王 飛，程 祥，鄭光明，劉原勇

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255000）

1 引言

隨著當今機械裝置精密化、小型化的發(fā)展趨勢，微小型零件的應用越來越廣泛[1]。其中，微型薄壁由于體積小、質量輕，被廣泛應用于航空電子、醫(yī)療器械、國防等領域，且這些領域對薄壁加工的尺寸精度、表面質量等要求很高[2]。然而，薄壁因其結構特征，加工過程極易受力變形，加工性較差。因此，微細加工領域具有加工過程受力小、加工材料范圍廣等優(yōu)點的微細銑削技術，成為微型薄壁加工的關鍵技術之一[3-4]。目前，針對微細銑削微型薄壁的研究正處于國際研究的前沿。

國內外學者針對不同材料的薄壁傳統(tǒng)銑削過程中的加工變形[5]、加工振動[6]、銑削穩(wěn)定性、顫振[7]以及銑削參數(shù)等做了大量的研究，這些研究與微細銑削薄壁的研究存在共性，為微細銑削的研究奠定了基礎，但是不能算作嚴格意義上微細銑削薄壁研究。針對微細銑削薄壁的研究，國內外的學者把重點更多放在了銑削參數(shù)、銑削方式、加工工藝等對薄壁的加工質量的影響上。文獻[8]對薄壁微細銑削的研究進行了分類，一類是基于銑削力的研究，即間接的研究銑削參數(shù)與加工質量之間的關系；另一種則是不基于銑削力的研究，即銑削參數(shù)對加工質量的影響不需要借助于銑削力而直接分析得到。同時，作者基于前一種研究方法，研究了薄壁厚度、銑削策略、刀具路徑等對薄壁加工質量的影響[9]。文獻[10]采用有限元仿真建立了微型薄壁銑削過程中的變形預測模型，并通過試驗與仿真驗證了模型的準確性，研究發(fā)現(xiàn)薄壁變形量隨著薄壁厚度的增加而減小。文獻[11]分析了大高厚比薄壁的加工性，探究了銑削力與加工穩(wěn)定性對薄壁變形的影響，并得到了關鍵銑削參數(shù)對加工變形的影響。文獻[12]針對黃銅和鋁合金兩種材料，研究了銑削路徑、加工參數(shù)對不同材料加工質量的影響，并得到了兩種材料對應的最優(yōu)的加工方式。文獻[13]通過仿真，研究了力與薄壁變形之間的關系，并發(fā)現(xiàn)微細銑削黃銅時，順銑得到的薄壁質量要比逆銑好。文獻[14]采用仿真與試驗相結合的方法，基于加工過程中的銑削力，研究了微細銑削薄壁過程中切削參數(shù)對薄壁尺寸誤差的影響，發(fā)現(xiàn)微細銑削薄壁時采用小進給大切深微細銑削薄壁能夠獲得較小的尺寸誤差。

其他條件一定的情況下，薄壁的加工質量主要受到參數(shù)與工藝的影響。軸向切深與走刀次數(shù)是一對相關聯(lián)的參數(shù)與工藝因素，且這兩個因素對薄壁加工質量有著不可忽視的影響。然而，基于此的研究幾乎沒有。因此，針對薄壁的尺寸誤差，展開了參數(shù)與工藝的試驗研究。首先，通過單因素對比試驗，探究了軸向切深對薄壁加工質量以及走刀次數(shù)對銑削力、尺寸精度的影響；再次通過薄壁制造的定參數(shù)、定高度試驗，揭示了走刀次數(shù)、銑削參數(shù)對薄壁尺寸誤差的影響規(guī)律。最后，獲得了具有一定高厚比且尺寸精度較高的微型薄壁。

2 試驗材料

微細銑削薄壁試驗所用機床為自主研發(fā)設計的微細加工數(shù)控機床3A-S100[15]，如圖1 所示。該機床的主軸為轉速可以調節(jié)的電主軸，最高轉速為每分鐘80，000 轉，機床的軸向跳動與徑向跳動均小于1μm。機床三個軸的運動驅動為直線電機，運動分辨率為0.1μm。試驗所用的測力裝置主要包括9257B 三向壓電原理測力儀、5070A10100 四通道電荷放大器。試驗結束后，薄壁的尺寸測量采用掃描電子顯微鏡SEM 測量，如圖2 所示。試驗采用的刀具為直徑0.5mm 的雙刃涂層硬質合金立銑刀。工件材料為黃銅H59，試驗樣本為長12mm，寬10mm，高10mm 的長方體黃銅條，根據(jù)試驗設計將在其上銑削厚度為50μm，長度為4mm 的薄壁特征。

圖1 微細加工機床Fig.1 Micromachining Machine Tool

圖2 掃描電子顯微鏡Fig.2 Scanning Electron Microscope

3 單因素對比試驗

3.1 試驗設計

為了研究軸向切深對薄壁加工質量的影響，同時探究改變走刀次數(shù)時，不同走刀次數(shù)間銑削力的關系以及走刀次數(shù)對薄壁尺寸精度的影響。按照單因素試驗原則，設計并展開了兩組改變軸向切深的微細銑削試驗。兩組試驗的參數(shù)選擇，如表1 所示。

表1 兩組試驗參數(shù)選擇Tab.1 Parameter Section for Two Group Experiments

兩組試驗作為對照組，只有薄壁兩側的走刀次數(shù)不同。第一組試驗中薄壁兩側一次走刀，即薄壁的高度與對應的軸向切深相同；第二組試驗中所有的薄壁高度均為60μm，即不同的軸向切深對應的走刀次數(shù)不同。第一組試驗旨在研究軸向切深對薄壁加工過程中銑削力以及薄壁尺寸誤差的影響，其中，銑削力為與薄壁垂直的X向銑削力，尺寸誤差指的是薄壁加工完后實際的厚度尺寸與理想厚度之間的絕對差值。作為第一組試驗走刀次數(shù)不同的對照組，第二組試驗進行的目的有兩個：一是研究多次走刀時，銑削力是否有差距；二是探究微細銑削薄壁過程中多次走刀帶來的定位誤差的影響。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 試驗銑削力

試驗結束后，將穩(wěn)定銑削狀態(tài)下X向銑削力的數(shù)據(jù)導出求平均值，該平均值用于后續(xù)的分析。第一組試驗中銑削力與軸向切深的關系，如圖3 所示。改變軸向切深時，銑削力隨著軸向切深的增加呈現(xiàn)單調增加的趨勢。

圖3 銑削力與軸向切深關系Fig.3 Milling Force vs. Axial Depth of Cut

表2 多次走刀銑削力的結果分析Tab.2 Result Analyses of Milling Force for Multiple Feed

第二組試驗中，將對應于不同軸向切深的每次走刀的X向銑削力導出，按照相同的處理計算方式，計算出平均值作為最終銑削力。為了更直觀的看到走刀次數(shù)對銑削力的影響，計算了銑削力方差。不同軸向切深對應的銑削力的大小及相同參數(shù)下銑削力的均值、方差情況，如表2 所示。由表2 的結果分析可以得出結論：微細銑削黃銅軟材料薄壁過程中，小軸向切深多次走刀時，每刀的銑削力變化很小，即銑削參數(shù)相同時，適當?shù)亩啻巫叩秾︺娤髁Υ笮〔粫斐捎绊憽?/p>

3.2.2 尺寸誤差

加工得到的薄壁采用SEM 測量實際尺寸時，為了減少測量誤差，每個薄壁選取8 個不同位置進行多次測量取平均值。第二組試驗得到的薄壁，如圖4 所示。可以看到，采用軸向切深ap=15μm、走刀4 次獲得的薄壁b與采用軸向切深ap=20μm、走刀3次獲得的薄壁c 的實際尺寸均與理想尺寸很接近，而且這兩個薄壁兩側毛刺很少，表面光滑，加工質量比較理想。第一組試驗得到的薄壁，實際尺寸偏大且均大于薄壁的理想尺寸。將兩組試驗獲得薄壁的實際尺寸和尺寸誤差繪制成折線圖，如圖5、圖6 所示。如圖5 所示，兩組試驗的實際尺寸隨著軸向切深的增加呈現(xiàn)單調上升的趨勢，且多次走刀時實際尺寸的變化幅度大于一次走刀時的變化范圍。具體的分析，相同參數(shù)縱向對比，發(fā)現(xiàn)多次走刀的實際尺寸全部小于一次走刀的實際尺寸。這是由于多次走刀增大了定位誤差，導致實際尺寸減小。單個曲線橫向觀察，隨著軸向切深增大，銑削力增大，刀具偏移量增大，所加工薄壁的實際尺寸增大。尺寸誤差與軸向切深的關系，如圖6 所示?？梢钥吹?，隨著軸向切深的增加，一次走刀與多次走刀的尺寸誤差變化趨勢一致。尺寸誤差隨著軸向切深的增大先下降后上升，而且均在ap=15μm、ap=20μm 處發(fā)生了轉折。同時，多次走刀時的尺寸誤差均小于一次走刀的尺寸誤差，一次走刀尺寸誤差變化波動較小，多次走刀尺寸誤差的變化范圍較大。實際尺寸在ap=20μm 之前小于理想尺寸，所以尺寸誤差會在軸向切深ap=15μm、ap=20μm 處取得極小值。這說明一定范圍內，適當增大走刀次數(shù)可以減小尺寸誤差。

圖4 多次走刀時的薄壁特征（a）ap=10μm；（b）ap=15μm；（c）ap=20μm；（d）ap=30μmFig.4 Thin Walls Fabricated by Multiple Feed

圖5 實際尺寸與軸向切深的關系Fig.5 Actual Size vs. Axial Depth of Cut

圖6 尺寸誤差與軸向切深的關系Fig.6 Dimensional Error vs. Axial Depth of Cut

4 薄壁制造試驗

基于以上的研究結果，為了更精確的得到走刀次數(shù)與尺寸誤差的關系，文章設計并進行了具有一定高厚比薄壁的制造試驗。該試驗分為兩個部分，第一部分為定參數(shù)試驗，即通過相同的加工參數(shù)依次增加走刀次數(shù)，探究走刀次數(shù)對尺寸誤差，以及參數(shù)對尺寸誤差的影響；第二部分為定高度試驗，即預先設定好薄壁的高度，采用不同的走刀次數(shù)（選擇不同的軸向切深）加工高度相同的薄壁，探究是否存在適當走刀次數(shù)以及不同高度的薄壁最佳走刀次數(shù)是否相同。

薄壁制造試驗中不變參數(shù)（主軸轉速、每齒進給量以及徑向切深）、所用刀具以及試驗材料與單因素對比試驗中保持一致。

4.1 試驗結果及分析

綜合考慮以上研究目的后，針對薄壁制造所做的試驗設計，如表3 所示。

表3 薄壁制造試驗設計Tab.3 Thin-Wall Fabrication Experiments Design

定參數(shù)的試驗中，軸向切深值設定為60μm、100μm 以及200μm，分別依次增加走刀次數(shù)，獲得高度不同的薄壁；而在定高度試驗中，設定薄壁的最終高度分別為60μm、300μm 以及600μm，通過依次增加走刀次數(shù)，即采用對應的軸向切深而獲得相應高度的薄壁，如表3 所示。分別將試驗結果，繪制成折線圖，如圖7、圖8 所示。如圖7 所示，相同參數(shù)多次走刀，依次增加薄壁高度，三條曲線的變化趨勢是一致的。即加工參數(shù)固定時，隨著走刀次數(shù)的增加（薄壁高度的增高），薄壁的尺寸誤差呈現(xiàn)單調上升的趨勢。軸向切深ap=60μm 時，尺寸誤差的增長幅度較??；而ap=100μm 和ap=200μm 時，隨著走刀次數(shù)增加薄壁尺寸誤差急劇增加。軸向切深越大，薄壁尺寸誤差增長幅度越大，這是因為微細銑削過程中軸向切深越大，切削過程中薄壁受力越大，薄壁變形越大，每次走刀時對薄壁尺寸精度的影響越大。如圖8 所示，采用不同的走刀次數(shù)（軸向切深）加工高度相同的薄壁時，三條曲線都出現(xiàn)了轉折點。當薄壁高度為60μm，隨著走刀次數(shù)的增加，薄壁的尺寸誤差先下降后上升，走刀次數(shù)為3 或4 時，尺寸誤差較小；當薄壁高度為300μm 時，薄壁的尺寸誤差先下降后波動變化；當薄壁的高度為600μm 時，尺寸誤差隨著走刀次數(shù)的增加先下降后上升，并當走刀次數(shù)3 或者4 時，薄壁尺寸精度較好。綜合分析可知，即對于定高度的薄壁，存在最佳的走刀次數(shù)使得薄壁的尺寸誤差最小。

圖7 定參數(shù)試驗結果Fig.7 Results for the Parameters-Constant Experiment

圖8 定高度試驗結果Fig.8 Results for the Height-Constant Experiment

4.2 薄壁特征

為了驗證以上結論的準確性，不改變試驗條件與銑削參數(shù)，加工得到了大高厚比的薄壁。針對尺寸誤差的測量方法與前面分析中不同，由于薄壁高度的增加，薄壁的實際尺寸為采用SEM 拍照的側視圖中的薄壁上端、中部以及底部的尺寸的平均值，尺寸誤差為該平均值與理想厚度50μm 的差值。采用軸向切深200μm，通過3 次走刀獲得了高厚比為12、尺寸誤差為7.2μm 的薄壁，如圖9（a）所示。采用軸向切深300μm，經過3 次走刀獲得了高厚比為18、尺寸誤差為6.0μm 的薄壁，如圖9（b）所示。

圖9 微細銑削的薄壁特征Fig.9 Thin Walls by Micromilling

5 結論

探究了走刀次數(shù)以及銑削參數(shù)對薄壁加工尺寸精度的影響。單因素對比試驗發(fā)現(xiàn)，多次下刀對銑削力基本無影響，但是可以有限的減小薄壁的尺寸誤差。薄壁制造試驗結果顯示，切削參數(shù)不變時，薄壁尺寸誤差隨著走刀次數(shù)增加而單調增大，而且軸向切深越大，上升幅度越明顯；當薄壁高度一定時，存在最佳的走刀次數(shù)使得薄壁的尺寸誤差最小。這表明，薄壁的尺寸誤差受到銑削參數(shù)以及走刀次數(shù)的綜合影響，合適的銑削參數(shù)結合恰當?shù)淖叩洞螖?shù)，能夠獲得較高的加工尺寸精度。因此，實際加工中，可以通過參數(shù)優(yōu)化以及走刀次數(shù)優(yōu)化來獲得尺寸精度較高的薄壁件。