硬车削淬硬轴承钢GCr15表面粗糙度的试验研究

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淬硬钢由于具有较高的机械强度和抗疲劳磨损能力，在工业领域中得到了广泛的应用。但淬硬钢是典型的难加工材料，切削加工性能差，其精加工通常由磨削完成。磨削加工效率低、砂轮及磨削液消耗量大、成本高且切削废液污染程度严重。随着高硬刀具材料和相关技术的发展 ，以硬态切削代替磨削完成精加工操作成为淬硬钢加工的重要途径 。与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性 、经济性和环保性能，且能得到可与磨削相当甚至更高的加工表面质量回。

零件的表面粗糙度是衡量工件表面加工质量的-个重要指标，直接影响机械设备的使用寿命和使用性能。因此，研究影响硬态切削表面粗糙度的因素，指导生产实践中切削参数的选择，对于发挥硬态切削的技术优势具有现实意义[4- 〖虑到陶瓷刀具相较 PCBN刀具的成本优势，如合理使用可有效降低生产成本。

故本研究采用陶瓷刀具进行淬硬轴承钢 GCrl5的硬车削加工试验，并通过正交试验分析和方差分析给出试验范围内的最优加工参数组合。运用回归分析方法建立表面粗糙度的经验模型，并通过数值仿真分析研究切削参数对表面粗糙度的影响。

2试验方案2.1试验系统切削试验在 CA6140A普通车床上进行，使用陶瓷刀片加工淬硬轴承钢 GCrl5圆棒料。刀片选用某公司的 KY1615，其编号为 ISO CNGA 120404、120408和 120412，所用刀柄编号为 ISOPCBNR 2525M12。试件经淬火处理后的硬度为 602 HRC，直径70mm，长度 300mm，其化学成分，如表 1所示。

表 1试验用工件材料化学成分Tab.1 Chemical Composition of P20 Mould Steel盛坌含量(wt 0.95～1.05 0.2加.4 0.15-0.35 1.3～1.65 <0.02 <0.0272.2试验方法采用正交试验法收集试验数据样本，选择切削速度、进给量和刀尖圆浑径作为试验因子，以研究其对表面粗糙度的影响程度。正交试验的因素水平，如表 2所示。试验中保持切削深度 0.2mm。

来稿 日期：2012-09-29作者简介：崔伯第，(1977-)，男，吉林辽源人，博士，主要研究方向：先进制造技术研究第 7期 崔伯第：硬车削淬硬轴承钢 GCrl5表面粗糙度的试验研究 15I表 2正交切削试验因素水平表Tab.2 Experimental Factors and Levels for Training Data3试验结果与分析3.1正交试验分析试验结果，如表 3所示。采用极差分析法对正交试验结果进行分析处理，以确定切削速度、进给量和刀尖圆浑径对表面粗糙度影响的主次，确定各试验因素的优水平及试验范围内的最优加工参数组合。

表 3正交试验及结果Tab.3 Experimental Layout Using L9 Orthogonal Array极差分析结果，如图 1所示∩知，进给量对表面粗糙度的影响最大，刀尖圆浑径次之，再次为切削速度。为使已加工工件表面获得较低的表面粗糙度值，切削速度应采用其低值，进给量取其低值，刀具圆浑径取其高值。故在试验范围内，最优的加工参数组合应为v，100 m/min，f0.1 mrrdrev， 1.2 mm。

篓暄l- / - ./J 00 150 200 0.1 O.2 O3 0.4 0.8 1-2图 1各因素对表面粗糙度影响的趋势图Fig.1 Main Effect Plot for Surface Roughness表4表面粗糙度影响因素的方差分析Tab.4 ANOVA for Surface Roughness对试验结果进行方差分析，结果如表 4所示∩知，进给量对表面粗糙度的影响最为显著，其贡献率达到79.313%；其次为刀尖圆浑径，贡献率为 16.147%；而切削速度的影响非常小 ，贡献率仅为 1.277%。因此，方差分析与极差分析得出的加工参数影响规律是-致的。

32表面粗糙度经验模型在机床加工系统和刀具几何参数确定的前提下，假设表面粗糙度与切削参数之间存在复杂的指数关系ll1o运用统计分析软件 Minitab，对正交试验中得到的数据进行线性回归分析，得到表面粗糙度的经验式(1)如下：Ra53.96v194361].57207 (1)对经验公式进行显著性检验 ，有 F773.25，远大于临界值‰ (3，5)5.41，则该表面粗糙度经验模型拟合度良好。

3.3表面粗糙度的影响因素分析基于获得的表面粗糙度经验模型，采用数值仿真的方法研究不同加工参数对表面粗糙度的影响规律，结果如图 2-图 4所示。在fo.2 mm/rev、r，-O.8 mm的切削条件下切削速度 对表面粗糙度的影响情况，如图 2所示∩知，当切削速度增大时，表面粗糙度略有下降，但影响微弱。在 vc150 m/min、r-O.8 mm的切削条件下进给量厂对表面粗糙度 。的影响曲线，如图3所示。由图可知，随着进给量的增大，表面粗糙度几乎线性增加，且影响明显。vc150 m/min、厂-0.2 mm/rev"时刀尖圆浑径 re对表面粗糙度R。的影响情况，如图4所示。由图4可知，随着刀尖圆浑径的增大，表面粗糙度呈下降趋势，且当 由 O.8mm提高至 1.2mm时变化略有趋缓。 。

图2表面粗糙度随切削速度变化曲线Fig.2 Relation between R and进给量： mm/rev)图3表面粗糙度随进给量变化曲线Fig.3 Relation between R。and fl52No.7机械设计与制造 July.2013刀尖圆浑径 (mm)图4表面粗糙度随刀尖圆浑径变化曲线Fig.4 Relation between R。and re4结论(1)正交试验分析显示，为获得较低的表面粗糙度，切削速度应采用其低值，进给量取低值，刀具圆浑径取高值。故在试验范围内，最优加工参数组合应为Ve100m/min 卢0.1mm/rev， 1.2mm；(2)增大刀尖圆浑径可有效降低已加工表面的表面粗糙度。而提高切削速度可使表面粗糙度略有下降，但影响有限；当进给量增大时，表面粗糙度几乎线陛增加，且影响显著；(3)进给量对表面粗糙度的影响最大，刀尖圆浑径次之，而切削速度的影响微弱。