基于正交试验的铣削参数和刀具磨损对表面粗糙度的影响研究

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随着现代化工业的不断发展 ，生产生活中对机械产品的质量要求越来越高 ，特别是在石油化工生产 中。大部分机械设备要在高温、高压、强腐蚀等特殊环境下工作 。因此 ，机械零件的制造质量特别是表面质量直接影响设备的使用性能及寿命。表面质量指工件经切削加工后的表面粗糙度、表面层残余应力 、表面的加工硬化及显微组织变化等.这些都会对零件的使用性能产生影响 。其 中，表面粗糙度对零件的耐磨性、耐腐蚀性 、疲劳强度以及配合性质都有较大影响Ⅱ]。为有效控制零件加工表面粗糙度 .采用正交试验法对不同工艺条件下表面粗糙度 的变化情况进行分析、研究。

正交试验设计是利用正交表合理安排试验 ，以旧能少的试验次数确定主要影响因素及各 因素对试验指标的影响规律闭。利用正交表安排试验首先要明确试验 目的、确定试验指标 ；其次根据试验指标的特征确定影响因素修稿 日期 ：2013-01-20作者简介 ：朱红 波(1982-)，男，辽宁抚顺人，助教 ，硕士。研究方向 ：机械制造质 量控制 。

及各因素水平 ；最后根据试验因素及水平选择合适的正交表安排试验计J1]is]。

1 试验指标及因素水平确定表面粗糙度是衡量 机械加工表面质量的重要指标 ，因此试验选取表面粗糙度为试验指标 。切削加工过程中影响表面粗糙度的因素很多 ，工件材料与刀具材料 的匹配、切削方式、切削用量、刀具几何形状、切削液 、振动等因素对表面粗糙度均有很大的影响问。如果采用如此多的因素进行试验设计将会非常繁琐和复杂，因此在试验前必须对实际的加工过程进行分析 ，结合试验 目的剔除次要因素 ，选择较少的可控因素进行试验与分析。在机械加工过程 中。工件、刀具材料、加工方式和机床是固定因素 ，切削三要素和刀具磨损是变化因素圆，当机床 、工件 、加工方式等因素确定后 ，影响表面粗糙度的主要因素是切削要素和刀具磨损 ♂合试验 目的 ，最终确定试验 因素为 ：主轴 转速 n、铣削深度 aD、进给速度 f和刀具磨损量 VB。为了进-步分析试 验因素对试验指标的影 响情况 ，试验 因素分别选取 4个水平。切削过程 中刀具从新刀加工到刀具磨损 、磨钝是十分漫长 的试验工133· 数控机床世界 ·作。为了节约试验成本与试验时间 ，试验前从某生产车间收集不同磨损状态的高速钢三齿直立铣刀(HSS，10mm)，利用工具显微镜分别测量每把刀具的磨损量，根据磨损量的大小 以及刀具磨损过程对刀具进行分类 。

确定刀具磨损量各水平 ，根据生产经验及切削加工手册确定切削参数各水平。试验因素与水平如表 1所示。

表 1试验因素水平表Tab.1 The table of test factor in the level参数水平 1 2 3 4A：主轴转速 60o 800 1ooO 1200n(r/min)B：切削深度 O-3 O.6 0.9 1.2ap(mm)C：进给速度 70 100 12O 140f(mm/min)D：刀具磨损 O.O5 O.2 0.37 0.52VB(mm) (新刀) (轻微磨损) (正常磨损) (严重磨损)2 制定试验计划试验选取铣削切削要素中的主轴转速 n、刀铣削深度 ‰、进给速度 f以及刀具的不同磨损量 VB作为影响因素 ，并且 每个因子均有 四个水平 。为了便于分析切削参数和刀具磨损对表面粗糙度 的影 响，试验分别选取四种不同磨损状态的刀具在不同切削参数下进行切削试验。根据切削参数和刀具磨损的不同水平，利用Minitab软件制定试验计划如表 2所示。

表2试验计划及试验结果Tab.2 The table of test plan and resultats样本 A(n)主轴 B(‰)铣削 C(f)进给 D(VB)7J Y(Rz)表转速 深度 速度 具磨损量 面粗糙度 序号(r/rain) (mm) (mm/min) (IlI1) ( )1 60o 0-3 70 0.05 6.6122 60o O.6 lo0 0.2 7.1673 60o 0.9 120 O-37 8.9574 60O 1.2 140 O.52 14.6155 8o0 O3 1oo 037 7.1346 80o 0.6 70 O.52 9.1647 80o 0.9 140 O.O5 9.7578 8o0 1.2 120 02 9.2239 1O0o 0.3 120 O.52 10.68510 10oO 0.6 140 O37 10.582l1 1Ooo 0.9 70 0.2 6.61312 1Oo0 1.2 100 O.05 6.44213 120o O.3 140 O.2 7.92714 1200 O.6 120 0.O5 6.51715 120o 0.9 10o O.52 10.O6216 l20o 1.2 70 O37 7.2573 试验结果分析试验在 DM4600立式镗铣加工中心上利用高速钢三齿直立铣刀 (HSS， 10ram)对 45钢试件进行元冷却液顺铣削加工，利用JBQ型(9J)光切显微镜对不同工艺条件下 的加工表面粗糙 度进行测量 ，获得试验结果见表 2。

为了进-步研究切削参数及刀具磨损对表面粗糙度的影134拟台 平均值- . ，// / / 图 1 试验因素对 表面粗糙度影响的主效应图Fig.1 Test the main efects ofthe factors 0n the surfacelgOUghl$Figure表 3表面粗糙度的方差分析Tab.3 Analysis of the variance of the surface roughness来源 自由度 Seq SS A dj SS Adj MS F P主轴转速 3 4.0322 4.0322 1.3441 1.99 0.293 (r/min)铣削宽度(mm) 3 3.9O48 3.9O48 1.3016 1.93 0.302进给速度(mm/min) 3 27.0265 27.0265 9.0o88 13.34 0.O31刀具磨损量(mm) 3 35.0532 35.0532 11.6844 17.3O O.O2l误差 3 2.0267 2.0267 0.6756合计 15 72.0434响，应用 Minitab软件对表 2中试验数据进行统计分析 。

得到表面粗糙度 的均值主效应如图 1所示 .表面粗糙度方差分析结果如表 3所示。

由表面粗糙度主效应图可以看出，在给定的切削参数范围内，随着主轴转速的提高，表面粗糙度先下降后上升，说 明在-定范围内，提高切削速度可以改善加工表面质量，但随着主轴转速的提高。-定程度上会导致切削温度升高 ，刀具磨损加剧使表面粗糙度增大；随着铣削深度 、进给速 度的增 大 。表面粗糙度均有增大趋势 ，这是 由于铣削深度增大往往会引起切 削力的变化 ，容易使工艺系统产生振动，增大表面粗糙度 ；进给量的增大会使切削加工残留面积增大，导致表面粗糙度增大 ；刀具磨损的不 同阶段对表面粗糙度具有不同影响 。

由图可知.当刀具磨损量非常小.接近于新刀状态切削时加工表面粗糙度值较大，说 明在初期磨损 阶段 ，由于刀具表面存在-些毛刺和不规则的微凸体等 ，所以在切削的开始阶段 。由于磨损比较剧烈造成了系统的振动较大 .表面粗糙度也随之增大 ；当刀具进入轻微磨损和正常磨损阶段 ，磨损率减小 ，切削过程比较平稳 ，因此表现为表面粗糙度变小，表面质量提高；随着磨损量的增大。当刀具进入剧烈磨损阶段后，刀具后刀面磨损率急剧上升，刀具迅速钝化，造成切削能力降低，系统又趋向于不稳定 ，振动随之增大 ，加工表面 (下转第 137页)·数控机床世界 ·匀地分配在蜗轮毛坯加工的数个齿中。并且在转换运行螺纹指令时.指令转换所 占用的时间内蜗轮滚刀的轴向位移正好将此偏差抵消。虽然采取上述措施的两长度：-为弧长，另-为弦长但是其相差甚微 ，并不影响其控制精度。

数控改造时.在圆盘工作台输入蜗杆与 z向伺服电动机间的连接间增加 Zv'Zz24/40的齿轮连接的目的正在于此。

5 精度误差分析由国标 GB10095-2001查取 ：7级精度蜗 轮齿距 允差 Agt0.024mm，齿距 累计误差 Agt∑0.110mm，中心距极限偏差 Axao0.048mm。在此数 控 改 造 中 ，旋 转向 的脉 冲 当量 0.008639379797<0.024mm，在数控加工中可以合理地调节运行长度 ，使得加工产 生的齿距偏差累计控制在 ≤0.017278758之内，远小于规定的齿距累计误差Agt∑ l10 mm，蜗轮径 向进给的控制精 度为 X向的脉冲当量 0.00125<0.048mm"。由此可知 ，采取此方式进行的数控改造，可以使得蜗轮的加工精度达到和超出规定 .较之常规加工得到长足的提高。

相应地 。由于程序指令转换造成 的蜗轮沿蜗轮滚刀轴线方向产生的齿距偏差 ∈，虽然可以得到控制和消除 ，但仍然会造成数齿上常规加工所没有 的偏差.但 由于此偏差很微小 (可 以控制在 0.017278758 mm 的数分之- )。

由 7级精度蜗轮副安装啮合时允许有 0.26 mm的侧隙可知 ，此偏差是允许 的。

由公式 nSPx/600.017278750mm可以分析判定 ：Px'rm、蜗轮滚刀齿距 、蜗 轮滚刀模数 m与 专成正 比，模数 m减小，专减小；蜗轮滚刀转数 n与专成正比，转数 n降低 ，则 毫减小 ，反之 考加大。

6 结束语经实际加工，证明了数控改造普通铣床加工蜗轮的可行性，尤其是在缺少专用设备和专用刀具的情况下，更能显示出数控技术 的优越性 。此数控改造方式的长处在于 ：巧妙地利用螺纹指令和锥螺纹指令 的加工功能 。转化为进行蜗轮的数控加工 .拓宽了数控系统的加工功能和实际应用。在数控加工过程中，通过改变圆盘工作台的旋转位移长度 ，来减序消除累积 的齿距误差△bhx，并可将齿距累积误差Abhx均匀地分布在数段齿距上 ，因此可 以使得蜗轮齿距的精度大为提高。齿距误差的减猩以大大提高蜗轮的精度，从而提高蜗轮工作状态的传动精度，同时提高蜗轮传动的平稳性 。 由于齿距误差 的减小 ，从而使得与齿距误差相关 联的诸项加工精度 均得到提高。

另则 ，此加工方式实现了蜗轮加工径向进给的 自动化 ，可以大大减小在加工 中沿蜗轮单独径向进给造成的振动。