趙仁瀚，李蓓智，楊建國(guó)

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

航空鋁合金是一種新型的高強(qiáng)度鋁合金，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)上機(jī)翼和水平尾翼等航空結(jié)構(gòu)件中，因而一直為飛機(jī)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員所關(guān)注，有關(guān)航空鋁合金的切削加工性能的研究也為學(xué)術(shù)界所重視[1]。航空鋁合金航空結(jié)構(gòu)件主要通過銑削加工制得，而金屬在銑削加工過程中均會(huì)出現(xiàn)切削力和切削熱，因此會(huì)加速刀具的磨損，同時(shí)也影響到工件的加工質(zhì)量[2-3]。王素玉、蘇玉龍等[4-5]對(duì)加工過程中鋁合金表面粗糙度的變化以及加工工藝情況進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述，王濤、陳錦江等[6-7]對(duì)加工過程中的銑削力變化進(jìn)行的分析和研究，張欣欣[8]對(duì)微細(xì)銑削加工過程中的表面粗糙度變化情況進(jìn)行了分析和研究；在文獻(xiàn)[9]中針對(duì)鋁合金在順銑情況下的表面粗糙度模型展開了深入的探索。但是，目前的研究主要局限于單因素對(duì)加工目標(biāo)的影響情況，忽略了多因素對(duì)加工對(duì)象的綜合影響情況，經(jīng)常出現(xiàn)由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)而造成零件的加工質(zhì)量較差的情況[10-11]；另外，目前針對(duì)工藝參數(shù)中進(jìn)給速度的研究主要集中在1000mm/min以下，對(duì)于1000mm/min以上的進(jìn)給速度研究不多。因此，針對(duì)航空鋁合金的銑削加工中，在進(jìn)給速度大于1000mm/min的前提下進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化搭配方法以及材料去除率情況的研究，是航空鋁合金銑削加工技術(shù)研究的一個(gè)重要方面。如何選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方式，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度和銑削力的最小化是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)[12-13]。

為了解決鋁合金的工藝參數(shù)優(yōu)化問題，本文基于實(shí)驗(yàn)法，通過在6061鋁合金工件上進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)，研究分析不同刀具材料和不同工藝參數(shù)對(duì)銑削力、表面粗糙度以及材料去除率的作用規(guī)律，從而針對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，確定在不同的加工要求下，選擇不同的工藝參數(shù)組合，提高工件加工精度以及材料去除率，從而可以根據(jù)不同的加工目標(biāo)，提出不同的加工工藝方案，達(dá)到提高工件表面加工質(zhì)量、加工效率以及減小刀具磨損的目的，為航空鋁合金的實(shí)際生產(chǎn)加工提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

(1)切削加工機(jī)床采用日本森精機(jī)車削中心立式車床精機(jī)Eco-Mill 635 V立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速范圍：0～10000rpm，最大進(jìn)給速度：30m/min，電主軸功率13kW，符合本次實(shí)驗(yàn)的切削加工要求。

(2)切削刀具選用平頭立式硬質(zhì)合金銑刀，直徑8mm，前角15°，后角12°，螺旋角45°，刀刃個(gè)數(shù)為3。

(3)測(cè)量表面粗糙度儀器采用JB-4C型表面粗糙度測(cè)試儀，JB-4C精密粗糙度儀是一種高精度觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x器，其分辨率為0.01μm，取樣長(zhǎng)度為0.8mm，滿足本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求，為減小誤差，每個(gè)加工表面取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，取平均值。

(4)采用 Kistler的三向動(dòng)態(tài)壓電測(cè)力儀、5070A 電荷放大器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量與記錄銑削力。

(5)試件選用6061航空鋁合金，該鋁合金具有良好的可成型性、可焊接性以及可加工性，同時(shí)具有中等強(qiáng)度，是目前在飛機(jī)、航空器方面應(yīng)用最廣泛的鋁合金，因此，采用該種材料作為本次實(shí)驗(yàn)材料，該試件長(zhǎng)×寬×高分別是55mm×30mm×30mm。

(6)切削方式采用銑平面、干切削加工、順銑。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募胺桨?/h3>

本文以6061航空鋁合金為加工對(duì)象，針對(duì)不同的刀具材料以及不同的工藝參數(shù)組合方式，研究不同工藝參數(shù)的組合對(duì)不同加工目標(biāo)的綜合影響情況，找出不同目標(biāo)下的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。本次切削加工實(shí)驗(yàn)選取主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度以及切削深度三個(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的輸入量，選擇銑削力和表面粗糙度的大小作為實(shí)驗(yàn)的輸出量，選擇不同刀具材料、不同的工藝參數(shù)組合來研究表面粗糙度和銑削力隨工藝參數(shù)的變化情況，通過數(shù)據(jù)比對(duì)，找出對(duì)表面粗糙度和銑削力最有利的工藝參數(shù)組合以及最優(yōu)刀具材料，針對(duì)不同的加工要求，選擇不同的工藝參數(shù)組合方式，從而實(shí)現(xiàn)較高的加工精度、較大的材料去除率以及較小的刀具磨損，實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)表如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)表(兩種刀具材料參數(shù)相同)

3 不同目標(biāo)的影響分析

3.1 工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響分析

圖1～圖3分別是不同刀具材料在不同工藝參數(shù)下對(duì)工件表面粗糙度的影響情況，由上三個(gè)圖可以看出，對(duì)于TIALN涂層刀具而言，轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.467μm減小至0.363μm(即減小22%)；在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.467μm增大至0.527μm(即增大13%)；當(dāng)進(jìn)給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.342μm增大至0.527μm(即增大54%)。因此，經(jīng)過對(duì)比可知，主軸轉(zhuǎn)速增大，則表面粗糙度減?。贿M(jìn)給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度增大，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于低速時(shí)，工件已加工表面形成較慢，如果增大進(jìn)給速度和切削深度，會(huì)出現(xiàn)工件表面的切削工作還未完成，刀具和工件就發(fā)生移動(dòng)，使得工件表面出現(xiàn)撕裂的情況，導(dǎo)致已加工表面不是切削形成的，而是撕裂造成的，因此，當(dāng)進(jìn)給速度和切削深度增大時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度的增大。其工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.363μm減小至0.284μm(即減小22%)；當(dāng)進(jìn)給速度由1600mm/min增大至3200mm/rmin時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.284μm增大至0.379μm(即增大25%)。因此，經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min時(shí)，進(jìn)給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度減小，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于高速時(shí)，工件已加工表面形成較快，此時(shí)適當(dāng)提高切削深度，不會(huì)出現(xiàn)撕裂的情況，使得加工表面形成較順利，因此，切削深度增大時(shí)，表面粗糙度會(huì)減小。其工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度。

圖1 不同刀具材料在不同切削深度下的表面粗糙度對(duì)比

圖2 不同刀具材料在不同進(jìn)給量下的表面粗糙度對(duì)比

圖3 不同刀具材料在不同轉(zhuǎn)速下的表面粗糙度對(duì)比

對(duì)于硬質(zhì)合金刀具而言，在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.268μm增大至0.291μm(即增大8.6%)；當(dāng)進(jìn)給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.177μm增大至0.291μm(即增大64%)，因此，經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min時(shí)，進(jìn)給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度增大，其原因與低速時(shí)TIALN涂層刀具相同，在此不再贅述，其工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度>切削深度。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.302μm減小至0.263μm(即減小13%)；當(dāng)進(jìn)給速度由0.2mm/rpm增大至0.4mm/rpm時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.145μm增大至0.263μm(即增大81%)，因此，經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min時(shí)，進(jìn)給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度減小，其原因與高速時(shí)TIALN涂層刀相同，在此不再贅述。工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度>切削深度。當(dāng)轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(shí)(即增大100%)，表面粗糙度由0.177μm減小至0.145μm(即減小18%)，而且工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析可得：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在8000r/min，進(jìn)給速度為1600mm/min，切削深度為0.2mm時(shí)，工件的表面質(zhì)量最好，其表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.14μm，此工藝參數(shù)的材料去除率可以達(dá)到46310mm3/min，其加工精度和加工效率均優(yōu)于低速加工的情況，因此，在選擇工藝參數(shù)時(shí)，若以降低表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)，工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、大切深，該工藝參數(shù)組合既可以使工件加工表面獲得良好的加工質(zhì)量以及較高的加工精度，又可以通過適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速以及切削深度，在保證加工質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的材料去除率。

3.2 工藝參數(shù)對(duì)銑削力的影響分析

圖4～圖6分別是不同刀具材料在不同工藝參數(shù)下對(duì)銑削力的影響情況，由上3個(gè)圖可以看出，對(duì)于TIALN涂層刀具而言，轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由17N(X)，45N(Y)，22N(Z)減小至15N(X)20N(Y)15N(Z)(即分別減小12%，55%，32%)；在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由17N(X)，45N(Y)，22N(Z)增大至30N(X)70N(Y)20N(Z)(即分別增大76%，55%，9%)；當(dāng)進(jìn)給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由34N(X)，80N(Y)，22N(Z)減小至30N(X)70N(Y)20N(Z)(即分別減小12%，13%，9%)。因此，經(jīng)過對(duì)比可知，主軸轉(zhuǎn)速增大，則三個(gè)方向的銑削力均減小；進(jìn)給速度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于低速時(shí)，表面不容易被切除，切削時(shí)產(chǎn)生的切削抗力較大；當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，刀具的移動(dòng)速度增大，容易出現(xiàn)表面材料撕裂的情況，因此銑削力會(huì)隨之增大；當(dāng)切削深度增大時(shí)，需要切除的材料增多，金屬去除量增大，因此刀具所受的銑削力也增大。工藝參數(shù)對(duì)銑削力的影響權(quán)重是：切削深度>進(jìn)給速度=主軸轉(zhuǎn)速(X方向)，主軸轉(zhuǎn)速=切削深度>進(jìn)給速度(Y方向)，主軸轉(zhuǎn)速>進(jìn)給速度=切削深度(Z方向)。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由15N(X)，20N(Y)，15N(Z)增大至35N(X30N(Y20N(Z(即分別增大133%,50%,33%)；當(dāng)進(jìn)給速度由1600mm/min增大至3200mm/min時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由15N(X)，21N(Y)，11N(Z)增大至35N(X)30N(Y)20N(Z)(即分別增大133%，43%，43%)；因此，經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min時(shí)，進(jìn)給速度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于高速時(shí)，表面容易被切除，表面形成順利，切削時(shí)產(chǎn)生的切削抗力變小；當(dāng)進(jìn)給速度增大和切削深度增大時(shí)的變化原因與低速時(shí)相同，在此不再贅述。工藝參數(shù)對(duì)三個(gè)方向銑削力的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度=切削深度(X方向)，切削深度>進(jìn)給速度(Y方向)，進(jìn)給速度>切削深度(Z方向)。

圖4 不同刀具材料在不同切削深度下的銑削力比較

圖5 不同刀具材料在不同進(jìn)給量下的銑削力比較

圖6 不同刀具材料在不同轉(zhuǎn)速下的銑削力比較

對(duì)于硬質(zhì)合金刀具而言，在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由16N(X)，15N(Y)，11N(Z)增大至22N(X)27N(Y)15N(Z)(即分別增大38%，80%，36%)；當(dāng)進(jìn)給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由16N(X)，17N(Y)，10N(Z)增大至22N(X)27N(Y)15N(Z)(即分別增大38%，59%，50%)，因此，經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min時(shí)，進(jìn)給速度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大，其原因和TILAN涂層刀具在低速時(shí)相同，在此不再贅述。而且工藝參數(shù)對(duì)銑削力的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度=切削深度(X方向)，切削深度>進(jìn)給速度(Y方向)，進(jìn)給速度>切削深度(Z方向)。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由10N(X)，11N(Y)，8N(Z)增大至20N(X)17N(Y)11N(Z)(即分別增大100%，55%，38%)；當(dāng)進(jìn)給速度由1600mm/min增大至3200mm/min時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由15N(X)，13N(Y)，9N(Z)增大至20N(X)17N(Y)11N(Z)(即分別增大33%，31%，22%)，因此，經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min時(shí)，進(jìn)給速度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大。而且工藝參數(shù)對(duì)銑削力的影響權(quán)重是：進(jìn)給速度>切削深度(X方向)，進(jìn)給速度>切削深度(Y方向)，進(jìn)給速度>切削深度(Z方向)。當(dāng)轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(shí)(即增大100%)，銑削力的平均值分別由22N(X)，27N(Y)，15N(Z)減小至20N(X)17N(Y)11N(Z)(即分別減小9%，37%，27%)；因此，經(jīng)過對(duì)比可知，主軸轉(zhuǎn)速增大，則三個(gè)方向的銑削力均減小；進(jìn)給速度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個(gè)方向的銑削力均增大，其原因和TIALN涂層刀具在高速時(shí)相同，在此不再贅述。工藝參數(shù)對(duì)三個(gè)方向銑削力的影響權(quán)重是：切削深度=進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速(X方向)，切削深度>進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速(Y方向)，進(jìn)給速度>切削深度>主軸轉(zhuǎn)速(Z方向)。

因此，若以減小銑削力、提高刀具耐用度為目的，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、小切深時(shí)，加工產(chǎn)生的銑削力最小，分別是10N(X)，11N(Y)，7N(Z)。該工藝參數(shù)組合可以使刀具在切削加工過程中所受的銑削力最小，不僅可以減小刀具的磨損，延長(zhǎng)刀具壽命，降低加工成本，同時(shí)可以通過適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速，在保護(hù)刀具的前提下，達(dá)到提高材料去除率的目的。

4 結(jié)果與結(jié)論

基于上述分析，研究了不同工藝參數(shù)組合對(duì)工件表面的影響情況，可以根據(jù)被加工零件的質(zhì)量要求、加工效率和刀具壽命等要求，進(jìn)行高速銑削工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要結(jié)果與結(jié)論如下：

(1)在加工工程中，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度對(duì)表面粗糙度的影響大小是：進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，如果需要減小表面粗糙程度，則應(yīng)該先減小進(jìn)給速度，其次減小主軸轉(zhuǎn)速，最后減小切削程度。

(2)當(dāng)以表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，最佳刀具材料為硬質(zhì)合金刀具，工藝參數(shù)最優(yōu)組合為高轉(zhuǎn)速，小進(jìn)給，大切深，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，進(jìn)給速度為1600mm/min，切削深度為0.2mm時(shí)，工件的表面質(zhì)量最好，表面粗糙度Ra為0.14μm，同時(shí)材料去除率可以達(dá)到46310mm3/min，該參數(shù)組合與目前研究的其他銑削參數(shù)加工出的表面粗糙度相比較而言，不僅進(jìn)一步提高了零件的表面粗糙度，而且材料去除率也是較高的一組，證明進(jìn)給速度在大于1000mm/min的前提下，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化組合依然可以保證良好的加工質(zhì)量，從而可以實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量和加工效率的完美統(tǒng)一。

(3)當(dāng)以銑削力為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，工藝參數(shù)最優(yōu)組合為高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給、小切深，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，進(jìn)給速度為1600mm/min，切削深度為0.05mm時(shí)，銑削力分別是10N(X)，11N(Y)，7N(Z)，該工藝參數(shù)組合下的銑削力最小，對(duì)刀具的磨損影響最小，采用該組工藝參數(shù)，可以達(dá)到延長(zhǎng)刀具壽命，降低加工成本的目的。

本文的研究彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工中通過改變單個(gè)工藝參數(shù)來影響某加工屬性的情況，找出了不同加工要求下工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，從而可以為航空鋁合金的實(shí)際生產(chǎn)加工提供一定的參考和借鑒，有利于實(shí)現(xiàn)航空鋁合金高效、快捷的批量化生產(chǎn)。