Influence of cutting parameters on cutting temperature of machining high strength steel by high-feed milling
-
摘要: 高进给铣削是一种采用小切深、大进给的铣削加工方式，在深腔的加工中具有较高的加工效率和加工质量。为了研究切削参数对切削温度的影响，建立了高进给铣削34CrNi3Mo高强度钢仿真模型，采用正交试验法法设计了仿真研究方案，运用极差分析、方差分析等方法研究了仿真得到的切削温度，依据多元回归分析法得到切削温度的经验公式。结果表明：通过增加切削深度来提高高进给铣削高强度钢的切削效率，有利于避免切削温度的大幅度增加。Abstract: High-feed milling is a milling method that adopts small depth of cut and large feed, and has high processing efficiency and processing quality in deep cavity processing. A simulation model of high-feed milling 34CrNi3Mo high strength steel was established to study the effect of cutting parameters on cutting temperature. The simulation research plan is designed by orthogonal test method, the cutting temperature obtained by simulation is studied by means of range analysis and variance analysis, and the empirical formula of cutting temperature is obtained according to multiple regression analysis method. The results show that the cutting efficiency of machining high-strength steel is improved by high-feed milling with increasing the cutting depth, which is conducive to avoiding a large increase in cutting temperature.
-
高进给铣削是一种采用较小的轴向切深和较大的每齿进给量的铣削加工方法。由于主偏角较小，切削力主要沿轴线方向传向主轴，刀具系统径向刚性得到改善，切削深腔时稳定性较好，可得到较高的加工效率和较好的加工质量 [1]。尤其对提高高强度钢等难加工材料的深腔开腔加工效率具有明显的优势。目前许多学者对高进给铣削技术进行了深入研究，提出多种能够提高加工效率的方案，丰富了对高进给铣削技术的应用。
潘国华[2]针对传统铣削加工和高进给铣削加工中的刀具结构、加工原理以及影响因素等进行分析，总结出高进给加工过程中的优化方案。郝见喜[3]等从排屑协调角度提出对ASR高进给铣刀的优化方案，建立有限元分析模型并进行Deform-3D仿真，提出了基于自由切削理论的设计方案来用于刀具的结构优化。边洪录[4]等针对TC4钛合金材料进行多次大进给铣削加工试验，并通过正交试验法对切削参数进行分析，发现切削速度对刀具耐用度的影响最大。王贺安[5]基于高进给铣削的特点，从切削力变化原理的角度分析了主偏角是如何影响高进给切削加工的，总结出有助于提高加工效率的方案。凌平[6]等通过采用不同倍径悬伸比的正交切削试验，获得在不同倍径悬伸比下的最佳切削参数，总结出一套优化的高进给铣削方案。王曦[7]等通过对AF1410高强度钢的高速铣削试验，分析了高速切削试验下切削温度的变化规律，总结了切屑温度与加工表面温度之间不同的变化原理。陈隆波[8]等从刀具结构及切削参数等角度出发，综合分析了高进给在加工平面、台面、铣槽和铣型腔等多方面的加工优势，总结出有利于提高加工效率的刀具设计方案。韩现龙[9]通过金属切削仿真实验的数据分析得到切削温度随着切削深度增大而升高，随着进给速度的增加呈现先升高后下降的变化趋势。杨吟飞[10] 等通过高进给铣削试验具体分析了切削参数对切削力、切削温度的影响规律。
本文为研究切削过程中切削参数对切削温度的影响规律，建立高进给铣削34CrNi3Mo高强度钢仿真模型，研究了基于切削参数的切削温度经验公式，为高进给铣削高强度钢的切削参数的选择提供参考依据。
1. 仿真建模
1.1 本构模型
综合考虑到仿真试验中存在的高应变率、大应变力、高温环境下金属材料的强度极限以及失效过程等多方面问题，应选择一种充分研究应变率、应变力以及温度之间的关系的结构模型，因此将Johnson-Cook模型作为工件材料34CrNi3Mo的本构模型。
其表达式为
$$ \left\{\begin{array}{c}\sigma =\left[A+B{\varepsilon }_{p}^{n}\right]\left[1+C\mathrm{ln}\dfrac{\dot{\varepsilon }}{\dot{{\varepsilon }_{0}}}\right]\left[1-{{T}^{*}}^{m}\right]\\ {T}^{*}=\dfrac{T-{T}_{r}}{{T}_{m}-{T}_{r}}\end{array}\right. $$ 式中：A 为 初始屈服应力，MPa；B为材料应变强化参数，MPa；
$ {\varepsilon }_{p} $ 为等效塑性应变；C为材料应变率强化参数；$ \dot{{\varepsilon }_{0}}\mathrm{为} $ 材料参考应变率；$ \dot{\varepsilon } $ 为等效塑性应变率；m为材料热软化指数；$ {T}^{*}\mathrm{为} $ 同系温度， ℃；$ {T}_{m} $ 为融化温度， ℃；$ {T}_{r} $ 为室温， ℃。34CrNi3Mo高强度钢的Johnson-Cook模型参数见表1。
表 1 34CrNi3Mo高强度钢JC模型参数A/MPa B/MPa C m n $ {T}_{r}/\mathrm{ ^\circ {\rm{C}}} $ $ {T}_{m}/\mathrm{^\circ {\rm{C}}} $ 1 500 1 600 0.01 1.25 0.25 20 1 519.85 1.2 切削模型
为减少仿真过程中计算量，工件采用模型尺寸为60 mm×60 mm×30 mm，工件材料为34CrNi3Mo高强度钢，本实验中分别将硬度设为304HBW、密度设为7.86 g/cm3、热辐射率设为0.75、泊松比设为0.3将比热容、热膨胀系数、导热系数及杨氏模量设为随温度变化的变量，将具体参数如表2所示。切削仿真模型如图1所示，在模型中采用绝对划分方式进行网格划分，工件网格数为90 000，高进给铣削刀具的网格数为20 000。
表 2 热膨胀系数、导热系数、杨氏模量和比热容随温度变化温度
T/ ℃杨氏模量
E/ MPa热膨胀系数/
$ ({10^{-6}/\mathrm{K}} )$导热系数
K/$ (\mathrm{W}/( {\mathrm{m}}\cdot {\mathrm{K}}) )$比热容CP/
J/(kg·K)20 210 740 12.61 31.75 450 100 207 330 12.86 33.45 408 200 201 500 13.22 34.87 520 300 193 780 13.58 35.25 560 400 184 150 13.94 34.71 620 500 172 810 14.31 33.5 680 600 160 030 14.67 32.02 860 700 142 740 13.09 26.62 580 800 129 950 12.59 25.54 590 900 120 270 13.83 26.78 610 1 000 110 440 14.86 28.03 630 1 400 697 80 17.65 32.99 700 仿真铣削的铣刀原型选择CoroMill210高进给铣刀，如图2所示，刀具主要几何尺寸如表3所示。
2. 仿真研究方案结果分析
2.1 设计正交试验方案
以切削速度vc、切削深度ap和进给量fz作为3个主要因素，建立3因素3水平的正交试验方案。鉴于普通铣削的进给量参数范围在0.2~0.05 mm/z，结合高进给铣削刀具的结构特征和推荐值，可以采用较大的每齿进给量，具体参数取值如表4所示。
表 3 刀具几何尺寸前角/(°) 后角/(°) 主偏角/(°) 齿数 刃长长度/mm 刀尖圆弧半径/mm 刃口半径/mm 刀片厚度/mm 15 10 10 6 5.77 1.4 0.4 4.5 表 4 高进给铣削仿真加工正交试验表水平 因素 切削速度vc/(m/min) 切削深度ap/mm 每齿进给量fz/(mm/z) 1 80 0.8 1.0 2 90 1.0 1.5 3 100 1.2 2.0 2.2 正交试验仿真结果
如图3所示为进给量fz=1.0 mm/z，切削速度vc=80 m/min，切削宽度ae=36 mm，切削深度ap =0.8 mm时高进给铣削过程中的温度云图，切削区域产生的温度变化曲线如图4所示。
选取切削过程中切削温度的平均值作为正交仿真试验数据。并根据表4所设计的正交试验方案进行高进给铣削高强度钢的仿真试验，得出试验结果，如表5所示。
表 5 正交试验仿真数据序号 vc/(m/min) ap/mm fz/(mm/z) T/℃ 1 80 0.8 1.0 862.54 2 80 1.0 1.5 1 262.80 3 80 1.2 2.0 1 389.66 4 90 0.8 1.5 1 603.00 5 90 1.0 2.0 1 862.24 6 90 1.2 1.0 1 445.23 7 100 0.8 2.0 1 698.93 8 100 1.0 1.0 1 394.29 9 100 1.2 1.5 1 986.70 2.3 极差分析
通过对表5中数据进行极差分析可知，切削参数对切削温度的影响程度依次为：vc > fz > ap。极差分析结果如表6所示。
表 6 切削温度仿真结果极差表切削温度/ ℃ kim 切削参数 切削速度
vc/(m/min)切削深
ap/mm进给量
fz/(mm/z)T ki1 1 171.67 1 388.16 1 234.02 ki2 1 636.82 1 506.44 1 617.50 ki3 1 693.31 1 607.20 1 650.27 极差R 521.64 219.04 416.25 因素主次 vc > fz > ap 优选项 A1B1C1 因此，在研究的切削参数范围内，切削温度最小的切削参数优化方案为A1B1C1，即采用切削速度vc 为80 m/min，切削深度ap为0.8 mm，进给量fz为1.0 mm作为最优方案。
由图5可知，切削速度vc增大时，切削区应变速率增大，切削区塑形变形产生热量更快，同时切屑与前刀面的摩擦加快，切屑底层热量聚集变快，因此切削温度随之升高。为避免在切削过程中切削温度过高，可选择较小的切削速度进行切削。
由图6可知，尽管切削深度ap增大会使产生的切削热更多，但同时刀具参与的切削刃变长，切屑宽度增大，刀具和切屑的散热条件都得到了改善，因此，虽然切削温度会随着切削深度的增大而增大。但增大的幅度远低于切削速度的影响。
由图7可知，由于进给量增大，切屑厚度也增大，切屑散热面积增大，因此虽然切削温度随着进给量的增大而增大，但幅度并不大，尤其是进给量超过1.5 mm/z后，散热条件得到明显改善，切削温度的上升速率有所减缓。
2.4 方差分析
对表4中切削温度的仿真结果进行方差分析，结果如表7所示。临界值F分别取F0.05（2,2）=19.0，F0.01（2,2）=99.0，显著性分析结果如表7所示。
从方差分析表中可以看出，切削参数对切削温度影响程度由高到低为： vc > fz> ap，切削温度的方差分析结果与极差分析结果相同，因此极差分析准确。同时，分析表7中F值的数值可知，虽然评价切削深度和进给量对切削温度的影响的结果均为不显著，但切削深度的显著性评价指标远小于进给量。由此可知，通过提高切削深度来获得更高的切削效率，更有利于避免切削温度的大幅增加及由此产生的切削条件恶化。
表 7 切削温度仿真结果方差分析因素 离差平方和 均方 F值 显著性 vc 491679.20 2 245839.60 44.60 显著 ap 72129.82 2 36064.91 3.27 不显著 fz 321410.54 2 160705.27 14.58 不显著 误差e 22050.28 2 11025.14 — — 2.5 建立高进给铣削切削温度经验公式
结合多元分析理论的方法对实验结果进行分析，得到切削温度与切削参数之间的经验公式：
$$ T=1462.851{a}_{p}^{0.438}{f}_{z}^{0.462}{v}_{c}^{1.714} $$ (1) 分析各参数的指数特征，可知切削深度ap对切削温度的影响更小。对经验公式进行多元回归分析，分析结果如表8所示。根据复相关系数显著性检验的原则，0.8<R<1表明拟合程度良好，若R值越趋近于1，则表明拟合程度越高，由R值为0.988表明拟合程度较高。对经验公式进行显著性分析，取临界值F0.01（3,5）=12.1，F值为66.90, F>F0.01（3,5），表明经验公式线性关系显著。
表 8 回归方程分析表切削温度 R R2 修正R2 F F临界值 T 0.988 0.976 0.956 66.90 F0.01(3,5)=12.1 3. 结语
通过正交仿真试验的方法研究了高进给铣削34CrNi3Mo高强度钢切削参数对切削温度的影响，得到结论如下：
（1）在进给量fz为1~2 mm的高进给铣削中，通过增加切削深度来提高切削效率更有利于降低切削温度的增幅，进而降低刀具的磨损速率和生产成本。
（2）切削过程中，切削温度的变化与切削速度、切削深度和进给量的变化均呈正相关，但切削速度对切削温度的影响程度最为明显。
（3）在研究的参数范围内，以最低切削温度为目标，切削参数最优方案为vc=80 m/min，ap=0.8 mm，fz=1.0 mm/z。
-
表 1 34CrNi3Mo高强度钢JC模型参数
A/MPa B/MPa C m n $ {T}_{r}/\mathrm{ ^\circ {\rm{C}}} $ $ {T}_{m}/\mathrm{^\circ {\rm{C}}} $ 1 500 1 600 0.01 1.25 0.25 20 1 519.85 
下载: 导出CSV
表 2 热膨胀系数、导热系数、杨氏模量和比热容随温度变化
温度
T/ ℃杨氏模量
E/ MPa热膨胀系数/
$ ({10^{-6}/\mathrm{K}} )$导热系数
K/$ (\mathrm{W}/( {\mathrm{m}}\cdot {\mathrm{K}}) )$比热容CP/
J/(kg·K)20 210 740 12.61 31.75 450 100 207 330 12.86 33.45 408 200 201 500 13.22 34.87 520 300 193 780 13.58 35.25 560 400 184 150 13.94 34.71 620 500 172 810 14.31 33.5 680 600 160 030 14.67 32.02 860 700 142 740 13.09 26.62 580 800 129 950 12.59 25.54 590 900 120 270 13.83 26.78 610 1 000 110 440 14.86 28.03 630 1 400 697 80 17.65 32.99 700
下载: 导出CSV
表 5 正交试验仿真数据
序号 vc/(m/min) ap/mm fz/(mm/z) T/℃ 1 80 0.8 1.0 862.54 2 80 1.0 1.5 1 262.80 3 80 1.2 2.0 1 389.66 4 90 0.8 1.5 1 603.00 5 90 1.0 2.0 1 862.24 6 90 1.2 1.0 1 445.23 7 100 0.8 2.0 1 698.93 8 100 1.0 1.0 1 394.29 9 100 1.2 1.5 1 986.70
下载: 导出CSV
表 6 切削温度仿真结果极差表
切削温度/ ℃ kim 切削参数 切削速度
vc/(m/min)切削深
ap/mm进给量
fz/(mm/z)T ki1 1 171.67 1 388.16 1 234.02 ki2 1 636.82 1 506.44 1 617.50 ki3 1 693.31 1 607.20 1 650.27 极差R 521.64 219.04 416.25 因素主次 vc > fz > ap 优选项 A1B1C1
下载: 导出CSV
表 7 切削温度仿真结果方差分析
因素 离差平方和 均方 F值 显著性 vc 491679.20 2 245839.60 44.60 显著 ap 72129.82 2 36064.91 3.27 不显著 fz 321410.54 2 160705.27 14.58 不显著 误差e 22050.28 2 11025.14 — —
下载: 导出CSV
-
[1] 单世远, 闫晋予, 门驰. 快进给铣刀切削性能分析[J]. 工具技术, 2018, 52(9): 97-99. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7008.2018.09.034 [2] 潘国华. 钢件高进给铣削[J]. 金属加工:冷加工, 2010(22): 38. [3] 郝见喜, 董长双. 基于自由切削理论的高进给铣刀片结构优化[J]. 煤矿机械, 2013, 34(3): 127-128. DOI: 10.13436/j.mkjx.2013.03.133 [4] 边洪录, 王子铭, 李勋. TC4钛合金大进给铣削参数优化试验[J]. 机械制造, 2020, 58(7): 78-81. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4998.2020.07.024 [5] 王贺安. 高进给铣削加工工艺研究[J]. 企业技术开发, 2015, 34(23): 17-18,20. [6] 凌平, 刘陨双, 李国华. TC21钛合金封闭深槽腔大悬伸快进给铣削加工技术[J]. 工具技术, 2020, 54(1): 76-81. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7008.2020.01.017 [7] 王曦, 黄树涛, 许立福, 等. 高速铣削AF1410高强度钢的实验研究[J]. 制造技术与床, 2022(1): 124-129. [8] 陈隆波, 杨琪琳, 郭纪林, 等. 利用大进给量铣削提升模具制造生产率的研究[J]. 模具制造, 2021, 21(3): 76-80. [9] 韩现龙. 基于Deform的切削参数对微铣削加工切削温度的影响分析[J]. 机械制造与自动化, 2021, 50(2): 67-69. DOI: 10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2021.02.018 [10] 杨吟飞, 赵威, 李亮, 等. Ti6Al4V钛合金大进给铣削切削力与切削温度的试验研究[J]. 航空精密制造技术, 2014, 50(4): 34-37. DOI: 10.3969/j.issn.1003-5451.2014.04.010 -
期刊类型引用(2)
1. 赵硕，沈小强. 45号钢铣削仿真研究. 机械制造. 2025(01): 48-51+77 . 
百度学术
2. 胡春林. 刀具几何参数对纵扭超声振动铣削性能的影响. 机械管理开发. 2024(10): 83-84+87 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 99
- HTML全文浏览量: 21
- PDF下载量: 54
- 被引次数: 3
