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官方微信摘要 摘要：本論文利用CBN工具對AISI52100軸承鋼進行精車加工，采用田口L9正交陣列和變量分析法（ANOVA）來研究切削參數(shù)（切削速度、進給和切割深度）對性能特征（切削力，表面粗...
摘要：
本論文利用CBN工具對AISI 52100軸承鋼進行精車加工，采用田口L9正交陣列和變量分析法（ANOVA）來研究切削參數(shù)（切削速度、進給和切割深度）對性能特征（切削力，表面粗糙度）的影響。結(jié)果表明進給速率和切削速度對表面粗糙度影響最為顯著；而影響切削力的主要因素是切割深度，其次是進給。利用多次線性回歸分析法對實驗數(shù)據(jù)進行深入分析并預(yù)測切削力和表面粗糙度的最佳范圍；并將切削參數(shù)和性能特征相關(guān)聯(lián)。最后，在最佳切削條件（v=200m/min，f=0.08mm/rev，d=0.2mm）下分別用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對工具磨損面和工件加工面進行觀察。
1.引言
對大于46HRC的鋼件進行硬車削加工在齒輪、凸輪、軸承、模具等制造工藝中應(yīng)用十分廣泛。為應(yīng)對工件較高的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷，以及切削材料優(yōu)越的性能，CBN、PCBN和聚晶金剛石工具應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)磨削工藝相比，硬車削工藝能夠極大降低制造成本、縮短加工時間、工件表面整體質(zhì)量更優(yōu)良、減少不利于環(huán)境保護的冷卻液的使用等。
加工表面特征對零部件的疲勞強度、抗腐蝕性、摩擦性能等使用性能有著重要影響。加工后的表面光潔度和整體性決定著工件的表面質(zhì)量。表面粗糙度越大，表面光潔度就越差，零部件壽命就越短。因此，對加工表面進行控制是十分重要的，也是可行的；通過對切削力的調(diào)整即可實現(xiàn)。對切削力進行研究分析在硬車削工藝是也是十分重要的，切削力和切削性能密切相關(guān)，如表面精準(zhǔn)度、工具磨損、切削溫度和強制振動等。在車削工藝中有眾多因素影響著切削性能，如工件變量、工具變量和切削參數(shù)等。工具變量包括工具材料、切削刃幾何形狀（后角、切削刃傾角、刀尖半徑、前角）和工具振動等。工件變量包括材料、機械性能、物理化學(xué)性能等。切削參數(shù)包括切削速度、進給速率和切割深度。
本論文利用CBN工具對AISI 52100軸承鋼進行精車加工，研究切削參數(shù)（切削速度、進給和切割深度）對性能特征（切削力，表面粗糙度）的影響。利用多次線性回歸分析法對實驗數(shù)據(jù)進行深入分析并預(yù)測切削力和表面粗糙度的最佳范圍；并將切削參數(shù)和性能特征相關(guān)聯(lián)。
2.實驗本論文利用CBN工具對AISI 52100軸承鋼進行精車加工，采用田口L9正交陣列和變量分析法（ANOVA）來研究切削參數(shù)（切削速度、進給和切割深度）對性能特征（切削力，表面粗糙度）的影響。結(jié)果表明進給速率和切削速度對表面粗糙度影響最為顯著；而影響切削力的主要因素是切割深度，其次是進給。利用多次線性回歸分析法對實驗數(shù)據(jù)進行深入分析并預(yù)測切削力和表面粗糙度的最佳范圍；并將切削參數(shù)和性能特征相關(guān)聯(lián)。最后，在最佳切削條件（v=200m/min，f=0.08mm/rev，d=0.2mm）下分別用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對工具磨損面和工件加工面進行觀察。
1.引言
對大于46HRC的鋼件進行硬車削加工在齒輪、凸輪、軸承、模具等制造工藝中應(yīng)用十分廣泛。為應(yīng)對工件較高的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷，以及切削材料優(yōu)越的性能，CBN、PCBN和聚晶金剛石工具應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)磨削工藝相比，硬車削工藝能夠極大降低制造成本、縮短加工時間、工件表面整體質(zhì)量更優(yōu)良、減少不利于環(huán)境保護的冷卻液的使用等。
加工表面特征對零部件的疲勞強度、抗腐蝕性、摩擦性能等使用性能有著重要影響。加工后的表面光潔度和整體性決定著工件的表面質(zhì)量。表面粗糙度越大，表面光潔度就越差，零部件壽命就越短。因此，對加工表面進行控制是十分重要的，也是可行的；通過對切削力的調(diào)整即可實現(xiàn)。對切削力進行研究分析在硬車削工藝是也是十分重要的，切削力和切削性能密切相關(guān)，如表面精準(zhǔn)度、工具磨損、切削溫度和強制振動等。在車削工藝中有眾多因素影響著切削性能，如工件變量、工具變量和切削參數(shù)等。工具變量包括工具材料、切削刃幾何形狀（后角、切削刃傾角、刀尖半徑、前角）和工具振動等。工件變量包括材料、機械性能、物理化學(xué)性能等。切削參數(shù)包括切削速度、進給速率和切割深度。
本論文利用CBN工具對AISI 52100軸承鋼進行精車加工，研究切削參數(shù)（切削速度、進給和切割深度）對性能特征（切削力，表面粗糙度）的影響。利用多次線性回歸分析法對實驗數(shù)據(jù)進行深入分析并預(yù)測切削力和表面粗糙度的最佳范圍；并將切削參數(shù)和性能特征相關(guān)聯(lián)。
本實驗中，切削速度（v）、進給（f）和切割深度（d）為切削參數(shù)。表一為確認(rèn)參數(shù)及其準(zhǔn)級；表二為田口正交陣列。
3.結(jié)果和討論
3.1 切削力和表面粗糙度分析
利用變量分析法（ANOVA）對表二獲得的實驗結(jié)果進行分析。確認(rèn)對性能特征（表面粗糙度、切削力）影響顯著的因素，如表3所示。顯著性水準(zhǔn)α=0.1，可信度為90 %的分析進行操作。表格最后一欄為影響占比。
3.2 最佳設(shè)計預(yù)測
如表4所示，當(dāng)切削力Fc的兩個最顯著的因素分別為：
時，F(xiàn)c的90%置信區(qū)間可以通過以下公式計算得出：
其中，
最后，F(xiàn)c的90 %置信區(qū)間為：
如表4所示，當(dāng)表面粗糙度Ra的最顯著因素在f1準(zhǔn)級時，表面粗糙度（Ra）的預(yù)測平均值計算如下：
Ra 的90 %置信區(qū)間計算公式為：
最后，Ra 的90 %置信區(qū)間為：
3.3 關(guān)聯(lián)
用多元線性回歸法對因子和性能特征進行關(guān)聯(lián)；獲得模型如下：
利用決定系數(shù)（R2值）對模型進行診斷檢測。當(dāng)R2接近統(tǒng)一時，響應(yīng)模型和實際數(shù)據(jù)一致。
3.4驗證試驗
從圖二、三可以看出，準(zhǔn)級v3、f1和d1的結(jié)合出現(xiàn)了表面粗糙度最小值和切削力最小值。因此，為確認(rèn)表面粗糙度和切削力，本研究將v3f1d1當(dāng)作驗證試驗；實驗結(jié)果和預(yù)測值接近，如表5所示。
圖四為CBN工具側(cè)面磨損圖。側(cè)面上的磨損類型說明工具切削刃和側(cè)面跟工件材料間的摩擦引起了磨損。側(cè)表面出現(xiàn)許多溝槽；這些溝槽是由AISI 52100鋼中的超硬碳顆粒引起的。圖5為加工過程中表面質(zhì)量的SEM圖，切削速度為200m/min，進給速率0.08mm/rev，切割深度為0.2mm。圖六為最佳切削參數(shù)下加工AISI 52100淬火鋼的切削力。
4.結(jié)論
切削力隨進給速率和切割深度增大而增大；隨切削速度增大而降低。切削深度對切削力影響最大，其次分別是進給速率（21.22 %）和切削速度（11.96 %）。表面粗糙度受進給速率影響最大，占據(jù)68.12 %。表面粗糙度隨進給速率增大而增大。切削速度為負(fù)效應(yīng)（25.11 %），切割深度影響可以忽略不計（2.50 %）。
最佳切削力預(yù)測值和最佳表面粗糙度預(yù)測值的90 %置信區(qū)間分別為61.38 ≤µFC≤109.98 N，0.415≤µRa≤0.711 µm。
切削參數(shù)和性能間的關(guān)系可以用多元回歸方程來表示，用來預(yù)測任意一個參數(shù)準(zhǔn)級的性能預(yù)期值。（編譯：中國超硬材料網(wǎng)）
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