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盤銑刀銑削過程中刀具磨損研究

2024-8-19 來源：- 作者：-

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)盤銑刀銑削轉(zhuǎn)子過程中刀具磨損率預(yù)測(cè)，達(dá)到預(yù)測(cè)刀具有效加工時(shí)間的目的，采用線性回歸方法建立了刀具磨損率預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；基于該模型分析了工藝參數(shù)對(duì)刀具磨損率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，刀具磨損率逐漸增大；當(dāng)間歇進(jìn)給量增加時(shí)，刀具磨損率先減小后增大；當(dāng)加工倍率增加時(shí)，刀具磨損率逐漸增加。

關(guān)鍵詞：螺桿轉(zhuǎn)子；銑削；刀具磨損率

０引言

在現(xiàn)代化生產(chǎn)加工過程中，針對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子的銑削加工標(biāo)準(zhǔn)不斷提高［１］。而刀具質(zhì)量是決定被加工工件性能的關(guān)鍵因素之一，故對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子刀具磨損量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)從而進(jìn)行加工工藝參數(shù)選取與控制具有現(xiàn)實(shí)意義。

隋建波等［２］為了預(yù)測(cè)不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的刀具磨損曲線，根據(jù) ＰＣＢＮ刀具切削蠕墨鑄鐵實(shí)驗(yàn)建立出刀具磨損機(jī)理模型，并進(jìn)一步推導(dǎo)出ＰＣＢＮ刀具的磨損率函數(shù)。ＬｉｕＣｈａｎｇ等［３］為了能夠預(yù)測(cè)在ＭＭＣｐ鉆井過程中刀具磨損量，結(jié)合刀具磨損特性、機(jī)理以及結(jié)構(gòu)，采用理論建模法推導(dǎo)出新型刀具磨損率模型并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，有助于提高刀具的使用壽命。

以上研究對(duì)于刀具磨損壽命預(yù)測(cè)均具有理論指導(dǎo)意義，然而上述研究主要針對(duì)平面或簡(jiǎn)易曲面刀具磨損程度進(jìn)行研究，針對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子等復(fù)雜曲面的刀具磨損研究較少，故本文采用多元線性回歸方法建立盤銑刀銑削具有螺旋特征表面的螺桿轉(zhuǎn)子的刀具磨損率預(yù)測(cè)模型，為預(yù)測(cè)刀具有效工作時(shí)間提供理論指導(dǎo)。

１、盤銑刀銑削螺桿轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)

１．１實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

本實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備為ＬＸＫ－３００Ｇ螺桿專用銑床，如圖１所示。該銑床采用無瞬心包絡(luò)方法加工螺旋槽類零件；使用刀具為盤銑刀，如圖２所示，銑刀片為ＶＢＭＴ１６０４１２型菱形刀片；工件材料為４５鋼。

１．２實(shí)驗(yàn)方案

隨機(jī)選擇一個(gè)刀片做好標(biāo)記，分別記錄刀具的磨損變化量，將單位時(shí)間刀具磨損變化量（刀具磨損率）作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)，這里將后刀面磨損寬度作為衡量刀具磨損量值，為降低測(cè)量誤差，在后刀面磨損寬度均勻處隨機(jī)取３個(gè)點(diǎn)測(cè)量并取所有結(jié)果的平均值。為了便于實(shí)驗(yàn)開展，本次實(shí)驗(yàn)不考慮刀具破損、崩刃等特殊情況發(fā)生。

加工工藝參數(shù)分別為刀具主軸轉(zhuǎn)速、間歇進(jìn)給量、加工倍率。每個(gè)加工參數(shù)平均分為５個(gè)水平值，各參數(shù)水平取值見表１。

１．３實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用的正交表Ｌ２５（５３）及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表２所示。

１．４極差分析

采用極差分析法對(duì)刀具磨損模型進(jìn)行分析，可判斷工藝參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主次排序［４］，極差分析結(jié)果如表３所示。

表３中，ｋ１～ｋ５分別為主軸轉(zhuǎn)速ｎｗ、間歇進(jìn)給量ｆｗ、加工倍率Ｆｗ在水平１～５下刀具磨損率的平均值，Ｒ為不同參數(shù)極差值，Ｒ值越大代表該參數(shù)對(duì)刀具磨損率影響越大。故由表３可知，對(duì)刀具磨損率影響最大的參數(shù)依次排序?yàn)榧庸け堵省⒅鬏S轉(zhuǎn) 速、間歇進(jìn)給量。

　　圖３為銑刀主軸轉(zhuǎn)速、間歇進(jìn)給量以及加工倍率對(duì)刀具磨損率的影響規(guī)律。

由圖３（ａ）可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速ｎｗ增加時(shí)，刀具磨損率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。這是由于增加主軸轉(zhuǎn)速，單位時(shí)間內(nèi)銑刀片與工件接觸的次數(shù)增多，刀片受到工件作用力的次數(shù)也隨之增大，造成切削刃附近磨損較為嚴(yán)重。

由圖３（ｂ）可知，當(dāng)間歇進(jìn)給量ｆｗ增加時(shí)，刀具磨損率先減小后增大。分析其原因主要是：適當(dāng)?shù)卦黾娱g歇進(jìn)給量，能夠增加切削材料厚度，從而切屑變形系數(shù)減低，切屑對(duì)工件的作用力有所下降，刀具磨損速度變緩；當(dāng)間歇進(jìn)給量持續(xù)增大時(shí)，切屑厚度明顯增加，刀具對(duì)工件的切削力增大，刀具發(fā)生磨損的速度明顯增加。

由圖３（ｃ）可知，當(dāng)加工倍率Ｆｗ增加時(shí)，刀具磨損變化率是逐漸增大的。這是由于提高加工倍率，刀具進(jìn)給速度增加，刀具和工件的接觸力增大，刀具磨損速度增加較快。

２、刀具磨損率模型建立

２．１建立刀具磨損率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/font>

由上述實(shí)驗(yàn)可知，刀具磨損率和主軸轉(zhuǎn)速、間歇進(jìn)給量、加工倍率均存在相關(guān)性，且與加工時(shí)間具有正相關(guān)性［５］。在刀具未進(jìn)入劇烈磨損階段之前，刀具磨損隨時(shí)間變化近似為線性關(guān)系，將刀具未加工工件之前的磨損量記為０，當(dāng)加工時(shí)間為ＴＭ時(shí)，則刀具磨損率ＶＢＭ表達(dá)式為：

其中：ΔＶＢ為刀具磨損變化量。

式（４）為盤銑刀磨損率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎诘毒叩某跗谀p和劇烈磨損時(shí)間較為短暫，故不予考慮，僅測(cè)量穩(wěn)定磨損時(shí)期的刀具磨損量。

２．２磨損率模型的假設(shè)檢驗(yàn)

２．２．１模型的顯著性檢驗(yàn)

利用Ｆ檢驗(yàn)法，即使用統(tǒng)計(jì)量Ｆ［７］進(jìn)行檢驗(yàn)，Ｆ表達(dá)式為：

3.07，可得該刀具磨損模型高度顯著。

２．２．２預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，設(shè)置５組切削實(shí)驗(yàn)，如表４所示，在保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備不變的情況下比較預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值，得到預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的誤差，如表５所示。

由表５可知，預(yù)測(cè)誤差比范圍在５.６１％～１５．４７％之間，故所建模型有較高的預(yù)測(cè)精度，可對(duì)盤銑刀片進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

３、結(jié)論

（１）設(shè)置盤銑刀片銑削螺桿轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)，采用線性回歸方法建立了盤銑刀具磨損率預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為有效預(yù)測(cè)銑刀片的加工時(shí)間提供了理論指導(dǎo)。

（２）利用極差分析法得到了工藝參數(shù)對(duì)刀具磨損率的影響規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和加工倍率增加時(shí)，刀具磨損率總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)間歇進(jìn)給量增加時(shí)，刀片磨損率先減小后增加。

作者：辛明澤１，２，孫興偉１，２，董祉序１，２，劉寅１，２，袁立志３，楊赫然１，２

來源：（１．沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧省復(fù)雜曲面數(shù)控制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室３．川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司）

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