李佳宏，刘赣华，熊小文

1江西理工大学机电工程学院；2南昌硬质合金有限责任公司

1 引言

铣削加工是一种断续切削加工过程，冲击载荷较大，易发生振动，刀齿铣削厚度和铣削面积在铣削过程中随时变化，因而铣削力变化较大[1]。在其它切削条件相同的情况下，铣削力大，切削加工性会变差，进一步加剧刀具的磨损，降低工件表面质量[2，3]。316L不锈钢作为一种难加工材料，在铣削加工中所需切削力较大，切削温度较高，切削加工性较差[4]。对316L不锈钢铣削过程中的切削力变化规律进行分析，可提高其实际铣削加工效率，改善工件表面质量。

郭皓邦等[5]研究了不同类型的涂层刀片对316L不锈钢车削加工过程中切削性能的影响。吴沁等[6]研究了切削用量对316L不锈钢车削加工的影响。于凤云等[7]通过车削试验研究，优选出304L不锈钢车削加工的刀具材料。刘念聪等[8]研究了冷却参数对不锈钢车削过程中表面粗糙度的影响。Endres W.J.等[9]以切削加工过程中的切削参数模型为基础建立切削力模型。孙鹏程等[10]研究了高速铣削过程中铣削参数对铣削力的影响。作为一种难加工材料，目前在铣削加工316L不锈钢研究中，有关不同铣削参数对其切削力的影响研究很少。利用AdvantEdge软件对316L不锈钢进行二维铣削仿真研究，分析切削参数对其切削力的影响，同时通过试验验证切削力变化规律，为316L不锈钢的铣削工艺参数选取提供依据。

2 铣削加工模拟

2.1 建立二维铣削加工模型

为了节省仿真运算时间，在不影响仿真结果的前提下，将三维铣削模型简化为二维铣削模型[11]。采用AdvantEdge软件建立的二维切削模型见图1，刀具相关参数见表1，工件材料为316L不锈钢。利用AdvantEdge软件的网格自动划分功能分别对刀具和工件进行网格划分，划分出的最大网格尺寸为0.1mm，最小网格尺寸为0.02mm。

图1 二维切削模型

表1 刀具参数设置

2.2 设置铣削加工参数和仿真影响因素

316L不锈钢铣削加工参数的设置见表2。

表2 铣削加工参数的设置

选择主轴转速、铣削深度和铣削宽度为主要影响因素，对316L不锈钢进行铣削仿真研究。每齿进给量固定为0.1mm/z，其它条件保持不变，分别以单变量因素分析主轴转速、铣削深度和铣削宽度对316L不锈钢铣削过程中铣削力的影响。

仿真试验的铣削加工参数设置见表3。

表3 仿真试验的加工参数设置

3 仿真结果分析

主轴转速、铣削深度和铣削宽度对316L不锈钢铣削加工过程中铣削力的影响曲线分别见图2～图4。

由图2可知，在转速2500～4000r/min范围内，增大主轴转速后，铣削过程中x和y方向的切削力先增大后减小。为改善316L不锈钢的切削性能和降低铣削过程中的切削力，在实际铣削过程中应适当提高转速。

图2 主轴转速对铣削力的影响

由图3可知，在铣削深度为0.5～2.0mm范围内，随着铣削深度的增加，铣削过程中x和y方向的切削力均增大。铣削深度与铣削力的变化呈正相关，且x向铣削力变化比y向变化更剧烈。

图3 铣削深度对铣削力的影响

由图4可知，在铣削宽度1.5～3.0mm范围内，随着切削宽度的增加，铣削过程中x和y方向的铣削力均增大，铣削宽度与铣削力的变化呈正相关，且x向铣削力变化比y向的变化更剧烈。

图4 铣削宽度对铣削力的影响

4 铣削力试验验证

试验选用VMC850E数控机床，主轴功率为7.5kW，最高转速为6000r/min，工作台尺寸为1000mm×500mm。采用压电式三向力测试仪，设备编号为NBJR2015092202，分辨率≤1N，固有频率≥3kHz，设备测量范围为Fx/Fy=2500N，Fz=2500N。采用直径6mm的四刃硬质合金平底铣刀，刀具前角为6°，后角为12°。工件为160mm×100mm的316L不锈钢工件。

铣削试验参数：主轴转速为3000r/min，每齿进给量为0.1mm/z，铣削深度分别为0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，铣削宽度为2mm。

采用测力仪测量x，y，z三个方向的铣削力，得到三向力数值。截取稳定段，通过取平均值的方法得到每次测量时的各铣削力。将试验结果与仿真结果进行对比分析(见图5)。结果表明，铣削深度在0.5～2.0mm范围内时，316L不锈钢铣削过程中x向铣削力随着铣削深度的增加而增大。试验值与仿真值存在一定误差，可能是加工过程中的误差造成的。

图5 仿真值与试验值对比

5 结语

根据316L不锈钢铣削过程中的铣削力变化规律研究，可得出以下结论。

(1)在主轴转速2500～4000r/min范围内，随着主轴转速的增大，铣削力会先增大后减小；在切削深度0.5～1.5mm范围内，铣削力随着切削深度的增大而增大，说明铣削深度与铣削力的变化呈正相关；在切削宽度2.0～3.0mm范围内，铣削力随着铣削宽度的增大而增大，说明铣削宽度与铣削力的变化呈正相关。

(2)为了提高316L不锈钢的铣削性能，实际铣削加工中，应采用较高的转速、较小的铣削深度和铣削宽度。

(3)将改变铣削深度的仿真结果与试验结果进行对比，铣削力变化规律一致，验证了仿真过程中的铣削力的变化规律。