吳明明，楊之政

(安徽三聯(lián)學院 機械工程學院，安徽 合肥 230061)

工業(yè)生產通過選擇合適的材料和工藝方法來提高產品質量，以滿足越來越高的應用要求。鋁是一種輕質材料，具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐熱性和機械性能，在許多工程應用領域中取代了鋼材，如汽車和航空航天部件、導彈部件、存儲容器、海洋應用等[1]。6061鋁合金是一種可熱處理的重要材料，研究人員已經(jīng)多次嘗試通過改進材料的組成或選擇合適的加工工藝參數(shù)來優(yōu)化制造工藝過程。可加工性是材料加工的容易性，其性能指標包括材料去除率(MRR)、特定能耗、表面粗糙度、工具壽命等。在制造過程中，當工件表面粗糙度達到工藝要求，則希望通過增加MRR來提高生產率[2]。鑒于這些因素，本文以提高材料去除率(MRR)為研究目標，通過分析切削三要素對材料去除率的影響，為實現(xiàn)材料切削過程經(jīng)濟性的提高提供理論基礎。

1 車削實驗

1.1 實驗條件

機床：選擇來自南京某機床廠家生產的CJK6130型數(shù)控車床，該數(shù)控車床屬于經(jīng)濟型機床，加工精度中等，最大加工回轉半徑300mm，數(shù)控系統(tǒng)為華中世紀星21T系統(tǒng)，最大主軸轉速3000r/min。

工件：6061鋁合金含有95%的鋁，以及其他元素，如鐵、硅、銅、錳、鎂、鎂、鉻等，該材料具有優(yōu)異的機械加工性能和耐腐蝕性，同時也具有良好的可焊性，因此得到廣泛的應用，本研究選擇毛坯尺寸為Φ40×150mm。

刀具：碳化硅刀具，刀尖圓角半徑0.4mm。

1.2 實驗設計

1.2.1 切削參數(shù)

根據(jù)6061鋁合金材料特性和長徑比，結合《金屬切削手冊》推薦切削參數(shù)范圍，綜合考慮刀具、機床因素，對切削三要素設置三個因素水平，選擇6061鋁合金切削參數(shù)水平如表1所示[3]。

表1 6061鋁合金切削參數(shù)水平表

1.2.2 田口實驗

在本實驗中，主要分析切削三個因素(切削速度v、進給速度f、切削深度ap)對加工材料去除率的影響。為提高實驗結果的準確性，減小實驗誤差，每組實驗進行兩次，取兩組實驗的平均值計入實驗結果。此外，為減少加工過程中切削熱、干摩擦等現(xiàn)象對材料去除率影響，實驗過程中使用SAE40冷卻液進行切削冷卻。

田口方法要一種低成本、高效益的質量工程方法，它強調產品質量或效率的提升不是通過檢驗，而是通過實驗設計。田口方法的優(yōu)勢在于以最小的實驗次數(shù)獲得最理想的實驗效果。本研究實驗采用田口方法，對于本研究三因素三水平的實驗方案，確定設計實驗方案為L9正交數(shù)組，三個因素分別用“A”—切削深度、“B”—切削速度、“C”—進給速度表示，每個因素有三個水平，分別用“1”、“2”、“3”表示，其中“1”為最低水平，“3”為最高水平。材料去除率(MRR)計算通過重量損失法確定[4]，實驗設計及實驗結果如表2所示。

表2 實驗設計及實驗結果

2 結果與分析

2.1 切削參數(shù)對材料去除率的影響

本研究圍繞切削速度、進給速度、切削深度等切削工藝參數(shù)對材料去除率(MRR)的影響進行分析。為了評估實驗結果的可變性，本研究采用信噪比計算不同因素水平的影響[5]。

信噪比是指一個電子設備或者電子系統(tǒng)中信號與噪聲的比例，通常情況下信噪比值越高越好。在試驗設計中采用信噪比分析是日本科學家田口玄一在1957年提出的，經(jīng)過多年的科學試驗驗證，已被廣泛應用于試驗結果分析。在本研究中，每個因素(切削速度、進給速度、切削深度)對響應(材料去除率)的影響也在同一表中以變化量Δ的形式顯示。根據(jù)變化量Δ值大小，將因素水平按其影響的升序排列，如表3所示。在選擇的切削參數(shù)(切削速度、進給速度、切削深度)中，進給速度因子具有最大的信噪比，這說明進給速度是切削加工中對材料去除率影響最大的工藝參數(shù)，其次是切削深度和切削速度。由于三個切削參數(shù)對材料去除率均有較為明顯的影響，因此當三個切削參數(shù)均在“水平3”時，材料去除率達到最大。

表3 三因素信噪比平均值

圖1顯示了切削三要素——切削速度、進給速度、切削深度對材料去除率信噪比平均值的主效應圖。從圖中可以看出，當切削速度為 429m/min、進給速度為0.15mm/rev、切削深度2mm時，取得較大的材料去除率(MRR)。由于這種工藝參數(shù)組合會產生最大的信噪比，因此這些設置可以被視為工藝參數(shù)的最佳設置。

圖1 三個因素參數(shù)對材料去除率MRR影響

方差分析又稱F值檢驗，常用于兩個及兩個以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗，其分析方法是將全部數(shù)據(jù)關于總平均值的方差分解成幾個部分，每一部分表示方差的一種來源，將各種來源方差進行比較，從而判斷實驗各有關因素(切削速度、切削深度、進給速度)對實驗結果的影響大小。表4顯示了實驗結果的方差分析情況。在95%的置信水平下，采用方差分析(F檢驗)來評估每個因素影響的顯著性。通過表4參數(shù)可以看出，所有選擇工藝參數(shù)的F值高于標準表的 F臨界值。因此，所有選擇的工藝參數(shù)都是影響顯著工藝參數(shù)，都對材料去除率都有一定的影響，其中進給速度因子的影響最為顯著[6]。

表4 實驗數(shù)據(jù)分析

以上方差分析完成了6061鋁合金切削參數(shù)三因素(切削速度、切削深度、進給速度)中單一因素分別對材料去除率(MRR)的影響。但切削加工過程中，多個切削因素會相互影響，為此，本研究還對切削三因素兩兩因素復合對材料去除率(MRR)的影響。圖2至圖4顯示了組合兩個工藝參數(shù)對材料去除率的復合影響。

圖2 進給速度和切削速度對MRR的影響

圖3 進給速度和切削深度對MRR的影響

圖4 切削深度和切削速度對MRR的影響

圖2所示為進給速度和切削速度對MRR的復合影響情況。從圖2中可知，在第3級水平進給速度和切削速度的情況下，產生更高的材料去除率，并且隨著這兩參數(shù)的進一步增加，材料去除率數(shù)值幾乎呈線性增加。相比之下，進給速度的影響明顯大于切削速度影響。圖3所示為進給速度和切削深度對材料去除率的復合影響情況。從圖3中可知，在較高的進給速度情況下，材料去除率會隨著切割深度的增加而略有增加，但不論處于何種切削深度水平，進給速度的對材料去除率的影響都很顯著。圖4所示為切削速度和切削深度對材料去除率的復合影響情況。從圖4中可知，材料去除率在切削深度和切削速度方面表現(xiàn)出更為復雜的關系。在第2級水平的切削深度情況下，第3 級水平的切削速度表現(xiàn)出更好的材料去除率。這表明，增加切削深度并不能保證材料去除率(MRR)的增加。上述現(xiàn)象出現(xiàn)主要有以下原因：在較高的切削速度下，工件獲得更多的應變能，導致材料能夠被快速、連續(xù)的去除，從而產生更高的材料去除率。但切削深度的增加可能會導致工件的抖動，從而降低材料去除率。較高的進給速度促進了刀具的軸向運動，刀具以更快的速度移動到新的位置，從而增加了材料去除率，但它產生了更粗糙的加工表面。更大的切削深度會對刀具產生更高的反作用力，從而使刀具沿徑向外推，刀具將從工件中退出來，導致振動，從而導致材料去除率的減小[7]。

2.2 實驗驗證

為了驗證本研究得出的結論，根據(jù)主效應和信噪比分析，對最佳切削參數(shù)進行了實驗運行。所得結果如表5所示。對比表2、表5實驗數(shù)據(jù)可知，當使用最佳切削參數(shù)時，材料去除率(MRR)值達到最大[8]，符合理論分析結果。

表5 最優(yōu)MRR參數(shù)實驗

3 結論

本文以6061鋁合金為研究對象，利用田口實驗及信噪比分析方法討論了切削工藝參數(shù)(切削速度、切削深度、進給速度)對材料去除率的影響，并通過實驗驗證了分析結果，得到以下結論。

(1)進給速率是6061鋁合金切削時影響材料去除率(MRR)最大的工藝參數(shù)，其次是切削深度和切削速度[9]。

(2)進給速度和切削速度、進給速度和切削深度的復合效應表明，這些因素水平等級最高時會產生最大材料去除率。另一方面，切削深度和切削速度的復合效應表明，2級水平的切削深度和3級水平的切削速度具有更好的材料去除率。這說明切削深度并不是材料去除率增加的主要因素，進給速度才是控制材料去除率的關鍵因素[10]。