彎艷玲 張學(xué)蕊 于化東 許金凱 張留新

長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春，130022

0 引言

隨著微小零件在航空航天、微電子、醫(yī)療器械、日常生活中的廣泛應(yīng)用，人們研制了專用的機(jī)床加工微小零部件，并對(duì)微細(xì)切削技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)加工機(jī)理之間的區(qū)別進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究［1-3］。常規(guī)的微細(xì)切削技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了微觀尺度的加工，但加工效率低，因此，對(duì)高效率、高質(zhì)量、低成本的微切削加工技術(shù)進(jìn)行研究十分重要。在微加工過(guò)程中，表面的加工質(zhì)量相對(duì)其微小的尺寸不容忽視。評(píng)定零部件表面加工質(zhì)量的參數(shù)很多，其中一個(gè)重要參數(shù)就是表面粗糙度。在微細(xì)切削過(guò)程中，表面粗糙度不僅受切削用量和幾何參數(shù)［4］的影響，且與機(jī)床振動(dòng)、切削刃平整度、刀具邊界磨損及受力變形、切削力［5］、切削熱、積屑瘤、毛刺、工件材料組織的不均勻微觀結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑條件［6-9］等因素有直接關(guān)系，因此，優(yōu)化加工參數(shù)對(duì)于微細(xì)切削技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

在微銑削過(guò)程中，提高加工效率的一個(gè)重要途徑就是在提高主軸轉(zhuǎn)速的同時(shí)，增大進(jìn)給速度和切削深度。本文利用自行研制的小型高速精密微銑削機(jī)床，在6061鋁合金表面上進(jìn)行全徑銑削微溝槽正交試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)優(yōu)化方法分析刀具懸伸量L、軸向切深ap、進(jìn)給量vf和主軸轉(zhuǎn)速n對(duì)表面粗糙度的影響，以達(dá)到減小表面粗糙度值、提高表面加工質(zhì)量的目的。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)材料為廣泛用于航空航天工業(yè)、國(guó)防、光電子、醫(yī)療等領(lǐng)域中的6061鋁合金，所用加工設(shè)備為自行研制的小型高速精密微銑削機(jī)床(圖1)，該設(shè)備主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)100 000r/min，回轉(zhuǎn)精度 優(yōu) 于 1μm，工 作 臺(tái) 位 置 精 度 優(yōu)于±0.5μm/100mm，重復(fù)定位精度達(dá)±0.2μm。所用刀具為整體式硬質(zhì)合金立銑刀，刀具直徑為0.5mm，刀柄直徑為3mm，刃長(zhǎng)為0.7mm，刃數(shù)為2，刀尖圓弧半徑為(0.05±0.02)mm。切削方式為全徑向銑削微溝槽，即理論上銑削溝槽的寬度等于微徑銑刀的刀具直徑。加工過(guò)程采用微量油氣進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。應(yīng)用MarSurf LD120輪廓與粗糙度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行表面粗糙度的測(cè)量。

圖1 小型高速精密微銑削機(jī)床

1.2 試驗(yàn)方案

與傳統(tǒng)的切削試驗(yàn)相比，精密微切削因刀具尺寸和切削尺度參數(shù)較小，材料內(nèi)部組織的均一性、連續(xù)性和刀具鋒利度等傳統(tǒng)假設(shè)不再適用，并且切削過(guò)程中刀具刃口鈍圓半徑也不容忽視。因此，綜合考慮機(jī)床實(shí)際性能、加工條件及微徑銑刀幾何參數(shù)和材料特征，選定刀具懸伸量L、軸向切深ap、進(jìn)給量vf和主軸轉(zhuǎn)速n四個(gè)參數(shù)作為研究因素，采用四因素四水平正交表進(jìn)行試驗(yàn)［10］，見表1。

表1 因素水平表

本文的刀具懸伸量是指裝夾刀具時(shí)刀具受力點(diǎn)與固定部位之間的距離，近似認(rèn)為是刀尖與夾持部位最低端之間的距離，如圖2所示。

高速精密微銑削過(guò)程中，因切削尺寸小，為得到準(zhǔn)確的軸向切削深度，試驗(yàn)過(guò)程中用等直徑銑刀先在試件表面加工出一基準(zhǔn)平面，再在此表面上銑削微細(xì)溝槽結(jié)構(gòu)，以此確保軸向切削深度(圖3)。

圖2 刀具懸伸量示意圖

圖3 加工方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微溝槽表面粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的確定

在傳統(tǒng)銑削溝槽過(guò)程中，通常把沿溝槽底部中線的表面粗糙度值作為評(píng)定整個(gè)溝槽底部粗糙度值的標(biāo)準(zhǔn)。但在高速微銑削過(guò)程中，因加工尺寸處于介觀尺度，對(duì)表面質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)已不再適用。應(yīng)用超景深顯微鏡對(duì)微細(xì)溝槽底部進(jìn)行觀察可知，槽底紋理可分為三個(gè)不同區(qū)域:逆銑區(qū)、中線區(qū)和順銑區(qū)，其區(qū)域范圍如圖4所示。

圖4 微溝槽底部區(qū)域劃分

為了更全面地反映微細(xì)溝槽底部的表面粗糙度，利用MarSurf LD120輪廓與粗糙度測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)溝槽底部三個(gè)區(qū)域的表面粗糙度Ra和Rz值進(jìn)行測(cè)量，平行樣本為5個(gè)，取其平均值作為溝槽底部各區(qū)域的表面粗糙度值，圖5和圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確地反映了微細(xì)溝槽底部的表面粗糙度。試驗(yàn)表明，在單因素水平下，微細(xì)溝槽底部三個(gè)區(qū)域的表面粗糙度Ra、Rz值變化趨勢(shì)大體相同;在不同影響因素和水平下，三個(gè)區(qū)域的表面粗糙度值具有相同的變化趨勢(shì)，即Ra、Rz值整體上從大到小依次為中線區(qū)、順銑區(qū)、逆銑區(qū)。

圖5 試驗(yàn)因素與表面粗糙度Ra值的關(guān)系曲線

本文將逆銑區(qū)、中線區(qū)和順銑區(qū)的表面粗糙度值作為評(píng)價(jià)高速微銑削成形表面質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)，全面描述微細(xì)溝槽底面表面粗糙度的情況，同時(shí)確定表面質(zhì)量的最佳加工參數(shù)。

圖6 試驗(yàn)因素與表面粗糙度Rz值的關(guān)系曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)已選定的四因素和表面粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響的主次順序，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，選擇最佳組合，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

(續(xù)表2)

試驗(yàn)結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)Ra值影響最大，刀具懸伸量和進(jìn)給量次之，切削深度對(duì)試件的表面粗糙度影響極低，各因素對(duì)Ra值的影響從大到小依次為:主軸轉(zhuǎn)速，刀具懸伸量，進(jìn)給量，軸向切深。本試驗(yàn)的最優(yōu)組合為A2B1C4D1，即當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?18mm，軸向切深為 40μm，進(jìn)給量為30mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為48 000r/min時(shí)，Ra值最小，其范圍為30.380～79.707nm，此時(shí)的置信度為99%。對(duì)Rz值的影響效果最顯著的為主軸轉(zhuǎn)速，軸向切深次之，刀具懸伸量和進(jìn)給量影響不顯著。各因素對(duì)Rz值的影響從大到小依次為:主軸轉(zhuǎn)速，軸向切深，進(jìn)給量，刀具懸伸量。此時(shí)最優(yōu)組合為A2B4C4D2，即當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?8mm，軸向切深為 10μm，進(jìn)給量為 30mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為45 000r/min時(shí)，Rz值最小，其指標(biāo)真值在0.241 594～0.704 188μm范圍內(nèi)變化，此時(shí)置信度為95%。

由上述試驗(yàn)可知，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)Ra、Rz值影響最大。軸向切深對(duì)Ra值影響較小，但對(duì)Rz值影響較大，同時(shí)為提高加工效率，高速微銑削鋁合金微細(xì)溝槽結(jié)構(gòu)的最優(yōu)組合為A2B4C4D1，即當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?18mm，軸向切深為 10μm，進(jìn)給量為30mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為48 000r/min時(shí)，表面粗糙度最佳。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)，所加工試件Ra值為0.075μm，Rz值為0.579μm。

2.3 各因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(表2)繪制主軸轉(zhuǎn)速、刀具懸伸量、進(jìn)給量和軸向切深與表面粗糙度Ra值的關(guān)系曲線(圖7)，分析各因素對(duì)加工工件表面粗糙度的影響規(guī)律。

2.3.1主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

圖7 各因素與表面粗糙度Ra的關(guān)系曲線

由圖7a可知，高速精密微銑削過(guò)程中，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，微細(xì)溝槽底部的表面粗糙度Ra值呈先增后降的趨勢(shì)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于39 000r/min時(shí)，表面粗糙度Ra值明顯減小;此后，隨著主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，表面粗糙度值趨于穩(wěn)定。分析其原因，其他加工參數(shù)不變的情況下，高主軸轉(zhuǎn)速下［11］切屑與刀具前刀面的接觸面會(huì)局部熔化，形成一層液態(tài)薄膜，有效減小前刀面的平均摩擦因數(shù)，使變形系數(shù)減小，縮短了切屑變形時(shí)間，切屑在瞬間被切離工件，大部分切削熱由切屑帶走，鋁合金塑性變形量減小，大大減小了切削力和產(chǎn)生積屑瘤的可能性，既提高了生產(chǎn)率，又改善了鋁合金工件的加工精度和表面質(zhì)量。

2.3.2銑刀懸伸量對(duì)表面粗糙度的影響

常規(guī)加工認(rèn)為，刀具懸伸量的增大勢(shì)必會(huì)造成刀具剛度的降低，因此在裝夾刀具時(shí)，在不影響加工的同時(shí)盡量縮短刀具懸伸量，以提高刀具整體剛度，使加工過(guò)程中切削力變化更加穩(wěn)定，提高表面加工質(zhì)量，減小刀具磨損。在高速精密微銑削過(guò)程中，所使用的切削刀具整體尺寸與傳統(tǒng)加工刀具相比非常小，刀具懸伸量對(duì)切削速度、切削深度、金屬切除率的影響不可忽視，需考慮刀具懸伸量對(duì)表面加工質(zhì)量及刀具使用壽命的影響。

高速精密微銑削過(guò)程中，為準(zhǔn)確分析微切削過(guò)程刀具懸伸量對(duì)表面加工質(zhì)量的影響，本文通過(guò)微徑立銑刀實(shí)體建模，應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行變形分析得出，微徑立銑刀刀具懸伸量為20mm，刀頭橫向最大載荷為20N時(shí)，其刀具徑向最大變形量理論值為10.65nm。由此，排除了刀具懸伸量變化對(duì)刀具剛度的影響。此外，在裝夾微徑銑刀時(shí)，需對(duì)刀柄夾持部位的徑向跳動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)，使其控制在一定范圍內(nèi)，以減小因裝夾引起的徑向跳動(dòng)誤差。

由圖7b可知，刀具懸伸量對(duì)工件表面粗糙度的影響呈二次曲線分布。當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?8mm時(shí)，表面粗糙度值最小。其原因如下:當(dāng)?shù)侗鷬A持部位的徑向跳動(dòng)一定時(shí)，隨著刀具懸伸量的增大，刀具切削刃的徑向跳動(dòng)量也隨之增大，引起刀具振動(dòng)，產(chǎn)生不均勻切削力，導(dǎo)致刀具不規(guī)則磨損，從而影響工件尺寸精度和表面質(zhì)量;適當(dāng)?shù)販p小刀具懸伸量弱化了由刀具徑向跳動(dòng)引起的非線性切削力變化，提高了微細(xì)溝槽底部表面加工質(zhì)量。當(dāng)?shù)毒邞疑炝窟^(guò)小時(shí)，因主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、外界干擾等引起的振動(dòng)也容易傳到刀具上，此時(shí)，外界擾動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量的影響大于刀具剛度對(duì)加工質(zhì)量的影響，加快了刀具磨損，增大了加工表面的粗糙度值。

2.3.3進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

由圖7c可知，在刀尖圓弧半徑一定的情況下，進(jìn)給量在30～150mm/min范圍內(nèi)變化時(shí)，表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增大逐漸增大，最后趨于平緩。進(jìn)給量為30mm/min時(shí)，加工試件表面粗糙度最佳;進(jìn)給量在80～150mm/min范圍內(nèi)變化時(shí)，表面粗糙度值變化不大。由此可知，高速精密微銑削鋁合金微溝槽過(guò)程中，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，增大進(jìn)給量在提高加工效率的同時(shí)增大了殘留面積的高度，直接造成了表面粗糙度值的增大，這與傳統(tǒng)銑削理論一致。

2.3.4軸向切削深度對(duì)表面粗糙度的影響

其他切削參數(shù)不變的情況下，一定范圍內(nèi)增大切削深度對(duì)已加工表面粗糙度的影響不明顯(圖7d)。在高速微銑削過(guò)程中，銑削深度一般為幾十微米，銑削力波動(dòng)不大，即在銑削力穩(wěn)定的加工過(guò)程中，表面粗糙度變化幅度較小。若繼續(xù)增大切削深度，則會(huì)導(dǎo)致切削力幅值波動(dòng)加大，引起工件、刀具變形，產(chǎn)生切削振動(dòng)，造成表面粗糙度顯著變化;但過(guò)小的切削深度亦會(huì)產(chǎn)生犁耕現(xiàn)象，形成附加的塑性變形，增大表面粗糙度值。

3 結(jié)論

①高速微銑削6061鋁合金表面，微細(xì)溝槽底部不同區(qū)域的表面粗糙度值不相同，其變化趨勢(shì)由大到小依次為中線區(qū)、順銑區(qū)、逆銑區(qū)。②高速微銑削加工中，對(duì)表面粗糙度影響最大的因素為主軸轉(zhuǎn)速，刀具懸伸量、進(jìn)給量和軸向切深的影響大小隨加工試件表面質(zhì)量的要求而變化。綜合試驗(yàn)條件，考慮表面粗糙度Ra和Rz值，當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?8mm，軸向切深為 10μm，進(jìn)給量為 30mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為48 000r/min時(shí)，高速微銑削鋁合金微細(xì)溝槽試件表面加工質(zhì)量達(dá)到最佳水平。此時(shí)，表面粗糙度Ra值為0.075μm，Rz值為0.579μm。③主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工溝槽底部的表面粗糙度值呈先增后減趨勢(shì)。試件表面粗糙度隨刀具懸伸量的變化呈二次曲線分布。在其他參數(shù)不變的情況下，較小的進(jìn)給量可獲得較好的表面質(zhì)量。高速微銑削過(guò)程中由于軸向切深較小，切削力比較穩(wěn)定，所以軸向切深對(duì)表面粗糙度的影響較小。

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