銑削20CrMnTi 鋼已加工表面粗糙度的試驗研究＊

周浩淳 金成哲 張文瑞 劉 瑋

（①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；②沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159）

20CrMnTi 淬硬鋼具有較高的淬透性、抗沖擊性及良好的抗疲勞性，其切削加工性能良好，成品尺寸精度高，被廣泛應用于制造軸承類、齒輪類等零部件[1]。20CrMnTi 淬硬鋼在工程應用中存在表面質量難以控制等問題。而表面粗糙度是表面完整性最重要的評價指標之一，對工件的耐磨性能、工件質量等具有重要的決定作用[2]。為了提高工件質量，正確選擇切削參數是必不可少的，因此，研究切削參數對銑削20CrMnTi 淬硬鋼表面粗糙度的影響具有重要意義。

目前，學者對淬硬鋼表面粗糙度方面的研究日益增多。徐凱等[3]采用錫涂層刀具對淬硬模具鋼SKD61 進行銑削，采用不同的參數進行正交試驗，以確定不同參數對表面粗糙度的影響。季思慧[4]通過環銑刀銑削淬硬鋼模具拐角加工的試驗數據，利用多元線性回歸系數建立了LS-SVM 預測模型，分析出預測效果同時對比出兩種模型的預測誤差。馬富榮等[5]進行了PCBN 刀具車削不同形態Cr12MoV鋼的試驗。研究表明，車削硬度高的工件時，表面粗糙度所受的影響更大；表面粗糙度隨著切削速度的增加而增加，隨著背吃刀量的增加而降低。高妮萍[6]進行了20CrMnTi 滾齒加工試驗，測量齒面粗糙度，研究結果表明，齒輪表面質量隨著滾刀前刀面粗糙度、滾刀刃圓角半徑的增大而提高。崔入威等[7]通過試驗來研究表面粗糙度對38CrMoAl 鋼滲氮層組織的影響。表面粗糙度增大時，滲氮層表面硬度略有降低，滲層硬度梯度隨表面粗糙度增大而趨于平緩。Sahinoglu A 等[8]研究對3 種不同硬度AISI 1040鋼在不同切削深度、進給量和切削速度下進行無冷卻車削試驗。結果表明，增大進給量值會引起表面粗糙度的增大；進給量是影響表面粗糙度和功耗的最有效加工參數。Wang C Y 等[9]采用響應曲面法設計了42CrMo 鋼的磨削強化試驗，結果表明，表面粗糙度隨著工件的背吃刀量和進給速度的增加而增加。磨削速度對磨削硬化表面粗糙度的影響不明顯。進一步得到了基于響應曲面法的BP 神經網絡對表面粗糙度磨削和淬火的預測。Stakhniv M E 等[10]研究了淬硬KhVG 鋼精密車削過程中切削速度對已加工表面粗糙度的影響。結果表明隨著切削速度從0.8 m/s 增加到5.5 m/s，表面粗糙度降低。對于淬硬KhVG 鋼的精車，宜采用立方相晶粒尺寸為2/1、3/2、7/5，且具有cBN 和AlN 相組成的刀具。Sandip M 等[11]在MCFA 環境下，研究切削速度、進給量和切削深度對多層（TiN/TiCN/Al2O3）涂層硬質合金刀片車削AISI 52100 合金鋼表面粗糙度的影響。建立了基于響應曲面法（RSM）的表面粗糙度二次回歸模型。基于P值、F值和R2值檢驗了模型的充分性和有效性。采用方差分析確定切削參數及其交互作用對表面粗糙度的相對顯著性。Pissolatti A L 等[12]研究了D6 工具鋼精銑加工的4 種不同加工策略。從刀具壽命結束時的表面粗糙度方面對它們進行了比較。結果表明，采用下行銑削和上行銑削可以獲得較低的表面粗糙度。

目前，國內外學者的研究集中在采用建立預測模型、采用不同刀具等方面開展了大量切削淬硬鋼表面粗糙度的研究，因此，本文采用正交試驗對銑削后的20CrMnTi 淬硬鋼材料表面粗糙度進行測量分析，研究表面粗糙度受切削參數影響的關系，建立切削參數與表面粗糙度的預測模型，并與試驗結果進行誤差對比分析，為銑削20CrMnTi 淬硬鋼選擇高效率低表面粗糙度的切削參數提供依據。

1 銑削加工試驗

1.1 加工設備與試驗方案

試驗選用圖1 所示的20CrMnTi 淬硬鋼作為工件材料，其主要化學元素含量成分見表1，硬度為58～60 HRC，工件尺寸為200 mm ×50 mm ×20 mm。

表1 工件材料20CrMnTi 化學成分

圖1 20CrMnTi 淬硬鋼試驗工件

試驗選擇圖2 所示的四刃焊接式CBN 直柄平底立銑刀，刀具幾何參數見表2。試驗設備使用VMC850E 立式數控加工中心，如圖3a 所示。銑削加工試驗現場如圖3b 所示。

表2 刀具幾何參數

圖2 四刃CBN 直柄平底立銑刀

圖3 試驗設備及試驗現場

以切削速度vc、每齒進給量fz及銑削深度ap為因素，設計正交表，見表3。

表3 銑削正交試驗參數表

1.2 測量設備

表面粗糙度測量設備采用TIME3200 粗糙度測量儀和KEYENCE 公司的VHX-1000C 超景深三維顯微鏡，如圖4 所示。

圖4 試驗所用儀器設備

1.3 試驗結果及分析

由正交試驗參數（表3）分別測得各組試驗對應的粗糙度值，為避免測得值的偶然性所造成的誤差，每組測量得5 個值，求其平均值，則得到表面粗糙度試驗結果見表4。

表4 表面粗糙度正交試驗結果

對試驗得到的表面粗糙度進行極差分析，結果見表5。

表5 表面粗糙度極差分析表

由極差分析表可得，對表面粗糙度影響最大的是銑削深度，其次是每齒進給量、切削速度。切削參數最優組合方案為切削速度vc=50 m/min、每齒進給量fz=0.05 mm/z、銑削深度ap=0.3 mm。

2 切削參數對表面粗糙度的影響

對于切削參數對表面粗糙度影響的研究，依據單因素試驗方案，分別測得對應切削參數下的粗糙度值，最后的表面粗糙度結果取5 次測量的平均值。

2.1 切削速度對表面粗糙度的影響

采用單因素試驗法，在不同的切削速度下對表面粗糙度進行統計分析。選擇切削速度vc分別為50 m/min、75 m/min、100 m/min、125 m/min 和150 m/min。每齒進給量fz為0.05 mm/z，銑削深度ap為0.3 mm。得到切削速度不同時表面粗糙度變化的曲線，如圖5 所示。

圖5 切削速度對表面粗糙度的影響曲線

從圖5 看出，切削速度從50 m/min 增大到150 m/min 時，工件表面粗糙度Ra 從1.561 μm 減小到0.623 μm，表明隨著切削速度增大，表面粗糙度不斷下降。分析原因：一方面，低速銑削時，切屑排出時容易對工件表面劃傷或者損傷；另一方面，低速銑削時，切削加工區域有較低的切削溫度，工件材料軟化程度不明顯，切削力增大，引起切削振動，導致工件表面粗糙度變大。隨銑削速度逐漸升高，一方面，切削區域內溫度升高，對工件的軟化作用逐漸體現，切削過程更易進行；另一方面，由于切削速度變化效應，隨著切削速度增大，切削過程中產生的顫振減小，進而導致表面粗糙度減小。當切削速度達到125 m/min 時，工件表面粗糙度為Ra0.694 μm，之后隨著切削速度的增加粗糙度下降不明顯。

2.2 每齒進給量對表面粗糙度的影響

采用單因素試驗法，在不同的每齒進給量下的表面粗糙度進行統計分析。選擇每齒進給量fz分別為0.05 mm/z、0.07 mm/z、0.09 mm/z、0.11 mm/z 和0.13 mm/z，切削速度vc為50 m/min，銑削深度ap為0.3 mm，得到每齒進給量不同時表面粗糙度變化的曲線，如圖6 所示。

圖6 每齒進給量對表面粗糙度的影響曲線

由圖6 可知，表面粗糙度隨每齒進給量增加而增加。這是因為在切削加工中，每齒進給量增加，銑削厚度和銑削面積就會增加，此時由于銑削厚度增加導致切削困難，工件材料的抗變形能力增加，切削力隨之增加，刀具工件之間的摩擦力增加，從而引起機床的振動增加，因此也會造成表面粗糙度的增加。

2.3 銑削深度對表面粗糙度的影響

采用單因素試驗法，在不同銑削深度下的表面粗糙度進行統計分析。選擇銑削深度ap分別為0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm 和0.7 mm，切削速度vc為50 m/min、每齒進給量fz為0.05 mm/z。得到銑削深度不同時表面粗糙度變化的曲線，如圖7 所示。

圖7 銑削深度對表面粗糙度的影響曲線

由圖7 可以看出，銑削深度增大，使得表面粗糙度也增加。這是由于隨著切削加工中銑削深度的增加，銑削厚度增大，單位時間內工件的去除率也會增大，加快刀具的磨鈍和磨損，因此，表面粗糙度增加。此外，因為較大的切削深度，后刀面與表面接觸摩擦產生的力增大，也會影響工件表面粗糙度。

3 表面粗糙度預測模型的建立

表面粗糙度主要與加工方式、刀具及工件材料和切削參數有關，在本試驗中，只有切削參數為自由變量，表面粗糙度的影響因素是切削速度、每齒進給量、銑削深度。在此基礎上，以這3 個切削參數為變量，建立基于指數函數的表面粗糙度預測模型，所建立的數學模型為

式中：C為切削加工系數；vc為切削速度，fz為每齒進給量，ap為銑削深度；ai、bi、ci分別為各切削參數的指數。

對式（1）進行線性化處理可得線性回歸方程：

利用Matlab 軟件，把試驗所得的各切削參數及對應的表面粗糙度數據代入regress 函數，regress 函數可以進行預測模型的計算，分別得到表面粗糙度回歸系數估計值。

將結果代入式（1）得表面粗糙度Ra 模型如下：

對所得到的模型驗證，見表6。

表6 預測表面粗糙度結果對比

由表6 可得，利用模型預測得出的表面粗糙度與試驗得到的結果的誤差最大為8.41%，在誤差允許范圍內，說明所建立的模型可以比較準確地對表面粗糙度進行預測，模型的可信度較高。

4 結語

（1）通過銑削20CrMnTi 淬硬鋼試驗結果進行極差分析，得出對表面粗糙度影響程度最大的是銑削深度，然后是每齒進給量和切削速度。最優組合為切削速度vc=50 m/min、每齒進給量fz=0.05 mm/z、銑削深度ap=0.3 mm。

（2）隨著每齒進給量和銑削深度的增加，表面粗糙度隨之增大；隨著切削速度的增加，表面粗糙度降低。切削過程中可以采取增大切削速度的措施降低粗糙度，提高加工質量。

（3）基于指數函數建立了表面粗糙度預測數學模型，并通過比較預測值與試驗值的誤差驗證了模型的準確性。建立的模型可用于預測加工過程中的表面粗糙度，為銑削20CrMnTi 鋼切削參數的選擇提供指導。