張沛森，李忠新

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

0 引 言

微小型化技術(shù)是21 世紀(jì)重要技術(shù)之一，深刻地影響著科學(xué)進(jìn)步和國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，而隨著各類微小型系統(tǒng)的不斷發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)于微小型結(jié)構(gòu)件的需求種類和數(shù)量也逐年增加，微小型結(jié)構(gòu)件往往具有微小的整體尺寸與較為復(fù)雜的特征，加工時(shí)要求較高的加工精度［1］。一般的鉆削、鉸孔等加工方法所加工的微小型孔表面質(zhì)量較差，研磨加工效率較低，而鏜削加工具有好的加工適應(yīng)性和加工質(zhì)量，并且有較高的加工效率［2］。

本研究通過(guò)對(duì)Ф2．7 mm 小孔進(jìn)行鏜削加工，研究吃刀量、進(jìn)給速度及刀具轉(zhuǎn)速對(duì)鏜削加工表面粗糙度和鏜削后孔直徑尺寸的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，加工出IT6、Ra 0．2 μm 的Ф2．9 mm 孔，為科學(xué)、合理地制定微小型結(jié)構(gòu)件的鏜削加工參數(shù)提供參考。

1 微孔的鏜削加工方法與試驗(yàn)條件

鏜削加工是用鏜刀對(duì)輪廓內(nèi)徑進(jìn)行擴(kuò)大的車削工藝，可以完成從半粗加工到精加工的加工要求。本次試驗(yàn)，首先通過(guò)鉆孔得到一系列Ф2．7 mm 的小孔，再使用插補(bǔ)算法對(duì)Ф2．7 mm 鉆削孔進(jìn)行鏜削加工，并對(duì)加工得到的孔進(jìn)行測(cè)量。

試驗(yàn)所用材料為3J33 馬氏體時(shí)效鋼，在微小型構(gòu)件中具有較高代表性，其基本性能為E=180 000 MPa、G=69 168 MPa、HRC=42～55、泊松比v=0．3［3］，具有強(qiáng)度高，韌性好的特點(diǎn)。所用刀具為單刃鏜刀，材料均為硬質(zhì)合金，所用刀具如圖1 所示。

圖1 Ф2．85 鏜刀22．5 倍放大圖

本研究所用機(jī)床為微小型車銑復(fù)合加工機(jī)床KNC-50FS，如圖2 所示，其具有相互獨(dú)立的三向動(dòng)力主軸以及銑削電主軸，加工時(shí)試件固定，動(dòng)力主軸完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，銑削電主軸帶動(dòng)鏜刀轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行鏜削加工。

圖2 加工機(jī)床KNC-50FS

加工得到孔的樣件如圖3 所示。

圖3 小孔鏜削加工樣件

本研究使用萬(wàn)能工具顯微鏡(19JPC-V)分別測(cè)量了孔的兩垂直方向尺寸(單位:mm)，萬(wàn)能工具顯微鏡如圖4 所示，測(cè)量精度達(dá)到1 μm。

筆者使用白光干涉儀(Taylor Talysurf CCI)對(duì)表面粗糙度檢測(cè)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5 所示，鏜削加工表面粗糙度采用輪廓算術(shù)平均Ra 值(單位:μm)。

圖4 萬(wàn)能工具顯微鏡

圖5 白光干涉儀輸出數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2．1 單因素變化試驗(yàn)

本研究使用懸深為5 mm，直徑為Ф2．9 mm 的硬質(zhì)合金鏜刀，對(duì)直徑為2．7 mm 的盲孔進(jìn)行鏜削加工的單因素試驗(yàn)。

2．1．1 轉(zhuǎn)速對(duì)鏜削后孔的尺寸以及表面粗糙度的影響

當(dāng)進(jìn)給速度為1．5 mm/min 時(shí)，本研究測(cè)得刀具轉(zhuǎn)速對(duì)鏜削后孔尺寸和表面粗糙度的影響曲線如圖6 所示。

隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加，鏜削表面的粗糙度Ra 值減小(如圖6(a)所示)，并且所得到的孔的尺寸越接近理想尺寸Ф2．9 mm(如圖6(b)所示)。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給速度一定時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速與每轉(zhuǎn)進(jìn)給量成反比關(guān)系，即加工單位長(zhǎng)度的切削次數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，減少了鏜刀撓性彎曲產(chǎn)生的加工誤差，并且切削力減小，加工震顫降低，提高了加工樣件的表面質(zhì)量［4］。但是隨著刀具轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)生大量的熱，容易造成刀具的損壞及不必要的損失，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)表面質(zhì)量和尺寸精度的改善越來(lái)越不明顯［5］。

2．1．2 進(jìn)給速度對(duì)鏜削后孔的尺寸以及表面粗糙度的影響

當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為4 500 r/min 時(shí)，本研究測(cè)得進(jìn)給速度對(duì)鏜削后孔尺寸和表面粗糙度影響的曲線如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量和加工精度的影響

圖7 進(jìn)給速度對(duì)表面質(zhì)量和加工精度的影響

進(jìn)給速度的改變對(duì)鏜削后孔直徑尺寸的影響不大(如圖7(b)所示)，但表面粗糙度隨進(jìn)給速度增加的先降低再升高(如圖7(a)所示)。當(dāng)進(jìn)給速度較低時(shí)，鏜刀的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量小，會(huì)對(duì)同一加工表面過(guò)度切削，延長(zhǎng)了加工時(shí)間并易使表面被破壞;當(dāng)進(jìn)給速度較高時(shí)，鏜刀的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量會(huì)超過(guò)刀尖圓弧半徑的作用范圍，使表面不能被充分加工，甚至劃出溝槽，使表面質(zhì)量下降［6］。

在相關(guān)試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，產(chǎn)生了類似的現(xiàn)象，最好的表面質(zhì)量仍在進(jìn)給速度為3 mm/min時(shí)取得，說(shuō)明最佳進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。

2．2 多因素對(duì)加工尺寸以及表面粗糙度的影響

實(shí)際加工過(guò)程中，不能只看單一因素對(duì)加工的影響，還要綜合考慮各個(gè)因素間影響，從而選擇最佳的切削參數(shù)，為比較各個(gè)因素對(duì)加工尺寸及表面粗糙度影響的大小，筆者用正交試驗(yàn)的方法對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行探究［7-8］。

2．2．1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本研究選定的參數(shù)變量為刀具尺寸、進(jìn)給速度、刀具轉(zhuǎn)速，為三因素三水平試驗(yàn)，選用L_9(3^4)正交表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。

所設(shè)計(jì)正交表如表1 所示。

表1 因素與水平表

2．2．2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)指標(biāo)為表面粗糙度Ra 值和鏜削后盲孔直徑尺寸Lx、Ly。為使試驗(yàn)結(jié)果更可靠，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行了3 次，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表)

為確定各因素的影響程度以及顯著性，本研究對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了極差分析和方差分析。對(duì)27 組試驗(yàn)結(jié)果中表面粗糙度數(shù)據(jù)的極差分析和多次重復(fù)試驗(yàn)方差分析的結(jié)果分別如表3、表5 所示，對(duì)相同因素水平下所測(cè)量尺寸取平均值后的極差分析和多次重復(fù)試驗(yàn)方差分析［9］的結(jié)果分別如表4、表6 所示。

表3 表面粗糙度極差分析表

表4 測(cè)量尺寸極差分析表

本研究由表3、表4 的極差分析，推斷出切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度和鏜削后盲孔直徑尺寸影響程度的排列順序均為:所用鏜刀尺寸＞進(jìn)給速度＞轉(zhuǎn)速。由表5、表6 的方差分析，推斷出鏜刀尺寸和進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度Ra 和鏜削后孔尺寸L 的影響顯著。

本研究通過(guò)對(duì)表2 的觀察，發(fā)現(xiàn)H04、H05、H06有較好的表面質(zhì)量和較理想的加工尺寸，此時(shí)均使用Ф2．90 mm的鏜刀進(jìn)行鏜削加工。鏜削加工前孔的直徑為Ф2．70 mm，認(rèn)為單邊0．1 mm 切削深度可以獲得較好的加工效果。

表5 表面粗糙度方差分析表

表6 加工孔直徑尺寸方差分析表

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)優(yōu)化鏜削加工參數(shù)，使得孔的加工尺寸精度可以達(dá)到IT6 級(jí)精度，表面粗糙度Ra 值可以達(dá)到0．2 μm。與鉆孔相比，鏜削加工使孔表面質(zhì)量顯著提高，Ra 值降低0．8 μm，形狀誤差得到改善。通過(guò)鏜削加工試驗(yàn)及對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了如下結(jié)論:

(1)鏜削能達(dá)到較高的加工精度，表面粗糙度Ra值可達(dá)0．2，可以達(dá)到生產(chǎn)加工的要求。鉸孔加工時(shí)加工精度可達(dá)IT6，Ra 值可達(dá)0．4，但使用鉸刀加工時(shí)存在無(wú)法加工非圓整孔、一把鉸刀僅能加工一種尺寸、不適合加工高硬度的材料等不足。鏜削加工具有較好的適應(yīng)性，可以在克服上述不足，并取得較高的加工精度。

(2)在對(duì)高強(qiáng)度、高韌性合金材料上的微小盲孔進(jìn)行鏜削加工時(shí)，切削深度對(duì)鏜削質(zhì)量的影響最大。因?yàn)殓M削加工時(shí)，刀桿與孔軸線間的偏差會(huì)使得切削深度不斷變化，切削深度與鏜刀所受力成近似正比關(guān)系，鏜刀受力后發(fā)生撓性彎曲，在鏜削過(guò)程中會(huì)加劇鏜刀的震顫，影響加工表面質(zhì)量，此時(shí)可以通過(guò)增大刀桿直徑來(lái)抑制這一影響［10］。

(3)進(jìn)給速度對(duì)鏜削質(zhì)量也有較大影響。較低與較高的進(jìn)給速度均無(wú)法得到最好的表面質(zhì)量，加工時(shí)應(yīng)根據(jù)所選鏜刀的刀尖圓弧半徑以及刀具的偏角選擇合適的進(jìn)給速度。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于尺寸較小的孔，進(jìn)給速度可以優(yōu)先選為所加工孔的直徑。

(4)刀具轉(zhuǎn)速對(duì)鏜削質(zhì)量的影響較小，但對(duì)孔的尺寸有較大影響，通過(guò)選擇較高的轉(zhuǎn)速有助于獲得理想的表面質(zhì)量和尺寸精度。

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