高　奇,，蔡　明

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州　121001；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽　110819)

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高速微尺度銑削單晶鋁表面粗糙度試驗(yàn)研究

高奇1,2，蔡明2

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽110819)

微銑削是一種加工微小零件和微小特征的高精、高效加工方法，為探究單晶鋁微銑削表面質(zhì)量，采用直徑為0.4mm的硬質(zhì)合金立銑刀，對單晶鋁進(jìn)行三因素五水平微銑削正交試驗(yàn)，通過極差分析找出影響表面質(zhì)量的主次因素，即主軸轉(zhuǎn)速的影響最大，銑削深度其次，進(jìn)給速度最小，探討了切削參數(shù)對單晶鋁微銑削表面質(zhì)量的影響規(guī)律；優(yōu)化獲得理想的工藝參數(shù)組合，即主軸轉(zhuǎn)速為36000r/min，銑削深度為10μm，進(jìn)給速度為80μm/s，此時即表面粗糙度最小，為0.782μm。研究結(jié)果為單晶材料的微銑削加工提供一定的理論和試驗(yàn)依據(jù)。

微銑削；單晶材料；表面粗糙度；正交試驗(yàn)

GAO Qi1,2, CAI Ming2

(1.School of Mechanical Engineering & Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001,China; 2. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

0　引言

微銑削是指用微型銑刀對微小零部件進(jìn)行精密銑削的加工技術(shù)，微型銑刀直徑通常小于1mm[1]。微尺度銑削在刀具、工件尺寸上并不是宏觀尺寸的按比例縮小，微切削加工時刀具的刃口半徑與切削深度處于同等數(shù)量級，刀具的切削刃刃口半徑對最小切削厚度、尺度效應(yīng)、切屑的形成等現(xiàn)象影響明顯，常規(guī)的切削機(jī)理在微尺度切削中已經(jīng)不再適用[2-4]。通過大量的試驗(yàn)證明：微銑削在切削條件、系統(tǒng)的剛度、切削用量等方面與傳統(tǒng)銑削原理差異較大[5-6]。只有通過合適的銑削方式、切削參數(shù)和工藝條件，零部件的表面質(zhì)量及精度才會得以保證。

單晶材料消除了晶界，使晶粒擇優(yōu)方向成長，顯著提高了材料強(qiáng)度和塑性，其微尺度構(gòu)件在航空航天、生物醫(yī)療、汽車電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。揭示單晶材料加工機(jī)理，實(shí)現(xiàn)單晶材料的高精、高效加工對于促進(jìn)我國國防軍工等行業(yè)重要零部件關(guān)鍵加工技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。國內(nèi)外學(xué)者對銅、單晶硅、多晶合金的微銑削進(jìn)行了深入的研究工作，Avila[7]等人通過實(shí)驗(yàn)研究在大進(jìn)給量的情況下，研究切削參數(shù)與毛刺大小的關(guān)系，研究表明切削厚度、切削刃半徑以及刀具的前角和后角是產(chǎn)生毛刺的主要因素。Adams[8]使用直徑為25μm的刀具，分別在鋁、銅和鋼的表面上加工出一系列的微槽，并測得微槽表面粗糙度的值為0.09～0.45μm。Aamazo[9]和Schaller[10]等人在銅、不銹鋼及鑄鐵的微切削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并提出了解決微毛刺的方法，國內(nèi)張欣欣等對鋁合金高速微銑削銑削力與表面粗糙度進(jìn)行了研究[11]，并通過分析獲得質(zhì)量最優(yōu)的工藝參數(shù)，對于單晶鋁的微銑削試驗(yàn)在國內(nèi)外鮮見報道。單晶鋁具有良好的塑性力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于微特征的光學(xué)和電子部件，在微銑削加工條件下，加工系統(tǒng)的諸多因素如刀具幾何參數(shù)、刀具磨損、機(jī)床振動均會對表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，單晶鋁的微觀組織和各向異性結(jié)構(gòu)均會對加工表現(xiàn)質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。因此，針對單晶AL的微銑削進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過極差和方差分析優(yōu)化出合理的微銑削加工工藝方案，并對影響表面粗糙度的原因和微銑削機(jī)理進(jìn)行分析。

1　單晶鋁微銑削試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在微銑床平臺JX-1上進(jìn)行，如圖1a所示，系統(tǒng)采用NSK氣動主軸，X/Y/Z軸工作行程為490mm/490mm/120mm，其最大轉(zhuǎn)速為60000 r/min，主軸徑向和軸向跳動度在0.1μm以內(nèi)，工作臺重復(fù)定位精度±0.2μm；采用VHX-1000E超景深顯微鏡觀察其表面形貌，如圖1b所示；通過STIL激光三維輪廓儀對試驗(yàn)加工后的微溝槽底表面粗糙度值進(jìn)行測量，如圖1c所示，測量精度為0.001μm，其測量范圍為0.02～20μm，如圖1d所示。采用刀具為M.A.FORD整體式雙刃硬質(zhì)合金立銑刀，刀具直徑0.4mm，刀柄直徑3mm，刃長1.2mm，刀具總長38mm。

(a)微銑床　　　　(b)VHX-1000E 超景深顯微鏡

(c)STIL 激光三維輪廓儀　　　　(d)微銑刀

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為單晶鋁，尺寸為10×10×1mm，如圖2所示，單晶鋁為面心立方金屬，只有當(dāng)外力在某個滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，晶體開始屈服，這一滑移系才開始變形。單晶鋁滑移面為{111}，滑移向?yàn)?110>，滑移面面間距最大，位錯強(qiáng)度最小，滑移方向原子間距最短，最易滑移，變現(xiàn)塑性最好。

圖2　單晶鋁

1.3試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)為三因素五水平，即L25(53)。因素的設(shè)定主要考查對切削質(zhì)量有主要影響的切削參數(shù)，即三因素分別為主軸轉(zhuǎn)速n、軸向銑削深度ap和進(jìn)給速度v。如表1所示，由于微銑刀刃徑非常小，為提高銑削效率，必須增大主軸轉(zhuǎn)速，機(jī)床最大轉(zhuǎn)速為60000 r/min，因此主軸轉(zhuǎn)速選擇在12000～48000 r/min間均布；較小的銑刀刃徑容易加工損壞，考慮振動及最小切削厚度的影響，切削參數(shù)即水平的范圍設(shè)定力求小些，銑削深度在5～15μm間均布，進(jìn)給速度在20～100μm/s間均布。

表1　因素水平表

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照正交試驗(yàn)設(shè)定的因素水平，單晶鋁微銑削25組槽試驗(yàn)測量的粗糙度值如圖3所示。

圖3　單晶鋁試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2極差與方差分析

根據(jù)圖3中獲得粗糙度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出極差R和方差V，數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果如表2所示。

表2　單晶鋁表面粗糙度實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果

三種切削參數(shù)下單晶鋁表面粗糙度的極差圖和方差圖如圖4所示。

(a)極差圖　　　　　　　　　(b)方差圖

從圖中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速的極差最大，進(jìn)給速度的其次，而銑削深度的最小，因此可以得出，在單晶鋁表面粗糙度正交實(shí)驗(yàn)中，主軸轉(zhuǎn)速對其微銑削加工中的表面質(zhì)量影響最大，而進(jìn)給速度和銑削深度對其影響較小。優(yōu)化出的工藝組合為：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為36000r/min，銑削深度為10μm，進(jìn)給速度為80μm/s時，表面粗糙度最小，即表面質(zhì)量最好。對此方案重復(fù)3次試驗(yàn)，表面粗糙度值為0.782μm，如圖5所示，對比得知：此方案粗糙度數(shù)值最小、方案最優(yōu)、優(yōu)化合理。

圖5　表面形貌

2.3工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

為了更好地研究單晶鋁各因素對表面粗糙度的影響情況，對各列各水平對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和取平均值，見表2括號中的數(shù)據(jù)，繪制主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進(jìn)給速度三個因素對表面粗糙度的影響情況折線圖，如圖6所示。

(a) 主軸轉(zhuǎn)速對Ra的影響

(b) 銑削深度對Ra的影響

(c) 進(jìn)給速度對Ra的影響

(1) 主軸轉(zhuǎn)速對Ra影響

隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，微銑削溝槽表面粗糙度呈先減少后增大趨勢，如圖6a所示，轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)為36000 r/min，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于36000 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，切屑與前刀面的接觸面有效摩擦減小，縮短了切屑變形時間，切屑在瞬間被切離工件，大部分切削熱由切屑帶走，減小了切削力和產(chǎn)生積屑瘤的可能性，提高了單晶合金的加工精度。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于36000 r/min時，隨著主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，由于系統(tǒng)的剛性，主軸產(chǎn)生一定的震顫，刀具磨損加劇，切削熱不能及時的被帶走，使得其表面質(zhì)量又會變差。

(2) 銑削深度

隨著銑削深度的增加，微銑削溝槽表面粗糙度呈先減少后增大趨勢，如圖6b所示，拐點(diǎn)為10μm，當(dāng)銑削深度較小時，銑削過程不易產(chǎn)生切削，刀具在加工表面產(chǎn)生擠壓和打滑，降低表面粗糙度，當(dāng)銑削深度大于10μm時，隨著銑削深度的增加，切削力幅值波動加大，引起工件、刀具變形，產(chǎn)生切削振動，造成表面粗糙度顯著增大。

(3) 進(jìn)給速度

隨著進(jìn)給速度的增大，微銑削溝槽表面粗糙度呈先增大后減小再增大的趨勢，如圖6c所示。由于微尺度加工最小切削后的的存在，當(dāng)進(jìn)給速度小于40μm/s小時，即每齒進(jìn)給量小于最小切削厚度時，主要造成擠壓和犁耕，銑削力增大，粗糙度較大；當(dāng)每齒進(jìn)給量大于最小切削厚度時，表面粗糙度先減小后增大，進(jìn)給速度大于80μm/s時，增大進(jìn)給量在提高加工效率的同時增大了殘留面積的高度，直接造成了表面粗糙度值的增大。

3　微銑刀磨損

單晶鋁屬于塑性去除材料，經(jīng)過25組微銑削正交實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中微銑刀切削刃有一定量的磨損，如圖7a所示，通過超景深顯微鏡觀察，加工前切削刃口圓弧半徑為0.97μm，刃口尖銳，如圖7b、7c、7d所示，磨損后切削刃圓弧半徑為2.65μm，產(chǎn)生鈍化，從中可以看出，刀尖和切深方向的溝紋磨損是主要的失效形式，每齒進(jìn)給量與刀尖刃口半徑較為接近，前刀面的刀尖附件磨損較為嚴(yán)重，至銑刀中心處磨損量逐漸降低，高速微銑削過程中，在變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的熱和切應(yīng)力，而且變化較為頻繁，刀具容易發(fā)生粘結(jié)劑軟化、刀刃變形和熱裂導(dǎo)致失效，刀具材料表面微粒會被切削粘走造成刀具粘結(jié)磨損。銑削過程中，隨著刀具磨損量的增加，磨損后的刀具刃口半徑會急劇增大，摩擦系數(shù)增大，銑削力及切削刃增大及機(jī)床震顫，降低表面粗糙度。因此在銑削難加工材料時，應(yīng)適當(dāng)更換刀具，以減少刀具磨損對工件質(zhì)量的影響。

(a) 原始端刃　　　　　　 (b) 磨損端刃

(c) 磨損刃口　　　　　　(d) 磨損測量

4　結(jié)論

(1) 采用直徑為0.4mm的硬質(zhì)合金立銑刀，對單晶鋁進(jìn)行微銑削的三因素五水平正交試驗(yàn)，探究加工參數(shù)對表面粗糙度影響機(jī)理，得出對加工表面粗糙度影響因素主次依次為：主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度、進(jìn)給速度。

(2) 通過極差和方差分析，獲得優(yōu)化工藝方案組合，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為36000r/min，銑削深度為10μm，進(jìn)給速度為80μm/s時，表面粗糙度最小，表面粗糙度值為0.782μm。

(3) 刀具直徑小，剛度差，通過磨損刃口量前后對比，得出刀尖和切深方向溝紋為主要磨損形式，磨損后的的刀具對零件微銑削表面粗糙度產(chǎn)生一定的影響，在銑削難加工材料條件下，應(yīng)更換刀具以保證零件加工質(zhì)量。

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(編輯李秀敏)

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Experimental Study on Surface Roughness in High Speed Micro Milling of Single Crystal Aluminum

Micro milling is widely used as one way of machining micro components and features with high precision and efficiency. In order to study the micro milling surface quality of single crystal AL, the two-edged carbide alloy micro-milling tool with 0.4mm diameter was used, and the orthogonal experiment of three factors and five levels was conducted on the micro-milling of single crystal AL, through the analysis of variance and range, the primary and secondary factor which impacting on surface quality were found, the influence of spindle speed is the biggest, followed is the milling depth, the feed rate is minimal, the influence rules of cutting parameters on micro milling surface were discussed; the ideal combination of optimized process parameters were obtained, when the speed spindle is 36000r/min, the milling depth is 10μm,the feed rate is 80μm/s, which made the milling surface roughness is 0.782μm and minimal. Those can provide a certain theoretical and experimental basis for micro milling of single crystal materials.

micro milling; single crystal materials; surface roughness; orthogonal experiment

1001-2265(2016)09-0017-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.005

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375082)；遼寧省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)

高奇(1981—)，男，遼寧錦州人，東北大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)槲⒊叨燃庸ぃ?E-mail)qqonline@163.com。

TH161；TG506

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