劉 力，吳 賢，沈劍云

（1.廈門市同安職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建 廈門 361100；2.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021）

1 前言

近年來微小型技術(shù)在民用和國防領(lǐng)域均發(fā)展迅猛，精密儀器、3C電子、生物醫(yī)療以及航空航天等行業(yè)對微小型技術(shù)的需求逐年增加。微小型產(chǎn)品的需求給微細(xì)加工技術(shù)帶來挑戰(zhàn)與機(jī)遇，促進(jìn)了微細(xì)加工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。與其它微細(xì)加工技術(shù)相比，微細(xì)銑削具有諸多明顯優(yōu)勢：能適應(yīng)金屬、陶瓷以及復(fù)合材料等多種工程材料加工；具備較強的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工能力；加工精度高，加工成本低；具有較高的材料去除率等［1-2］。微細(xì)銑削已經(jīng)成為微小型零件的主要制造方法之一，得到廣泛工業(yè)應(yīng)用［3-4］。

微細(xì)銑削中由于刀具直徑和加工參數(shù)的減小，刃口鈍圓半徑和切削厚度通常都在微米級別內(nèi)，產(chǎn)生有別于傳統(tǒng)銑削的新現(xiàn)象，如尺寸效應(yīng)、最小切削厚度等，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差、毛刺嚴(yán)重等問題［5-6］。工件表面的毛刺是銑削加工中常見現(xiàn)象，毛刺根據(jù)形成機(jī)理可分成泊松毛刺、撕裂毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺和切斷毛刺，根據(jù)分布位置可分為頂端毛刺、槽底毛刺、入口毛刺以及出口毛刺，其中頂端毛刺的尺寸往往最大，對零件質(zhì)量的影響最大［7-8］。文獻(xiàn)［9］研究了微細(xì)銑削加工參數(shù)對毛刺高度和寬度的影響，發(fā)現(xiàn)銑削深度和刀具直徑對毛刺尺寸的影響最大。文獻(xiàn)［10］發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑削不銹鋼的毛刺最大高度可達(dá)到銑削深度的156%，使用切削液可以減小毛刺高度55%，較大微細(xì)銑刀直徑可以獲得較小毛刺，銑削路徑對毛刺高度影響不大。文獻(xiàn)［11］發(fā)現(xiàn)微細(xì)切削過程中刃口區(qū)域的應(yīng)力分布對毛刺形成具有重要影響，當(dāng)切削厚度等于刃口鈍圓半徑時可獲得最小毛刺高度。文獻(xiàn)［12］提出了微細(xì)銑削中泊松毛刺和切出毛刺尺寸的理論計算模型，通過實驗驗證了模型的誤差小于16.8%。文獻(xiàn)［13］研究了微細(xì)銑削中毛刺的大小和形態(tài)，認(rèn)為要減少毛刺應(yīng)采用鋒利刀具和逆銑方式，并控制適當(dāng)?shù)你娤魃疃?，選擇合適的切削速度和進(jìn)給量。綜上所述，微細(xì)銑削加工過程十分復(fù)雜，毛刺形成過程和規(guī)律并不同于傳統(tǒng)銑削，受到加工過程中刀具弱剛性、尺寸效應(yīng)、最小切削厚度等多種因素的影響。

目前，傳統(tǒng)銑削加工的研究已經(jīng)較成熟，但是針對不同工況下微細(xì)銑削加工表面質(zhì)量提高和毛刺尺寸控制的研究還相對較少。紫銅材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，以紫銅制作的各類微小型電極廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代模具制造業(yè)，具有三維復(fù)雜微小型結(jié)構(gòu)的紫銅電極非常適合微細(xì)銑削加工。紫銅電極的尺寸精度、表面質(zhì)量以及毛刺對電火花加工的型腔精度等級、尺寸穩(wěn)定性和一致性均具有重要影響，在電火花加工過程中如果毛刺脫落在型腔內(nèi)，會造成積碳，導(dǎo)致型腔尺寸及外觀不良［14-15］。這里進(jìn)行微細(xì)銑削紫銅試驗研究，首先對表面粗糙度和輪廓曲線進(jìn)行測量和分析，隨后觀察毛刺形態(tài)和測量毛刺寬度尺寸，進(jìn)而分析加工參數(shù)對毛刺形態(tài)和寬度尺寸的影響規(guī)律，并提出抑制毛刺形成的微細(xì)銑削工藝控制方法。

2 微細(xì)銑削毛刺的形成機(jī)理

在微細(xì)切削過程中刀具與工件材料之間的接觸區(qū)域包括前刀面DE、切削刃圓弧BD和后刀面AB，如圖1所示。由于微細(xì)銑削的切削厚度較小，切削刃圓弧的接觸長度占比最大，是主要的接觸弧區(qū)。在切削力作用下，前刀面和切削刃圓弧沿切削方向擠壓工件材料，當(dāng)作用于工件的應(yīng)力大小達(dá)到材料屈服強度時，工件發(fā)生塑性變形，沿著最小約束方向發(fā)生塑性流動。在切削方向的前方和下方都受到工件材料的強力約束，塑性流動阻力很大；上方是無約束的自由表面，因此切削過程中工件材料主要是沿著前刀面向上塑性流動，形成切屑排出切削區(qū)域。如果在切削區(qū)域的側(cè)面也是無約束的自由表面，比如正交切削的兩側(cè)面，塑性流動阻力較小，導(dǎo)致會有部分材料向工件側(cè)面發(fā)生塑性流動，稱之為塑性側(cè)流。

圖1 材料塑性流動示意圖Fig.1 The Schematic of Material Side Flow

切削過程中在切削刃圓弧底部存在滯留點C，滯留點將切削刃與工件的接觸弧區(qū)分成兩部分，即圖中CDE和ABC區(qū)域。其中，接觸區(qū)域CDE的材料發(fā)生塑性側(cè)流，與該區(qū)域材料一起向上塑性流動成為切屑一部分，形成切屑的側(cè)面；接觸區(qū)域BC的材料發(fā)生塑性側(cè)流，則與該區(qū)域材料一起流向已加工表面，形成已加工表面的側(cè)面，在已加工表面的側(cè)面產(chǎn)生泊松毛刺；在滯留點下方BC區(qū)域的材料越過切削刃圓弧流向已加工表面，隨后發(fā)生彈性回復(fù)形成接觸區(qū)域AB。在后刀面的接觸區(qū)域AB，材料的彈性回復(fù)向上會受到后刀面的強力約束，向下受到已加工表面的強力約束，而側(cè)面是無約束的自由表面，因此，在接觸區(qū)域AB也會發(fā)生少量的塑性側(cè)流，在已加工表面的側(cè)面產(chǎn)生泊松毛刺，這就是泊松毛刺的形成過程。在正交切削中泊松毛刺主要形成在工件兩側(cè)面，在微細(xì)銑削中泊松毛刺主要形成在工件頂面，這些表面在切削過程中都屬于無約束的自由表面，如圖2所示。隨著微細(xì)銑刀的不斷進(jìn)給運動，每個刀刃在切削過程中都會產(chǎn)生新的毛刺，前一個刀刃產(chǎn)生的毛刺，部分被后一個刀刃的切削運動去除，部分與后一個刀刃產(chǎn)生的毛刺相互疊加，最終形成頂端毛刺。

圖2 泊松毛刺形成過程Fig.2 The Schematic of Poisson Burr Formation

在切削過程中可將切削區(qū)域分為三個變形區(qū)，分別是第一變形區(qū)、第二變形區(qū)和第三變形區(qū)，如圖3所示。隨著切削運動進(jìn)行，當(dāng)?shù)毒哌\動到工件的出口邊緣時，由于在切削運動前進(jìn)方向上工件形狀不連續(xù)，即工件形狀發(fā)生突變。該方向上工件支撐剛度下降，也就是在該方向上對切削過程中材料塑性流動的約束下降，工件的出口端成為無約束的自由表面，導(dǎo)致在切削刃的下方出現(xiàn)第四變形區(qū)，即負(fù)剪切帶。負(fù)剪切帶的出現(xiàn)改變了切削過程中工件材料塑性流動路徑，標(biāo)志著出口毛刺開始形成。負(fù)剪切帶一直延伸到工件的出口端，與出口端有個交點。隨著刀具繼續(xù)向工件出口運動，負(fù)剪切帶的材料不再沿著前刀面向上流動，而是繞著該交點作旋轉(zhuǎn)流動，并最終留在工件的出口端，形成片狀出口毛刺，如圖3（c）所示。

圖3 出口毛刺形成過程Fig.3 The Schematic of Exit Burr Formation

由于微細(xì)切削過程中滯留點的存在以及工件出口處的形狀突變，泊松毛刺和出口毛刺的形成是難以避免的，本質(zhì)上都是由于切削過程中工件材料的非期望塑性流動產(chǎn)生的，而工件材料的塑性流動則主要取決于材料特性和切削區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)微細(xì)銑削過程中刀具對工件材料的犁耕和擠壓作用非常劇烈，負(fù)前角切削狀態(tài)嚴(yán)重，使得切削區(qū)域的應(yīng)力分布集中在切削刃圓弧的底部。這種應(yīng)力分布情況對滯留點以下工件材料的塑性側(cè)流和工件出口處的負(fù)剪切帶形成都是有利的，從而會促進(jìn)毛刺的形成過程，這是微細(xì)銑削毛刺嚴(yán)重的主要原因，通過優(yōu)化工藝參數(shù)減輕負(fù)前角切削狀態(tài)，有助于減小微細(xì)銑削毛刺。

3 試驗方法

試驗使用刀具是超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金微細(xì)銑刀，刀具直徑為1mm，刀刃長為2.5mm，刀柄直徑為4mm，通過超景深顯微鏡測得刀具的刃口鈍圓半徑為4.4μm。試驗所用的工件材料為紫銅T2，工件尺寸為（30×10×3）mm。試驗所用的機(jī)床為HAAS立式加工中心，該機(jī)床主要用于微小零件的數(shù)控銑削加工，主軸最高轉(zhuǎn)速為30000rpm，X、Y和Z軸行程分別為305mm、254mm 和305mm，工作臺尺寸為508×254mm，重復(fù)定位精度為±2μm，如圖4所示。

圖4 微細(xì)銑削試驗Fig.4 Micro Milling Experiment

工件裝夾后，在試驗前先使用直徑5mm的刀具將工件表面加工平整，然后再進(jìn)行直槽銑削的單因素試驗，試驗過程中不進(jìn)行二次裝夾。微細(xì)銑削試驗參數(shù)，如表1所示。其中，主軸轉(zhuǎn)速選用范圍為（8000～20000）rpm，銑削深度選用范圍為（2～14）μm，每齒進(jìn)給量的選用范圍為（0.09～6.6）μm，包含小于、等于和大于刃口圓弧半徑范圍，每個試驗均重復(fù)3次。試驗后利用超聲清洗機(jī)將工件表面清洗干凈，采用超景深顯微鏡觀察工件的頂端毛刺形態(tài)，分別測量逆銑邊和順銑邊上頂端毛刺的寬度尺寸。通過兩條平行線對毛刺進(jìn)行包絡(luò)，測量毛刺根部與頂點之間的距離，即毛刺寬度尺寸w，如圖5所示。由于不同位置處的毛刺形態(tài)不是完全一致的，毛刺寬度尺寸測量前，先對毛刺形態(tài)進(jìn)行觀察，找到能夠表征毛刺特征的區(qū)域，然后對4個不同位置的毛刺寬度進(jìn)行測量，取平均值作為測量結(jié)果，盡量避免測量誤差。

表1 微細(xì)銑削試驗參數(shù)Tab.1 Micro Milling Experiment Parameters

圖5 毛刺寬度測量圖Fig.5 Measurement of Burr Width Size

4 試驗結(jié)果

4.1 微細(xì)銑削毛刺形態(tài)分類

試驗觀察到的頂端毛刺形態(tài)，如圖6所示。根據(jù)不同形態(tài)特征可以分為五大類：羽毛狀、破碎狀、毛茸狀、鋸齒狀和墻壁狀頂端毛刺。由圖可知，羽毛狀毛刺的整體尺寸較大，呈現(xiàn)長條扁平狀分散，發(fā)生一定程度卷曲。槽的邊緣處于刀具的切入和切出階段，瞬時切削厚度非常小，產(chǎn)生被嚴(yán)重擠壓的扁平帶狀切屑，這些切屑非常難以折斷來正常脫離切削區(qū)域，而往往被擠壓出切削區(qū)域發(fā)生卷曲并粘附槽邊緣上，形成羽毛狀毛刺。破碎狀毛刺為不規(guī)則斷續(xù)形狀，尺寸比羽毛狀毛刺要小，形成機(jī)理與羽毛狀毛刺類似，只是這些切屑還沒完全成型，處于形成初始階段就被擠壓出切削區(qū)域并粘附在槽邊緣處，形成破碎狀毛刺。毛茸狀毛刺尺寸很小，頂部為毛茸茸的起伏形狀，由于工件材料塑性較好，切屑與工件分離過程中，經(jīng)過擠壓和撕裂后在槽邊緣產(chǎn)生不整齊斷口，形成毛茸狀毛刺。鋸齒狀毛刺具有周期性間距，主要是由于不穩(wěn)定的材料塑性側(cè)流產(chǎn)生的。在銑刀旋轉(zhuǎn)過程中，槽邊緣切入和切出階段的瞬時切削厚度非常小，刀具對工件材料的耕犁作用非常劇烈，材料塑性側(cè)流較多，形成較大毛刺。但經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)運動后，瞬時切削厚度逐漸累積的越來越大，此時切削過程中的耕犁作用減小，材料塑性側(cè)流減少，形成較小毛刺。隨著銑刀的進(jìn)給運動，該過程周期性的發(fā)生，從而產(chǎn)生鋸齒狀毛刺，鋸齒狀毛刺的間距要大于工件表面的刀痕間距數(shù)倍。豎直狀毛刺尺寸很小，也是由于切削過程中材料塑性側(cè)流到槽邊緣形成的，但是由于其整體尺寸很小，并沒有表現(xiàn)出明顯的鋸齒形狀。觀察到的工件出口毛刺形態(tài)特征，如圖7所示。根據(jù)不同的形態(tài)特征，出口毛刺可分為兩類，片狀和翻卷狀出口毛刺。由于工件出口處形狀不連續(xù)，支撐剛度下降，負(fù)剪切帶的出現(xiàn)，形成片狀出口毛刺。在片狀出口毛刺的形成過程中，正剪切帶上那部分材料仍然會沿前刀面向上流動產(chǎn)生切屑，但是在刀具離開工件出口時，由于切削速度方向上的支撐剛度下降，對切屑流動約束減小，這些切屑不一定會產(chǎn)生完全脫落，而是與出口毛刺連接在一起，最終形成尺寸較大的翻卷狀出口毛刺，如圖7（b）所示。

圖6 頂端毛刺的形態(tài)分類Fig.6 The Morphology Classification of Top Burr

圖7 出口毛刺的形態(tài)分類Fig.6 The Morphology Classification of Exit Burr

4.2 微細(xì)銑削頂端毛刺

每齒進(jìn)給量fz對頂端毛刺形態(tài)和寬度尺寸的影響規(guī)律如圖8所示。圖中左邊為逆銑邊，右邊為順銑邊，由圖可知逆銑邊和順銑邊的毛刺形態(tài)和寬度尺寸是不一樣的。當(dāng)fz＜2.2μm∕Z時，形成毛刺較多，逆銑邊是羽毛狀毛刺，順銑邊是鋸齒狀毛刺；當(dāng)fz=2.2μm∕Z時，逆銑邊仍然是羽毛狀毛刺，但是順銑邊變?yōu)槠扑闋蠲?；而fz≥4.4μm∕Z時，形成毛刺較少，逆銑邊和順銑邊都是薄片狀毛刺。由圖8（b）可知，在fz≥4.4μm∕Z范圍內(nèi)，毛刺尺寸隨著fz的增加只有略微下降，基本處于穩(wěn)定水平，但是在fz＜4.4μm∕Z范圍內(nèi)，毛刺尺寸隨著fz的減小是逐漸上升的，測得的最小毛刺尺寸為8.6μm，最大毛刺尺寸為144.9μm，達(dá)到槽寬的144%。這主要是因為當(dāng)每齒進(jìn)給量小于刀具的刃口鈍圓半徑時，切削過程中嚴(yán)重的負(fù)前角切削狀態(tài)和耕犁作用會促進(jìn)毛刺的形成，從而導(dǎo)致毛刺尺寸的迅速增加。對比逆銑邊和順銑邊的毛刺尺寸還可知，當(dāng)fz＜2.2μm∕Z時，逆銑邊的毛刺尺寸要大于順銑邊，主要是由于此時在逆銑邊是尺寸較大的羽毛狀毛刺，而順銑邊是尺寸相對小的鋸齒狀毛刺形態(tài)。當(dāng)fz＞2.2μm∕Z后，逆銑邊和順銑邊的毛刺都是薄片狀毛刺時，逆銑邊的毛刺尺寸要小于順銑邊。不同銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速下的頂端毛刺尺寸變化，如圖9所示。逆銑邊的毛刺尺寸均小于順銑邊。隨著ap的增加，無論是逆銑邊還是順銑邊的毛刺尺寸都會逐漸上升。隨著ap的不斷增加，刀具每次去除材料增多，不僅切削力增大，且切削過程中形成的切屑增多，粘附在槽邊緣上的切屑也變多，造成毛刺尺寸變大。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，逆銑邊和順銑邊的頂端毛刺尺寸均呈現(xiàn)出一定程度減小。通過提高切削速度，刀具對工件材料的犁耕和擠壓作用時間減少，切削過程中材料變形減弱，導(dǎo)致塑性側(cè)流減少，有助于減少泊松毛刺形成，從而使得頂端毛刺尺寸的下降。

圖8 每齒進(jìn)給量對頂端毛刺形態(tài)和尺寸的影響Fig.8 The Effect of Feed Per Tooth on Top Burr Morphology and Size

圖9 銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速對頂端毛刺尺寸的影響Fig.9 The Effect of Milling Depth and Spindle Speed on Top Burr Size

4.3 微細(xì)銑削出口毛刺

每齒進(jìn)給量fz對出口毛刺形態(tài)和寬度尺寸的影響，如圖10所示。fz非常小時，出口毛刺上有未脫離的切屑連接，是翻卷狀出口毛刺，而隨著fz的增加，出口毛刺形態(tài)變成片狀出口毛刺。由圖可知，工件的出口毛刺尺寸隨著fz的增加而逐漸下降。在當(dāng)fz小于最小切削厚度時，由于非常嚴(yán)重的負(fù)前角切削狀態(tài)，工件出口邊緣處材料塑性變形嚴(yán)重，材料塑性流動路徑較長，很容易與未脫離的切屑形成翻卷狀出口毛刺，導(dǎo)致出口毛刺的尺寸保持在較大水平。在fz大于刃口的鈍圓半徑時，切削過程脫離負(fù)前角切削狀態(tài)后，負(fù)剪切帶的材料塑性變形減弱，出口毛刺尺寸趨于穩(wěn)定，保持在相對較小水平，且變化幅度不大。不同銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速下的出口毛刺尺寸變化，如圖11所示。隨著ap的增加，出口毛刺尺寸逐漸上升，刀具切出工件邊緣時，負(fù)剪切帶的應(yīng)力分布會隨著切削力的上升而增加，導(dǎo)致出口毛刺也增多。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，出口毛刺尺寸略微減小，但是變化幅度相對較小。抑制微細(xì)銑削中的毛刺形成可以從加工參數(shù)優(yōu)化和加工軌跡選擇兩個方面入手。根據(jù)試驗結(jié)果可知，當(dāng)每齒進(jìn)給量取的小于刀具的刃口鈍圓半徑時，毛刺尺寸往往較大，要想獲得較小的毛刺寬度尺寸，在加工過程中盡量選擇每齒進(jìn)給量大于刃口鈍圓半徑。要減小毛刺尺寸還需盡量減小銑削深度，但是銑削深度過小會影響到材料去除率，要根據(jù)實際需求采用合適的銑削深度。此外，選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速有助于減小毛刺尺寸。根據(jù)試驗結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，逆銑邊頂端毛刺尺寸往往要小于順銑邊，因此在加工軌跡上可以盡量選擇逆銑，當(dāng)加工工件的內(nèi)輪廓時選擇順時針走刀軌跡，當(dāng)加工工件的外輪廓時選擇逆時針走刀軌跡。

圖10 每齒進(jìn)給量對出口毛刺形態(tài)和尺寸的影響Fig.10 The Effect of Feed Per Tooth on Exit Burr Morphology and Size

圖11 銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速對出口毛刺尺寸的影響Fig.11 The Effect of Milling Depth and Spindle Speed on Exit Burr Size

5 結(jié)論

通過對微細(xì)銑削試驗結(jié)果進(jìn)行觀察、測量和分析，得到如下結(jié)論：

（1）微細(xì)切削過程中，滯留點以下切削區(qū)域發(fā)生的塑性側(cè)流形成泊松毛刺，泊松毛刺主要發(fā)生在微細(xì)銑削的工件頂端邊緣，形成頂端毛刺。當(dāng)?shù)毒哌\動到工件出口邊緣，工件形狀不連續(xù)支撐剛度下降，出現(xiàn)負(fù)剪切帶，形成出口毛刺。

（2）微細(xì)銑削頂端毛刺可以分為羽毛狀、破碎狀、毛茸狀、鋸齒狀和墻壁狀頂端毛刺五類，出口毛刺可以分為片狀和翻卷狀兩類刺。

（3）隨著每齒進(jìn)給量的減小，頂端毛刺尺寸先逐漸減小后迅速上升，等于刀刃鈍圓半徑時獲得最小頂端毛刺尺寸，出口毛刺尺寸先逐漸下降后趨于穩(wěn)定。頂端毛刺和出口毛刺尺寸均隨著銑削深度的增加而逐漸上升，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而逐漸下降。