高強鋼高效車削切削參數對切削力影響研究*

蘇 平 黃樹濤 石海城 莊 重 許立福 張玉璞

（①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；②遼沈工業集團有限公司，遼寧 沈陽 110045）

D6AC 是一種低合金超高強度鋼，具有很高的強度，強度可以達到45 號鋼的3～3.5 倍，韌性和塑性好，斷裂韌性很高，同時具有良好的延展性，由于D6AC 鋼優良的機械性能，被廣泛應用于多個重點制造等領域[1-5]。但其高強度、低導熱性的特點也導致了切削加工的困難，車削是D6AC 高強鋼構件的主要加工方法，因此研究D6AC 車削時切削要素對切削力的影響規律，能夠為切削加工工藝參數選擇提供重要參考，對實際加工工藝制定具有重要意義。

在高強鋼研究方面，劉振祥等[6]利用Abaqus有限元軟件對30CrNi2MoVA 高強鋼進行了仿真和實驗研究，得到了切削力與切削深度呈現正相關，而受切削速度影響不顯著。Wang Y X 等[7]利用有限元軟件建立了車削AerMet100 高強鋼的仿真模型，并通正交試驗進行對比，發現切削深度對切削力影響要大于主軸轉速和進給量對切削力的影響。杜凱等[8]對淬硬45CrNiMoVA 高強鋼進行了硬車削研究，發現切削深度和進給量較小時，切深抗力大于主切削力，在切削分力中起到主導作用。Sivaraman V等[9]對屈服強度為1 384 MPa 的多相V 型合金鋼進行了車削試驗，得到了切削用量三要素對切削力的影響規律。陶亮等[10]利用ABAQUS 軟件對40CrNiMo鋼的切削過程進行了有限元仿真，發現切削深度對切削力影響最大，切削速度的影響程度最小。王永鑫[11]對AerMet100 鋼進行了車削試驗研究，結果表明，背吃刀量對切削力影響最大，并建立了切削力指數經驗預測模型。Guo C S 等[12]對300M 高強鋼進行了正交試驗，得到了切削力與各個切削參數間的規律，并建立了切削力預測模型。周超等[13]通過仿真對34CrNi3Mo 高強鋼進行了正交試驗研究，建立起切削要素與切削力間關系的模型，并根據目標優選了切削參數。李昊澤等[14]對高速切削AF1410高強鋼進行了仿真研究，得到了各切削分力受切削要素的影響規律。趙旭峰[15]對18MnD5 鋼進行了小用量和大用量的仿真研究，并在小用量的條件下開展了正交實驗，得到了切削參數對切削力的影響規律并建立了切削力預測模型。

近年來，由于高強鋼的優異性能和廣泛應用，其切削力等方面的研究也越來越受到重視，但高強鋼類型較多，各類型間性能并不相同，切削規律也就不盡相同，這就不可避免地導致D6AC 鋼車削加工時切削參數的選擇缺乏依據。因此本文針對D6AC 高強鋼高效粗加工，采用正交試驗方法，研究了切削用量對切削力的影響規律，并建立了切削力的經驗公式。

1 試驗條件及方案

試驗試件為D6AC 高強鋼棒料，廠家檢測D6AC 高強鋼屈服強度σs=1422～1433 MPa，斷后伸長率δ=10.0%～11.5%，并測得其化學成分，見表1。

表1 D6AC 高強鋼的化學元素質量分數

本干式車削試驗所用機床的型號為CAK6150數控車床。刀片采用國產化學氣相沉積TiCN+Al2O3涂層硬質合金車刀，具體的刀具幾何參數見表2。切削試驗系統如圖1 所示，車削過程中產生的切削力采用奇石樂公司生產的9257B 壓電式平板測力儀進行測量，并通過5697A 型數據采集器、5070A型電荷放大器、計算機系統進行數據處理和記錄。

圖1 切削試驗系統

表2 刀具幾何參數

試驗采用正交試驗方法，每個切削要素選取3個水平值進行正交試驗，試驗時各個參數的水平及對應的數值見表3，正交試驗方案見表4。

表3 正交試驗因素及水平

表4 正交試驗方案

2 試驗結果及分析

測量得到的切削力原始信號如圖2 所示，其中4～14 s 為實際車削時穩定切削區域的切削力。對原始信號進行濾波、去漂移等處理后得到的穩定切削區域切削力波形圖如圖3 所示，可以看出，車削D6AC 高強鋼時主切削力Fz最大，軸向力Fx次之，徑向力Fy最小。

選取穩定切削區域切削力平均值進行研究，得到的切削力數據見表5，其中切削合力F合為

表5 正交試驗切削力數據

式中：Fx為 軸向力；Fy為 徑向力；Fz為 主切削力。

基于Minitab 軟件進行數據處理得到切削用量三要素對各個切削力影響顯著性的極差分析見表6，均值主效應圖如圖4 所示。

圖4 切削力的均值主效應圖

表6 正交切削試驗切削力極差分析表

分析均值主效應圖和極差分析表，發現在本車削試驗所選參數范圍內，進給量主要影響徑向力、主切削力及切削合力，切削深度主要影響軸向力，切削速度對各個切削力的影響顯著性最低。切削深度增加后，切削寬度增加，刀具受到的軸向抵抗作用加劇，因此對軸向力影響最大，同時切屑的面積增大，與工件和刀具在軸線方向上的摩擦作用增強，也會使切削力增大；進給量增加，切削厚度增加，工件材料變形更為嚴重，產生的抵抗作用增強，導致主切削力增大并成為影響主切削力的最主要因素。由于刀尖圓弧半徑的存在，進給量增加也使徑向切削力增大，成為影響徑向切削力的最主要因素；隨著切削速度的增加，各個切削力的均值均呈現下降趨勢，是因為切削溫度隨切削速度的增加而升高，工件材料的溫度軟化效應加劇，切削力減小。

3 切削力經驗公式模型

3.1 經驗公式建立

基于Matlab 軟件和多元線性回歸理論，根據表5 中所列的正交試驗的切削力數據建立起各個切削力的經驗公式分別為

本試驗中F檢驗的顯著性水平為0.05、自變量個數為3、試驗數為9，所以查F檢驗分布表可得F0.05(3,5)=5.41。在計算切削力經驗公式的同時得到的回歸分析統計量見表7，其中表示線性相關性的復相關系數R2值都與1 非常接近，且F值均大于F0.05(3,5)=5.41、P值遠小于顯著性水平0.05，這些都說明經驗公式顯著，回歸方程可信，可以為實際加工提供一定參考。

表7 回歸分析統計量

3.2 經驗公式驗證

為了驗證所求經驗公式的準確性，將部分試驗參數代入各個切削力經驗公式中求出預測值，并將預測值與實際測量值進行比較，求出相對誤差，具體結果見表8。

表8 切削力實際值與預測值對照表

從表中可以看出，各個切削力的實際值與預測值間相對誤差較小，均小于5%，證明了該切削力經驗公式的可靠性和準確性。在本試驗參數范圍內，根據極差分析和切削力預測模型，當切削參數為vc=390 m/min、f=0.1 mm/r、ap=2 mm 時可以獲得最小切削合力為622.7 N。

4 灰色關聯分析

4.1 灰色關聯分析理論

灰色關聯分析法是基于一部分信息已知和一部分信息未知的灰色系統建立起的一種分析方法，通過這種方法可以判斷參考數據受比較數據影響的強弱。在本試驗中切削力為參考數據，切削深度、切削速度、進給量為比較數據?；疑P聯分析的步驟如下。

（1）首先需要明確計算時的比較序列。比較序列的形式為

其次需要明確計算時的參考序列，形式為

（2）對所用數據進行量綱一化。為了防止數值數量級間的懸殊差距對實際情況產生影響，需要對數據進行無量綱化處理，常用的方法包括初值化、均值化、極差正規化和標準化等。

（3）計算關聯系數。首先需要計算 ?ik，為了比較序列與參考序列的絕對差值；?min為兩級最小差；?max為兩級最大差。它們的求解公式分別為

再通過式（8）將所有關聯系數依次求出。

式中：ρ 為分辨系數，其值在[0,1]內選取，通常取值為0.5，本文也將此值取為0.5。

（4）求出關聯序度并排秩。根據式（8）求出的數據，利用式（9）將每一個因素對應的關聯序度求出，并排序。

4.2 灰色關聯分析

根據上述公式對表5 的各個切削力數據進行灰色關聯分析，由此計算得出的關聯系數見表9，根據關聯系數繪制的關聯系數圖如圖5 所示。

圖5 灰色關聯系數圖

將表9 中各個要素的灰色關聯系數取均值后得到各個切削力的灰色關聯度見表10，分析可知，進給量與徑向力、主切削力和切削合力的關聯性較強，切削深度與軸向力關聯性較強，切削速度與各個切削力的關聯性都較弱，與極差分析得到的結果相吻合，二者相互印證。這說明進給量對切削力的影響最大，切削速度對切削力的影響最小。

表10 灰色關聯度

5 結語

本文對D6AC 高強鋼進行了高效車削正交試驗，在所選擇的試驗條件下，得出以下結論：

（1）極差分析結果表明，三個因素中，進給量對徑向力、主切削力，切削合力的影響最大；切削深度對軸向力的影響最大，而對其他切削分力及切削合力的影響小于進給量；切削速度對各個切削分力及切削合力的影響最小，切削力與切削速度呈現負相關關系。

（2）灰色關聯分析與極差分析結果相吻合，進給量與徑向力、主切削力、切削合力之間的關聯性最強，切削深度與軸向力關聯性最強，切削速度與各個切削力的關聯性都較弱。

（3）所建立的各個切削力的經驗公式可靠，預測值與實際值間相對誤差較小，可以為實際切削提供一定理論支持，當切削參數為vc=390 m/min、f=0.1 mm/r、ap=2 mm 時可以獲得最小切削合力。