高速铣削304不锈钢铣削力及表面粗糙度研究*

唐海龙，唐德文，2，刘小双，唐旭凤

(1.南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南省核燃料循环技术与装备协同创新中心，湖南 衡阳 421001)

0 引言

304不锈钢具有硬度高、强度高以及良好的耐腐蚀性特点，广泛应用于医疗器具、汽车配件以及核电设备等。切削加工过程中切削力起着至关重要的作用[1]。切削力变化直接影响刀具的使用寿命和工件加工表面质量[2]，因此，在分析工件表面质量时，切削力和表面粗糙度是重要的参考数据[3]。

韩文强等[4]采用涂层刀具切削20CrMo钢,切削力下降20%～40%，当切削速度达到100 m/min时，切削力下降较为明显。张显银等[5]选用了TiAlN涂层刀具切削40CrNi钢，切削参数对轴向力和径向力的影响小于对切向力的影响。Suresh等[6]进行了复合涂层刀具对AISI340钢的切削实验，得出切削力随着切削速度的上升而下降，切削力随着进给量和切削深度的上升而上升。郑光明等[7]发现高速切削300M钢时其表面粗糙度随着切削速度、切削深度、进给量的增大而增大。目前，对涂层刀具高速铣削高强度钢的铣削力研究甚少，本文采用TiAlN硬质合金涂层刀具对304不锈钢进行高速铣削加工，研究铣削参数对切削力和加工表面粗糙度的影响规律，为工厂高速铣削304不锈钢的铣削力和表面粗糙度控制以及选取最优铣削参数提供依据。

1 切削实验

本文采用试验机床为JC-30Ca立式加工中心，试验材料为304不锈钢，使用刀具为四刃直柄平底立铣刀(D8×20×60×4F)，基体材料为硬质合金涂层材料TiAlN。采用顺铣，干切削无切削液，空冷的方式，选用四因素五水平合理进行正交实验设计，运用极差法对铣削力和表面粗糙度的数据进行处理。实验原理图如图1所示。

图1 实验原理图

2 实验结果分析

通过实验表明，铣削参数对铣削力和表面粗糙度具有一定的影响，其影响分别如图2～图9所示。

图2 轴向切削深度ap对铣削力F的影响

如图2所示,Fy为主铣削力，Fx和Fy随着ap增大而增大，Fz始终保持在10 N～20 N之间。ap增大,切削材料厚度增大，切削材料体积增大，切削阻力也增大，导致铣削力增大。如图3所示，当切削深度较小时，切削材料体积较小未将大部分切削产生的热量带走，使工件表面发生塑性变形，从而导致工件表面粗糙度增大；当切削深度为0.5 mm～0.6 mm时，随着轴向切削深度增大，铣削力增加，刀尖磨损，导致表面质量下降。轴向切削深度增大，切屑将铣削产生的热量带走,较好地保护了工件表面质量，使得工件表面粗糙度降低。

图3 轴向切削深度ap对表面粗糙度Ra的影响

如图4所示,Fy为主切削力，随着vc增大铣削力下降，剪切角增大，剪切力下降，工件切削温度上升导致工件软化，摩擦因数降低，变形系数变小，故铣削力下降。如图5所示，随切削速度vc增大，粗糙度Ra减小,切削速度较低时，切削热度较低，热软化现象不明显，铣削力较大对表面产生挤压，影响表面质量;当速度vc为450 m/min～500 m/min时，表面粗糙度值增大，工件表面质量下降，由于切削速度上升使得刀具磨损，导致积屑瘤和鳞刺产生，使得表面质量下降。

图4 铣削速度vc对铣削力F的影响

图5 铣削速度vc对表面粗糙度Ra的影响

如图6所示,Fy为主切削力,进给量fz增大,刀具单位时间内铣削材料面积增大，变形抵抗力增大，从而使得Fz和Fy增大,Fx不随进给量的增大而增大，始终保持在35 N～45 N的区间内波动。如图7所示，随着每齿进给量的增大，表面粗糙度Ra呈总体上升趋势,当进给量fz在0.1 min·r-1～0.15 min·r-1和0.2 min·r-1～0.25 min·r-1时，表面粗糙度Ra减小，可能由于切削力增大，自激振动受到抑制，从而表面粗糙度Ra减小。

图6 进给量fz对铣削力F的影响

图7 进给量fz对表面粗糙度Ra的影响

如图8所示,Fy为主切削力,径向切削深度ae增大，Fx和Fy持续增大，Fz随着ae增大平缓上升;ae在1 mm～2 mm时，切削力Fz下降，机床受自激振动的影响;ae在3 mm～4 mmz出现了“负增长”，切削厚度增大，切削屑带走大量的热量，使得工件温度上升较慢。如图9所示，径向切削深度增大对表面粗糙度的影响呈“波浪式”形状,径向切削深度增加，切削量增大，导致自激振动,加上积屑瘤和鳞刺的影响，使得工件表面粗糙度呈“波浪式”的变化。

图8 径向切削深度ae对铣削力F的影响

图9 径向切削深度ae对表面粗糙度Ra的影响

3 建立经验模型

本文采用最小二乘法对实验结果做回归分析，并利用MATLAB软件对实验数据进行拟合来建立预测经验模型，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

根据Fy的经验模型式(2)可知进给量fz和轴向切削深度ap对Fy的影响力较大。由表面粗糙度Ra的经验模型式(4)可以得知，进给量fz和径向切削深度ae对Ra影响较大。表1为经验公式检验表。

表1 经验公式检验表

根据表1中计算出相对误差值低于10%，说明推算出的经验公式的符合程度较高。综合实验和经验公式得出的数据进行分析得出：用TiAlN涂层刀具高速铣削304不锈钢最佳铣削参数为ap=0.7 mm～0.8 mm、fz=0.10 mm/r～0.15 mm/r、vc=450 m/min～500 m/min、ae=2 mm～3 mm。

4 结论

(1)主切削力Fy随径向切削深度和轴向切削深度以及进给量的增大而增大，随铣削速度增大而减小。

(2)随着轴向铣削深度和铣削速度的增大，工件表面粗糙度减小，随着进给量增大工件表面粗糙度增大，径向切削深度增大工件表面粗糙度先增大再减小。

(3)为了提高工厂生产效率和工件表面质量，采用TiAlN涂层刀具高速铣削奥氏体304不锈钢的合适铣削参数为ap=0.7 mm～0.8 mm、fz=0.10 mm/r～0.15 mm/r、vc=450 m/min～500 m/min、ae=2 mm～3 mm。