 回歸分析

對公式(5)兩端取對數(shù)，可將方程線性化：

lnF=lnα+xlnδ+ylnv+zlnf

(7)

將上述試驗數(shù)據(jù)進行轉換，并利用Excel的回歸功能進行多元線性回歸，計算結果見圖3。

圖3 線性回歸計算結果

擬合出奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti鋸切時單齒平均鋸切力經(jīng)驗公式為：

F=1199δ1.535v0.025f0.63

(8)

4 結 語

通過L9(34)正交表的正交試驗，研究了各切削參數(shù)對單齒平均鋸切力的影響規(guī)律，借助Excel的多元線性回歸功能，擬合了特定條件下硬質(zhì)合金刀具鋸切奧氏體不銹鋼06Cr18Ni11Ti的經(jīng)驗公式，得出該材料鋸切時單齒平均鋸切力與切削深度(鋸片厚度)、切削線速度和每齒切削量均成指數(shù)關系的說明，為奧氏體不銹鋼的鋸切應用和工藝參數(shù)優(yōu)化提供一定的參考。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn)，單齒切削量對單齒平均鋸切力的影響最為顯著，鋸片厚度次之，在實際工程應用中可通過調(diào)整這兩個切削參數(shù)優(yōu)化鋸切工藝，達到節(jié)能降耗的目的。