GH4169插铣参数对切削力的影响规律研究

摘要：为了优化高温合金GH4169插铣加工过程中的切削参数，采用正交试验法进行高温合金GH4169的铣削试验。基于试验法建立了切削力与切削参数之间的经验公式，分析了各切削参数对切削力的影响规律。运用方差分析法检验了经验公式的显著性。结果表明：F，、F，、F，都随着切削速度V.、每齿进给量f，、径向切深a，的增大而增大；三个方向的切削力受径向切深a，的影响最大，其次是切削速度V..每齿进给量f，的影响最小，且Z方向切削力F，大于X、Y方向切削力F，、F，。

1 引言

GH4169属于典型的难加工材料，加工过程存在切除率大、耗时长、成本高等问题。插铣能够在Z轴方向快速铣削大量金属，又称Z轴铣削法。插铣加工径向力小、刀具悬伸量大、加工效率高，特别适用于型腔及难加工材料的粗加工或者半精加工。因此，使用插铣法来加工高温合金类难加工材料，能够显著提高加工效率。国内外学者对插铣进行了大量研究， RauchM.[a]将插铣法用于型腔铣削，对该方法在铝合金加工中的潜力进行了评估，并与传统的加工方法在切削效率、加工质量和刀具动态性能等方面进行比较。Al tintas等研究了插铣加工的颤振稳定性， 介绍了插铣加工的频域模型和颤振稳定性预测理论，并建立了再生切屑厚度模型。唐进元等提出采用插铣加工工艺的面齿轮加工方法，根据面齿轮插齿加工原理及齿轮啮合原理，提出多线包络加工面齿轮齿面的插铣制造方法。采用CO，低温微量润滑冷却方式进行GH4169插铣。结果发现，CO，低温微量润滑冷却与常规乳化液冷却条件相比，大幅降低了插铣径向切削力和轴向切削力。本文通过设计镍基高温合金CH4169的插铣试验，分析了插铣参数对切削力的影响规律，为高温合金GH4169的粗加工插铣参数选取提供依据。

2 GH4169插铣试验

试验条件

2.1

试验选用乔福机械VMC 850三坐标立式数控铣床， 最大转速8000r/min， 功率22kW； 试验刀具选用巾12的四齿硬质合金铣刀，牌号K40；试验材料选用GH 4169长方体， 几何尺寸150mmx90mmx30mm；Blas or切削液冷却； 切削力由Kistler 9255B三向动态压电式测力仪、Kistler 5017A电荷放大器、DE WE 3010数据采集与处理系统组成的切削力测量系统测量。

2.2

试验方案及结果插铣加工不同于端铣和周铣等其他加工方式(见图1)。图中a，为径向切深，a，为插铣深度，S为步距。插铣加工时，通常铣刀从工件加工部位的边缘处开始铣削，刀具沿主轴方向做进给运动，每一刀直接插铣到预定深度，轴向抬刀，水平进刀一个步距S，移动到下一个加工点，再进行第二刀插铣，如

此反复，直至加工完成。当主轴转向与走刀方向相反时，为顺插铣加工，当主轴转向与走刀方向相同时，为逆插铣加工。试验采用顺插铣方式。

影响插铣切削力的因素很多，试验主要研究插铣参数对切削力的影响规律。设计了三因素四水平正交试验，选取的因素、水平值、试验的方案及测试结果如表1所示。

3 试验结果分析

3.1 切削力经验公式

切削力与切削参数之间存在复杂的数学关系，基于试验的方法建立切削力与切削参数之间的数学模型时，复指形式是当前使用较多的一种形式。设三向切削力F，、F，、F，的形式为式中，C，，、Cg，、C，，取决于被加工材料和切削条件；a；、b、c，分别为切削速度V，的指数；4g、b，、分别为每齿进给量/，的指数，a，、b，、，径向切深u，的指数。对式(1)两边取对数得

利用MATLAB软件的多元线性回归函数对上式进行回归分析”，求得回归系数值，就可以得到切削力与插铣参数的经验公式。代人试验结果，最终建立的切削力经验公式为

为了检验回归方程对试验数据的拟合程度，需对回归方程进行显著性检验。一般可以采用F值检验法进行显著性检验，检验结果如表2所示，三向切削力对应的F值均大于Foo(3， 16) ， 其中3为试验因素数，16为试验次数。回归方程十分显

著，与实际情况拟合很好，可用于CH4169插铣切削力的预测计算和分析。

3.2

切削参数对切削力的影响影响从三向切削力的经验公式(4)可以看出，在试

验参数范围内，高温合金GH4169插铣加工过程中，三向切削力随着切削速度V，、每齿进给量/，和径向切深a，的增大而增大；切削力F，、F，、F，受切削深度的影响最大(指数分别为0.62，0.416和1.16)，其次是切削速度V.(指数分别为0.135、0.258和0.407)，切削力受每齿进给量f，的影响最小(指数分别为0.147、0.215和0.109)；总体来看，Z方向切削力F，大于X、Y方向切削力F，、F，。

(1)切削速度对切削力的影响

图2为切削力与切削速度之间的变化规律，切削力随着切削速度的增加而增大。X方向的切削力变化幅度不大，F，从344N增至415N；Y方向切削力增加幅度较大，F，从355N增至508N；Z方向切削力增幅很大，F，从749N增至1317N，分别增加了71N、163N和568N。

(2)每齿进给量对切削力的影响图3为改变进给量时切削力的变化规律，切削

力随着每齿进给量f，的增加而增加，F，从369N增至395N，F，从409N增至453N，F，从974N增至1025N，分别增加了26N、44N和51N，增幅都很平

缓。从图中可看出切削力的增加值和进给量的增加值之间并不构成正比关系，这是因为随着每齿进给量变大，每齿切削厚度增大，所以切削面积增大，切削力也会随之增大；但同时进给量f，增大，使得前刀面上的法向力增加，摩擦角变小，导致剪切角增大，引起切削力减小(“。前者对切削力的影响大于后者，因此切削力保持增大趋势。

(3)径向切深对切削力的影响图4为径向切深改变时切削力的变化规律，可以看出，切削力随径向切深a。的增大而逐渐增大，F，从287N增至405N，F，从359N增至454N，分别增加了118N和95N，增幅较小。F，从621N增至

1188N，增加了567N，增幅较大。这是因为随着径向切深的增大，刀具与工件接触的圆弧长度增加，使切削面积增大，所以切削力一直保持增大趋势。

4结语

(1)在GH4169插铣加工过程中，三向切削力F.、F，、F，都随着切削速度V.、每齿进给量J.、径向切深a。的增大而增大。

(2)在GH4169插铣加工过程中，三向切削力F.、F，、F，受切削深度的影响最大，其次是切削速度V.，每齿进给量f，的影响最小。

(3)在GH4169插铣加工过程中，三向切削力F，、F，、F，中，Z方向切削力F.大于X、Y方向切削力F，、F，。