第40卷第6期2009年12月中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)n0140 009注塑成型模具硬態(tài)銑削表面粗糙度研究王凌云，黃紅輝(上海工程技術(shù)大學(xué)制造工程系，上海，200437)摘要：采用過(guò)多因素法正交試驗(yàn)，利用多元線性回歸分析法建立模具硬態(tài)銑削的表面粗糙度預(yù)報(bào)模型，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工實(shí)踐檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性。分析切削參數(shù)對(duì)模具零件的表面粗糙度的影響。研究結(jié)果表明：在高轉(zhuǎn)速、小切深及合適的進(jìn)給速度下，模具加工表面質(zhì)量好，為優(yōu)化模具硬態(tài)銑削的切削參數(shù)和加工表面質(zhì)量的控制提供了較好的依據(jù)。關(guān)鍵詞：模具硬態(tài)銑削；表面粗糙度；參數(shù)優(yōu)化中圖分類號(hào)：1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16727207(2009)061604of in 00437，of as a of a of of as he be by of ey 性能的刀具夾持系統(tǒng)、安全可靠的高速切削l J，使得以銑代磨、以銑代濟(jì)的模具加工成為可能。在高淬硬鋼件(5)模具的!用硬切削技術(shù)，直接將淬硬鋼一次裝卡加工成形，有效地避免了模具零件因多次裝卡而造成的裝夾誤差，提高了零件的幾何位置精度。采用高速銑削可獲得無(wú)銑痕的加工表面，使零件表面質(zhì)量大大提高。表面粗糙度是評(píng)價(jià)零件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和可靠性有重要影響。影響表面粗糙度的因素很多，國(guó)內(nèi)外研究人員所作的主要研究工作是：建立表面粗糙度的預(yù)報(bào)模型，探討形成機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙度的控制。如：。出了一種表面粗糙度模擬方法，考慮到高速銑削中主軸振動(dòng)對(duì)表面質(zhì)量的影響，用加速度信號(hào)代替切削力信號(hào)研究高速銑削表面粗糙度；009回日期：2009海亍教委科研創(chuàng)新項(xiàng)j(06上海工程技術(shù)大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)008信作者：王凌云(1963一)，女，湖南湘陰人，教授，從事數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、先進(jìn)制造技術(shù)、話凌云，等：注塑成型模具硬態(tài)銑削表面粗糙度研究 1605提出了一種新的曲面銑削的幾何預(yù)測(cè)方法；戰(zhàn)強(qiáng)等6究高速銑削鋁合金、普通灰鑄鐵及45淬硬鋼時(shí)銑削速度與進(jìn)給量對(duì)加工表面粗糙度的影響；蘇寧等7】采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(立鋁合金銑削加工表面粗糙度預(yù)測(cè)模型；賈春德等工件變量和刀具變量方面進(jìn)行研究，通過(guò)矢量分析，建立正交車銑運(yùn)動(dòng)的矢量模型，得出表面粗糙度的計(jì)算公式。通過(guò)切削試驗(yàn)來(lái)探討切削參數(shù)對(duì)高速加工表面質(zhì)量的影響是目前加工表面粗糙度研究的主要手段。目前國(guó)內(nèi)對(duì)淬硬鋼模具高速銑削的研究較少【13】。在此，本文作者采用多因素法正交試驗(yàn)和回歸分析方法，建立模具零件加工表面粗糙度預(yù)報(bào)模型，研究模具硬態(tài)銑削加工工藝參數(shù)，并將其運(yùn)用于模具實(shí)際生產(chǎn)中。1試驗(yàn)11試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為441，其化學(xué)成分如表1所示。12試驗(yàn)方法采用多因素正交試驗(yàn)，通過(guò)擬合、回歸分析，得到注塑成型模具零件加工表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型。模具加工主要有3種工藝：軟加工、硬加工和電加工，根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)、硬度來(lái)決定所采用的工藝。本次試驗(yàn)用的模具采用在淬火后一次性銑成。13試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)中采用的刀具參數(shù)不變，且加工系統(tǒng)處于穩(wěn)定切削狀態(tài)。刀具采用直徑為6 旋角為30。；表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)為1便攜式粗糙度儀(取樣長(zhǎng)度為O8 定長(zhǎng)度為4 機(jī)床為用牧野的高速主軸，轉(zhuǎn)速為20 000 r移速度為20 m用軸心冷卻，軸承內(nèi)潤(rùn)滑方式，由高速回轉(zhuǎn)發(fā)生的熱位移抑制為最小限度，加工精度穩(wěn)定。另外，主軸和馬達(dá)的轉(zhuǎn)子為一體化的結(jié)構(gòu)，減小高速回轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的加工，同時(shí)，延長(zhǎng)工具的使用壽命。時(shí)，采用110的中空斜錐度設(shè)計(jì)保證了整個(gè)刀柄裝卸的靈活性，有效提高了重切削能力，尤其在使用較長(zhǎng)的刀柄加工時(shí)差別就更加明顯。試驗(yàn)工件是家用電器上一注塑件的模具型腔，該模具產(chǎn)品的尺寸較小，材料為構(gòu)如圖腔材料為4度(55，采用側(cè)澆口進(jìn)膠，定模型腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖 I 4 w注：臨界點(diǎn)溫度氣l=875，t。3t。=305。萬(wàn)方數(shù)據(jù)1606 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第40卷2試驗(yàn)結(jié)果與分析21正交試驗(yàn)按照4)正交表共設(shè)計(jì)了44組試驗(yàn)，4個(gè)切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速n(r進(jìn)給速度Vf(軸向切削深度ap(徑向切削深度ao(四水平則是2，4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及表面粗糙度實(shí)測(cè)值如表2所示。表2中的切削參數(shù)是根據(jù)模具零件加工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的高速精加工要求選取的，以提高模具零件加工表面粗糙度預(yù)報(bào)模型的精度。22表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型在機(jī)床加工系統(tǒng)和刀具幾何參數(shù)已確定的前提下，可建立正交回歸試驗(yàn)的通用模型為：躉=尸l酢xl=x2=x3=x4=有：J，=bo+依多元線性回歸模型：0+(0，盯2)，用最小二乘法求出參數(shù)bo，b。，b2，占2，占，和占。：建立多元線性回歸方程：Yl=b0+2l，J，2 2bo+2 (3)：bo+中：島為試驗(yàn)隨機(jī)變量誤差。(1) 采用矩陣運(yùn)算方法解正規(guī)矩陣方程組，先引入矩陣式中：R。為表面粗糙度；削條件的系數(shù)；bl，3和式(1)兩邊分別取對(duì)數(shù)得：4培。 (2)其中：x=表2表面粗糙度實(shí)測(cè)值 06l：玩而6b+8。 (4)而2而62而634屹4：而64；Y=根據(jù)矩陣運(yùn)算可得：b=(1X，l，。則回歸方程為：夕=t,o+6)234心。(5)(6)其中：多為統(tǒng)計(jì)變量，占2，島和反為回歸系數(shù)，可由式(5)求得。根據(jù)表2中的試驗(yàn)結(jié)果，采用式(3)一6)計(jì)算得到上述試驗(yàn)條件下的表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型為：恐=16699 79 381 60071 8蠢鵬75。 (7)從式(7)可知：提高切削速度能有效地減小工件表面粗糙度，即主軸轉(zhuǎn)速增大，表面粗糙度減??；而軸向切深、徑向切深、進(jìn)給速度增大，粗糙度增大，但增大的幅度不同，表明影響程度各異。萬(wàn)方數(shù)據(jù)第6期 王凌云，等：注握成型模具硬態(tài)銑削表面粗糙度研究 160723表面粗糙度預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用在一些家用電器產(chǎn)品的注塑模具零件的加工中，用式(7)中的表面粗糙度預(yù)報(bào)模型得到的預(yù)測(cè)值與工件表面粗糙度實(shí)測(cè)值相比較得出：該模型的預(yù)測(cè)精度達(dá)到9573，表明所建立的模型具有較高的預(yù)測(cè)精度。24切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響分析切削加工因素對(duì)表面粗糙度的影響如圖3圖3可知：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高、軸向切深較小時(shí)，區(qū)域表面粗糙度較?。划?dāng)轉(zhuǎn)速較低、軸向切深較大時(shí)，粗糙度較大，表面質(zhì)量較差。在生產(chǎn)中高速精加工淬硬模具時(shí)，軸向切深為0068 00r圖4可知：較高轉(zhuǎn)速與較小的徑向切深區(qū)域表面粗糙度較小，當(dāng)徑向切深較大時(shí)，切削力增大、振動(dòng)增加，粗糙度增大；而當(dāng)徑向切深取很小值時(shí)，圖3主軸轉(zhuǎn)速與軸向切深對(duì)粗糙度的影響 of of of 圖5可知：在低轉(zhuǎn)速與較高進(jìn)給速度的區(qū)域是表面粗糙度較大的區(qū)域；高轉(zhuǎn)速與27 m是因?yàn)檫M(jìn)給速度增大，工件表層易產(chǎn)生“撕裂”現(xiàn)象，表面粗糙度增大。3結(jié)論釓采用多因素法，通過(guò)正交試驗(yàn)，利用多元線性回歸分析，建立了淬硬鋼4=16699 479 3胛_唯o071 80鵬7 5。b在較高的主軸轉(zhuǎn)速與較小的軸向切深及較小的徑向切深區(qū)域，表面粗糙度較??；在機(jī)床轉(zhuǎn)速高和進(jìn)給速度為27 m具表面粗糙度較大。利用預(yù)報(bào)模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模具加工進(jìn)行驗(yàn)證，表明其對(duì)模具加工表面質(zhì)量的控制有較好的指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn)：【I】 聾興高效加工技術(shù)及其應(yīng)用研究田中國(guó)工程科學(xué)，2000，I l(2)：40I 000，1 l(2)：404主軸轉(zhuǎn)速與徑向切深對(duì)粗糙度的影響 【2】 Y， c， H，et of on in 001。l 13(13)：410方數(shù)據(jù)中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第40卷【3】 ，of 001，50(1)：694】 H， Nof 999，3 l(8)：4855】 李世杰，孫屯新，郭蘭申數(shù)控銑削中曲面加工的粗糙度預(yù)測(cè)田機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000，29(4)：3537ianhe of C of 000，29(4)：3537【6】 劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬(wàn) 熠，艾 興高速銑削過(guò)程中表面租糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究嘰現(xiàn)代制造工程，2002(3)：8i，of 002(3)：87】 蘇宇，何寧，武凱，等基于】中國(guó)機(jī)械工程，2005，16(6)：475U E U et of ，005，l 6(6)：4758】 S， Y， L001，108(3)：2869】 陳曙光，劉 平，田保紅切削表面粗糙度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)【J】工具技術(shù)，2005，39(4)：30U il 005，39(4)：30濤，劉獻(xiàn)禮】中國(guó)機(jī)械工程，2007，18(24)：2973in of 007，1 8(24)：2973春德，姜增輝正交車銑運(yùn)動(dòng)的矢量建模及表面粗糙度的理論研究陰機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(3)：152159of on 001，37(3)：152159【12】黃雪梅，王啟義車削物理仿真工件表面質(zhì)量模型的研究【J】機(jī)械，2001，28(5)：8ueiof in 001，28(5)：89【13】夏雨高速銑削淬硬鋼的試驗(yàn)研究【D】南京：南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院。2006：5uof 006：514】閆 潔，江開(kāi)勇4】重型機(jī)械，2006，1(3)：40aion 006(3)：40方數(shù)據(jù)注塑成型模具硬態(tài)銑削表面粗糙度研究作者： 王凌云， 黃紅輝， 上海工程技術(shù)大學(xué)制造工程系,上海,200437刊名： 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）英文刊名： F (期)： 2009，40(6)被引用次數(shù)： 2次參考文獻(xiàn)(14條)熠;艾興 高速銑削過(guò)程中表面租糙度變化規(guī)律的試驗(yàn)研究期刊論文002(03)立新;郭蘭申 數(shù)控銑削中曲面加工的粗糙度預(yù)測(cè)期刊論文000(04) H; N of 999(08); of by 001(01) Y; C; H of in )效加工技術(shù)及其應(yīng)用研究期刊論文000(02)平;田保紅 切削表面粗糙度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)期刊論文005(04) S