高速铣削碳纤维复合材料铣削力实验分析

高速铣削碳纤维复合材料铣削力实验分析

邢光罗学科刘东

邢光罗学科刘东（北京工贸技师学院）

摘要：采用多因素正交实验法，在高速加工中心上，进行了高速铣削碳纤维复合材料的实验。基于概率统计和回归分析原理，对回归方程进行了显著性检验，并建立了碳纤维复合材料的切削力经验模型。通过分析正交实验直观图，研究了切削参数对切削力的影响。

关键词：高速铣削切削力回归分析

0引言

碳纤维复合材料是一种高性能、多功能的先进复合材料。铣削是碳纤维复合材料加工的一种重要手段。高速切削是以高效、高加工精度、高表面质量而得以推广应用的先进制造技术。研究切削力的根本目的就在于准确分析加工过程中切削热与切削温度、工件变形及刀具磨损、破损等各种物理现象，以提高夹具、刀具、机床等整个工艺系统的设计精度，为合理制定切削用量、优化刀具几何参数提供重要依据。但是，在制定高速切削加工工艺规程时，切削参数的选用还没有成熟的经验公式、数据可供参考，迫切需要提供实用的参考数据。国内外许多金属切削专家、学者对切削力进行了理论分析和研究。但要构建贴合实际的切削力模型，往往通过对具体材料的切削实验进行大量数据分析和观察后，才最有效和最可靠。本文基于多因素正交实验和回归分析方法，建立了高速铣削碳纤维复合材料的切削力预测模型，以寻找切削参数对切削力影响的统计规律，在切削加工前进行工艺设计时实现切削力的预测和控制。为碳纤维复合材料在高速铣削加工中优选加工工艺参数，减少刀具磨损、改善工件表面粗糙度提供了良好的基础性数据和分析方法。

1切削力经验模型的确定

在高速铣削加工中，切削参数主要有3个：切削速度(或主轴转速)、进给速度、切削深度在机床特征和刀具几何参数确定的前提下，根据金属切削原理，切削力与切削参数之间存在复杂的指数关系，应用正交回归试验建立切削力与切削参数之间的通用形式为：Fi=CFapb1nb2vfb3

式中Fi为广义切削力；CF为决定于加工材料、切削条件的系数；ap为切削深度(mm)；n为主轴转速(r/min)；vf为进给速度(mm/min)；b1、b2、b3分别为指数。

在式两边分别取对数得：lgFi=lgCF+b1lgap+b2lgn+b3lgvf

令Y=lgFi，x1=lgap，x2=lgn，x3=lgvf，b0=lgCF

则：Y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

2高速切削实验方法及结果

2.1高速切削实验条件材料：碳纤维复合材料；刀具：刀具直径φ10，金刚石刀具；加工设备：数控加工中心DMG。

检测设备：①INV306U智能信号采集处理分析仪——北京东方振动和噪声技术研究所；②YD-28A型动态电阻应变仪——华东电子仪器厂；③数显温度表CENTER300TYPEKTH北京航空航天大学20040705

冷却方式：空气冷却

2.2高速切削实验方案及参数的选取为减少试验次数，提高各试验点数据的信息量，增强预测模型的准确性，采用多因素正交回归试验的方法，设计了9组实验(ap、n、vf)×3水平(X1、X2、X3)。切削参数选取的原则：按照高速精加工的要求，以保证表面质量为主要目标，参考生产现场的切削用量，为扩大切削用量的范围进行了适当修改，以提高预测模型的精度。切削参数各

2.3高速切削实验结果记录通过实验以及采集数据得到9组数据。分别得出Fxmax和Fymax的波形图，求出各个波形图峰值的平均值如表3

2.4多因素正交试验直观图分析根据表的实验结果可以做出直观分析表，由此得出切削力直观分析图

X1——ap，X2——n，X3——Vf

各切削参数对切削力的影响程度及变化趋势。其中切深和进给速度增大使切削力增大，但各切削参数对切削分力的影响程度存有较大的差异，对Fxmax分力的影响较大，对其它分力的影响较小；但变化总的趋势是随着主轴转速提高，切削力减小。从金属切削机理的角度分析，切削速度对切削力的影响较为复杂，一方面切削速度的提高导致剪切角增大，剪切力降低；另一方面剪切角增大和切削速度本身的提高又会使切屑惯性力Fm增大。

3切削力经验公式的建立

利用SPSS软件数据分析工具中的回归功能，建立切削力和切削参数对数值之间的多元回归模型。在spss中，将各切削力最大值和各切削参数值转化为对数值。

将数据输入SPSS软件进行多元线性回归分析，得到经验公式为：

Fxmax=103.810n-2.30vf0.175ap-0.07

Fymax=102.557n-0.12vf0.101ap0.046

通过大量实验数据验证此数学模型的误差在10%以内。

4结束语

通过对碳纤维复合材料进行高速铣削实验，利用回归分析的方法建立了切削力预测模型，得出以下结论：

4.1切削参数对各切削力的影响趋势为：主轴转速提高，切削力减小；轴向切深、径向切深和进给速度增大，切削力增大。因此，高速切削时，为减小切削力，宜采用高转速、小切深多次走刀的方式进行切削加工。

4.2通过对各回归系数进行分析，可以得出主轴转速与切削力之间的关系为负相关，进给速度、轴向切深、径向切深与切削力之间的关系为正相关，这与实验直观分析结果相符。

4.3用正交实验和回归分析方法建立切削力的预测模型，可以减少实验次数，增大实验点的信息量，并且可以通过分析使参数得以优选。这种方法可用于建立其它切削预报模型。

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