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高速微銑（xǐ）削鋁合金銑削力與表麵粗糙度（dù）研究

2015-12-29 來源：長春理工大學機電工程學院作（zuò）者：張欣欣，於化東，許金凱，楊舒

摘要: 隨著航空（kōng）航天技術的發展，微（wēi）小零部件變得越（yuè）來越重要，對（duì）製備具（jù）有表麵質（zhì）量好、尺寸（cùn）精度高、加工誤差（chà）小的微機械結構提出了（le）新的挑戰。通過高速微銑削技（jì）術在 7075 航空係列鋁（lǚ）合金表麵銑削微細直（zhí）槽結構，以主軸轉速、進給速度（dù）與（yǔ）軸向切深為研究因素（sù），采用多因素（sù）正交試驗與極差、方（fāng）差（chà）分析法分別對銑削力和表（biǎo）麵粗糙（cāo）度進行研究。結果表明:銑（xǐ）削參數對銑削（xuē）力的影（yǐng）響按從大到小依（yī）次為進給速度、軸向切深、主軸轉速;增大（dà）主軸轉速，減小進給速度和軸向切深可獲得較小（xiǎo）的（de）銑削力（lì）與較高的加工精（jīng）度;主軸轉速對表麵粗（cū）糙度Ｒa 影響最大，進給速度次之（zhī），軸向切深對其（qí）影響最小;當主軸轉速為 48000r/min，進給速度為（wéi） 30mm/min，軸向切深為 20μm 時，高速微銑削鋁合金微細直（zhí）槽（cáo）表（biǎo）麵質量最優。

關鍵詞: 高速微銑（xǐ）削（xuē）;正交試驗;銑削力;表麵粗糙度

0 引言

隨著航空航天、生物、醫學、建築、以及汽車製造業的（de）發展，對（duì）微小機械的功能、結（jié）構複雜性、可（kě）靠性的要求越來（lái）越高，從而對加工具有一（yī）定尺寸精（jīng）度和表麵質（zhì）量要求的精密三維微小零部件的需求（qiú）也越來越廣（guǎng）泛。高速微銑削（xuē）技術以其加工（gōng）精度高、工藝簡（jiǎn）單、材料約束少、加工效率高，可實現複雜形（xíng）狀三維（wéi）微小結（jié）構的加工等優點在國內外得到了大量應用。

近年來，鋁合（hé）金（jīn）材料由於其塑性好、強度高、重（chóng）量輕以及具（jù）有優良的導電性、導熱性（xìng）和抗腐蝕性等（děng）特性被廣泛地應用（yòng）於航空航天製造領域中。為減少（shǎo）飛機的重量和提高其使用性能，在飛機結構設計中大量采（cǎi）用（yòng）鋁合金製備梁（liáng）、肋、桁條、隔框、整體框架和起落架等結構，但是，這類結構件的（de）剛度較低，對於低剛度的複雜構（gòu）件，加（jiā）工時由（yóu）於切削力、切（qiē）削熱以及主軸（zhóu）跳動等原因（yīn）很容易發生變形，嚴重（chóng）的影響了（le）工件的加工質量和表麵精度（dù）。因此要提高低剛度構件的加工質量與精度，就要減小工件在加工過程（chéng）中的（de）變（biàn）形。經過大量分析得出切削力是引起加工變形的一個主要原因，因此減小切削力就可以有效減小低剛度構件（jiàn）的加工變形。李豔聰等采用直徑為 16mm 的銑刀對不鏽鋼、鋁合金的平麵加工精（jīng）度進（jìn）行了研究（jiū），得出（chū）了切削力（lì）與切（qiē）削參數的關係。但（dàn）是，對於微米（mǐ）級結構件銑削力的研究卻很少。本文采用直徑為 0．2mm 的微（wēi）徑銑刀在鋁合金表麵加工微細直槽（cáo）結構，采用正交試驗研究銑削參數對銑削力與表麵粗糙度的（de）影響規律並進行參數優化，最終得到最優銑削參（cān）數使加工表麵質量最優。該研究為獲得表麵質量好、尺寸精度高的微小零部件的高速銑削加（jiā）工提（tí）供了依據。

1 試驗研究

1．1 試驗條（tiáo）件

該銑削（xuē）試驗采用課題組自行研製的（de）小型高速微銑削機床，主軸最高轉速可（kě）達（dá） 100000r/min，主軸回轉精度為 1μm，工作（zuò）台位置精度為 ± 0．5μm/100mm，重複定位精度為 ± 0. 2μm;采用 Kistler 三向動態壓（yā）電測力儀、5070A 電荷放大器和計算機數據采集係統（tǒng）測量與（yǔ）記錄銑削力;利用（yòng） MarSurf LD120 輪廓與（yǔ）粗糙度測量儀測量微細直（zhí）槽底麵（miàn）的粗糙度;刀具選用雙刃整體硬質合金塗層微徑立銑刀（dāo），刀柄和刀刃直徑分別為 4mm 和0．2mm，刃長為 0．5mm，螺旋角為 45°，刀尖圓（yuán）弧半徑為 10μm，塗層材（cái）料為 TiAlN;工件（jiàn）材料為 7075 航空係列鋁合金;銑削（xuē）加工過程中采用油霧潤滑與冷卻。圖

1 為銑削力（lì）測試係統原理圖（tú）。

1．2 試驗方法

在 5052 鋁合金表麵加工微細（xì）直槽結構如圖 2 所示，采用全（quán）徑向銑削方（fāng）式，即直槽寬度與銑刀直徑相等。選取主軸轉速 n、進給速度 vf、軸向切（qiē）削（xuē）深度 ap三個參（cān）數作為研究因素，采用（yòng）三因素四水平正交試驗表L16(43)研究銑削參數對銑削力和表麵粗（cū）糙（cāo）度的影響規律，通過極（jí）差與方差分析法得到銑削力和（hé）表麵粗糙度較小的因素水平組合。正交試驗各因素的水平值根據試驗經驗選取，如表（biǎo） 1 所示。

2 試驗結果與分（fèn）析

正交試驗方案與極差分析結果如表 2 所（suǒ）示，方差（chà）分析結果如表 3 所示，每組參數重複進行三次，對本試驗中測得的銑削（xuē）力數據進行噪音去除處理，其中 Fx、Fy、Fz 為銑削力在 X、Y、Z 三個方向的分力，Ｒa為直槽底部的表麵粗糙度。根據表 2 中所測的各銑（xǐ）削分力值可以看出，高速微銑削鋁合（hé）金微細直槽時所產生的銑削力都很小，Fx 最大為 0．063N，Fy 最大為 0．099N，Fz最大為 0，076N。

2.1 銑削力分析

圖3 為采用 MATLAB 軟件由極差（chà）分析結果(表 2)生成的銑（xǐ）削（xuē）參數與（yǔ）各銑（xǐ）削分力的關係曲線圖。從圖（tú）中可以看出，銑（xǐ）削分力 Fy 最大、Fz 次之、Fx 最小。由方差分析結果(表3)可知，銑削參數對銑削分力的影響存（cún）在明顯差異，各參數對主切（qiē）削力 Fy 影響（xiǎng）最大，軸（zhóu）向力 Fz次之，徑向力 Fx 影響（xiǎng）最小。銑削（xuē）時（shí），由於切削變形與摩擦，銑刀每一參與切（qiē）削的（de）刀齒上（shàng）都受到銑削力。為了實際應用，通常假定各刀齒上的（de）銑削（xuē）力的合力 F 作用於某個（gè）刀齒上（shàng），並（bìng）將它分解為三個相互垂直的分力:主切削力 Fc 、徑向力 Fp、軸向力 Fo［銑削分力 Fx、Fy、Fz可近似等同於三個相互垂直的分力，即 Fx 對（duì）應（yīng）於徑向（xiàng）力 Fp、Fy 對應於主切削力 Fc、Fz 應於軸向力 Fo。主切削（xuē）力 Fc(Fy)是主運動切削速度方向的分力，是最大的一個分力，它消耗了切削總功率的 95% 左（zuǒ）右（yòu），是設計與使用刀具的主要依據，並用於驗算機床、夾具等主要零部件的強度（dù）和剛（gāng）度以及機床電（diàn）動機功率。軸向力 Fo(Fz)是軸向切深（shēn）方向的分力，消耗了總功率的 5% 左右，是驗算（suàn）機床進給係統主（zhǔ）要零部件強度和（hé）剛性的依據。徑向力 Fp(Fx)是進給方向的分力，它不消耗功率，但在機床、工件、夾具與刀具所組成的工藝係統剛性（xìng）不足時，是造成振動的（de）主要因（yīn）素。所以，各銑削分力按（àn）大小順序排列（liè）依次為 Fy ＞Fz ＞Fx。

從圖（tú） 3a 中還可以看出，Y 方向的銑削力隨著主軸轉速的增大呈開口向下的拋物線分布，隨著主軸轉速的增大而增大（dà），在 n =42000r/min 時，銑削力達（dá）到最大值 0．092N，當 n ＞ 42000r/min 時，Fy 隨（suí）著主軸轉速的繼續增（zēng）大而減小;主軸轉速對銑削分力 Fx、Fz 的影響波動不大，整體呈緩慢上升趨勢，即隨著主軸（zhóu）轉速的增大而緩（huǎn）慢增大;由圖 3b 可知，銑削分力 Fy 與 Fz 的變化趨勢相似，都隨著進給速度的增大而增（zēng）大，而銑削分力 Fx 呈二次（cì）曲線分布，即隨著進給速度的（de）增大，先減小後增大，最後又（yòu）減小（xiǎo）;由圖 3c 可以看出，銑削分力Fx、Fy、Fz 的（de）變化趨勢相似，都呈拋物線分（fèn）布，在 ap=15μm 時，銑削力同時達（dá）到最大值，但當 ap＜ 10μm 時銑削分（fèn）力 Fx、Fy 隨著軸向切深的增大而增大，而（ér） Fz 正好相反（fǎn），隨著軸向切深的（de）增大而減小，當 ap＞ 10μm時，三者的變化趨勢相同。

由極差和方差分析結果(表 2 與表（biǎo） 3)及圖 3 可知，進給速度對銑削力的影響最大，軸向切（qiē）深次（cì）之，主軸轉（zhuǎn）速最小（xiǎo）;並且提高主軸轉速，減小進給速度和軸向切深既可以獲得較小的銑削（xuē）力（lì）又可以得到較高（gāo）的加工精度。

2．2 表麵粗糙（cāo）度分析

由表 2 與表 3 可以得出銑削參數與（yǔ）表麵粗糙度Ｒa的變化趨勢，如圖4 所示。從圖中可以得（dé）出銑（xǐ）削參數對（duì）表麵粗糙（cāo）度（dù）Ｒa的影（yǐng）響規律:隨著（zhe）主軸轉速的（de）增大表麵粗糙度減小，分（fèn）析其（qí）原因，其它加工參數不變時，高主軸轉速下的切（qiē）屑與刀具前刀麵發生（shēng）局部融化，形成一（yī）層保護膜（mó），大大的減小了刀具前（qián）刀麵的磨損和變形，同時也減小了切屑的變形時間（jiān），切屑快速的被（bèi）切離工件並帶走了70% ～80%的切削熱，有效的減小（xiǎo）了切削力;隨著進給速度的增大表（biǎo）麵粗糙度先（xiān）減小後增大（dà），這說（shuō）明並不（bú）是采用越（yuè）小的進給量得到的表麵質量越好，分析其原因可能是刀具與工件之間（jiān）的摩擦力和（hé）擠壓力造成的，在vf=30mm/min 的時後，表麵（miàn）粗糙度達到最小值 0.054μm;從圖中（zhōng）還可知軸向切深與進給速度的變化趨勢正好相反，隨著軸向切削深度的（de）增加，表麵粗糙度先增（zēng）大後（hòu）減小，在 ap=20μm 時，表麵粗糙度最小（xiǎo），這可能是由於最小切削厚度 12- 15 效應引起的，當每齒（chǐ）進給量小於刀尖（jiān）圓弧半徑時（shí）無切屑（xiè）產生，工件發生彈性變形並產生犁耕現（xiàn）象，使（shǐ）表麵粗糙度增（zēng）大。

根據極（jí）差與方差分析法可知，銑削參數（shù）對表麵粗糙（cāo）度（dù）的影響程度按從大到小（xiǎo）依次排列為主軸轉速、進給速度、軸向切削深度。根（gēn）據極差分析法可以求出最優組（zǔ）合為 A4B2C4，即 n = 48000r/min，vf= 30mm/min，ap=20μm 時，表麵粗糙度最小，加工表麵質量最好。

3 結論

通（tōng）過多因素正交試驗分析直徑（jìng）為 0．2mm 的微徑銑刀銑削鋁合金時的切削力與表麵粗糙度，可以得出以下結論:

(1)對銑削力影響最大的試驗因素是進給速度，其次（cì）是軸向切深，主軸轉速對銑削力影響最小。

(2)提高主軸轉速，減小進給速度和軸向（xiàng）切（qiē）深可以獲得較小的銑削力（lì）和較高的加工精度。

(3)各銑削參數對銑削（xuē）分力的影響存在明顯差異，各（gè）參數對主切削力 Fy 影響最大，軸向力 Fz 次之，徑向力 Fx 影響最小，且各銑削（xuē）分力按大小排列依次為:Fy ＞ Fz ＞ Fx。

(4)銑削參數對表麵粗糙度的影響（xiǎng）程度從大到小依次為主軸轉速（sù）、進（jìn）給速度、軸向切深。

(5) 當主軸轉（zhuǎn）速為 48000r/min，進（jìn）給速度（dù）為30mm/min，軸向切深為 20μm 時，高速微銑削鋁合金微細（xì）直槽表麵加工質量最優。

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