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PＣD 刀具車削鋁合金表麵（miàn）粗糙度的研究

2016-10-27 來源：陽江職業技術學院深圳信息職業技術（shù）學院作者：喬龍陽劉白（bái）

摘要:影響PCD 刀具車削鋁合金（jīn）表麵粗糙度（dù）的主要因素（sù）是（shì）切削速度、進給（gěi）量、背吃（chī）刀量。以黃金分割法設計了實驗方案,優選了三因（yīn）素的水平範圍,用等距法設置了水平值（zhí）。實驗結果表明,對工件車（chē）削表（biǎo）麵粗糙度影響最大的因素是進給量,次之是切削（xuē）深度,切削速度的影響最小。通過正交實驗（yàn）法驗證了上（shàng）述實驗數據（jù）並（bìng）篩選了含優區間,獲（huò）得了本工（gōng）藝的最佳切削參數。

關鍵詞:PCD 刀具；車削；鋁合金；黃金分割法；表麵粗糙度

０. 引言

為滿足使用性能、外形美觀等要求,５0５2 鋁合金（jīn）產品的表麵粗糙度需達（dá）到Ｒａ0.4 以（yǐ）上（shàng）的技術要求。但（dàn）是,傳（chuán）統加工普遍采用硬質合金刀具（jù）低速車削加工,切屑容易與刀（dāo）具發生“膠焊”或粘連,形成積屑瘤,加工質量（liàng）差、生產效率（lǜ）非常低[1-2] 。

PCD 刀具材料硬度（dù）高（gāo）、導（dǎo）熱性好（hǎo）、摩擦係數小,使得切（qiē）屑變形（xíng）和切削力降低、刀具磨損緩慢、切削過程更為穩定,有利於降（jiàng）低表麵粗糙（cāo）度[3-５] ,高速車削[６] 時零件表麵可達到鏡麵效（xiào）果,是（shì）目前車削（xuē）鋁合金理想的刀具材料。不足（zú）之處是針對５0５2 鋁合金的研究,大多是麵向其生產工藝[7] 、焊接組織和性能[８-９] 等方麵的研（yán）究（jiū）,而針對其車削加工性能的實驗（yàn）研究很（hěn）少,因此開展PCD 刀具車削鋁（lǚ）合金表麵（miàn）粗糙度的研究,對於提高這類材料產（chǎn）品質量和生產（chǎn）效（xiào）率有著現實的意義。

鋁合金車削性能相關（guān）的實驗研究,大（dà）多采用正（zhèng）交（jiāo）實（shí）驗或單因素實驗等方法,這（zhè）些方法存在（zài）實驗次數多（duō）、實驗精（jīng）度不高的缺點。現以黃金分割（gē）法（fǎ）優選影響５0５2 鋁合金表麵粗糙度的切削參數因素水平範圍,以等距法確定（dìng）因素水平值,以正交實驗篩選驗證,得出影響表麵粗糙度的（de）主要因素,確（què）定臨界區域,以黃金分割法為單因素考察方法,確（què）定PCD 刀具車削５0５2 鋁合金表麵（miàn）粗糙度的最佳工藝條件。

１. 黃金分（fèn）割法（fǎ）實驗（yàn）原理

黃（huáng）金分割法是通過逐步縮小搜索區間（jiān）,來（lái）求得一元函數（shù）極值點近似值的一種方法,又稱為0.６1８法。黃金分割法實驗點選（xuǎn）取,如圖1 所（suǒ）示,實驗範圍[ａ,ｂ] ,將第一個實（shí）驗點ｘ1安排（pái）在實驗範圍內（nèi）的0.６1８處(距左（zuǒ）端點ａ),即ｘ1 ＝ａ＋(ｂ-ａ)×0.６1８,得到實驗結果ｆ(ｘ1 )；再在ｘ1的對稱點ｘ2 ,即ｘ2 ＝ａ＋(ｂ -ａ) ×0. 3８2,得到實驗結果ｆ(ｘ2 ),且ｆ(ｘ) 值越（yuè）大,效果越好。若ｆ(ｘ1 ) >ｆ(ｘ2 ),即（jí）ｆ(ｘ1 )比ｆ(ｘ2 )好,則根據“留好去（qù）壞”的原則,去掉實驗範圍[ａ,ｘ2 ] 部分,在[ｘ2 ,ｂ] 內繼（jì）續實驗。以後每（měi）次取（qǔ）一個試點（diǎn）,比較2 個結果,去壞留好,進一步縮小範圍,進一步做實驗。

圖１黃金分（fèn）割法實驗點提（tí）取示意圖

在（zài）生產實踐和科學實驗中,應用黃金分割法單因素實驗可以有效減少實驗次數,去掉（diào）“劣”點部分,保留“優”點部分,快速逼（bī）近真實值,並得（dé）到更為（wéi）精準的實驗（yàn）數據。

２. 實驗條件

實驗材料:５0５2 鋁合（hé）金,規格為Φ６0 mm×５５ mm 的鋁合金（jīn）管,壁厚4 mm,采用專用向心結構夾具（jù）裝夾定位（wèi）。

刀具材料:三菱公司PCD

材質MD220。

實驗機床:XKNC-５0G 精密數控車床,主軸最大轉速６ 000 ｒ/ min。

實驗儀器:JB-3C 粗糙度測試儀,分辨率0.001 μm,Ｒａ值測量範（fàn）圍0.001-10 μm。

車削環境:濕式車削,采用（yòng）煤油作為切削液。

評價方法:取輪（lún）廓算術偏差Ｒａ作為評價參數,測量（liàng）時取樣長度為1 mm,評定長度（dù）為（wéi）５ mm。

３. 實驗方法

為了獲得較好（hǎo）的實驗效果,對影響表麵粗糙度較大的切削參數三因素切削速度、進給量和背吃刀量,開展黃金分割法優（yōu）選實驗,逐步縮小實驗範（fàn）圍（wéi）,直至取得最佳的實驗數據。

３.１黃金分割（gē）法（fǎ）優（yōu）選實驗

1) 利用黃金分割法（fǎ）確定（dìng）進給量的水平範圍

依據王洪祥等[10] 金剛石車削表麵微觀形貌形成機理（lǐ）的研究,認（rèn）為表麵（miàn）粗糙度值與進給量和刀尖圓弧半徑存在如下關係:

依據此經驗公式,選取進給量實驗範圍[0.02,0.20]、背吃刀量0.3 mm、切削速度６00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.02,0.20]的0.６1８處取值,選取第1 實驗（yàn）點為:

Ｐ1 ＝0.02＋0.６1８(0.20-0.02)＝ 0.131 2

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝0.02＋0.3８2(0.20-0.02)＝ 0.0８８ 7

實（shí）驗測得Ｐ2的表麵粗糙（cāo）度值Ｒａ1.37５ μm 優於Ｐ1 的表麵粗糙度值（zhí）Ｒａ1.８41 μm,則（zé）舍（shě）棄不包括Ｐ1 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。

第3 實驗點為:

Ｐ3 ＝0.02＋0.3８2(0.131 2-0.02)＝ 0.0６2 ５

實驗測得（dé）Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ0.８43 μm 好於Ｐ2 的表（biǎo）麵粗糙度值Ｒａ1.27５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的對（duì）稱點。

第4 實驗點為:

Ｐ4 ＝0.02＋0.3８2(0.0８８ 7-0.02)＝ 0.04６ 2

實驗測得的Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm 好（hǎo）於Ｐ3的表麵粗（cū）糙度值Ｒａ0.８43 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ4的對稱點。

Ｐ５＝0.02＋0.3８2(0.0６2 ５-0.02)＝ 0.03６ 2

實驗（yàn）測得的Ｐ５的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ0.371 μm 好於Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm,則舍棄不包括Ｐ4 的以外部分。

進給量對表麵粗糙度的影響,如圖2 所示。隨著進給（gěi）量的增大,工件（jiàn）表麵粗糙度值顯著增大（dà）。實驗點所在實驗範圍包括含優點,則實（shí）驗結束,優選（xuǎn）實驗範圍為[0.02,0.04６] 。

圖２進（jìn）給量對表麵粗糙度的影響

2) 利用黃金分割法確定切削速度（dù）的水平範圍

選取切削速度實驗範圍[５00,1 000]、背吃刀量（liàng）0.3 mm、進給量0.1 mm/ ｒ。按黃金分割法實驗點的提取（qǔ）步驟,在[５00,1000]的0.６1８處取值,選取第1 實驗點為:

Ｐ1 ＝５00＋0.６1８(1 000-５00)＝８0９

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝５00＋0.3８2(1 000-５00)＝６９1

實驗測得Ｐ1的表麵粗（cū）糙度值Ｒａ1.241 μm 優於（yú）Ｐ2 的表麵粗糙度值Ｒａ1.37５ μm,則舍（shě）棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ1的對稱點Ｐ3。

第3 實驗點為:

Ｐ3 ＝６９1＋0.６1８(1 000-６９1)＝８８2

實驗測得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.233 μm 好於Ｐ1 的表（biǎo）麵粗糙度值Ｒａ1.241 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以（yǐ）外部分。

切削速度對表麵粗糙（cāo）度的影響,如（rú）圖3 所示。隨著切削速度的增大,工件表麵粗糙度值逐（zhú）漸減小,在切（qiē）削速度達到８00 m/ min 以上值後,對表麵粗糙度的影響（xiǎng）降低,表麵粗糙度值趨於穩定。因此,實驗結束（shù）,優選範圍（wéi）為[８0９,1 000] 。

圖３切削（xuē）速度對表麵粗糙度的影響

3) 利用（yòng）黃（huáng）金分割法確（què）定背吃刀量的水平範圍

選取背吃刀量實驗範圍[0.0５,1.0]、進給量0.1 mm/ ｒ、切削速度６00 m/ min。按黃（huáng）金分割法（fǎ）實（shí）驗點的提取步（bù）驟,在[0.0５,1.0]的0.６1８處取值,選取第1 實驗點為:

Ｐ1 ＝0.0５＋0.６1８(1.0-0.0５)＝ 0.６37 1

第2 實驗點（diǎn）為（wéi）:

Ｐ2 ＝0.0５＋0.3８2(1.0-0.0５)＝ 0.412 ９

實驗測（cè）得Ｐ2的表麵粗糙度值Ｒａ1.41５ μm 優（yōu）於Ｐ1 的（de）表（biǎo）麵（miàn）粗糙度值Ｒａ1.５５4 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分,在留下（xià）部分再找（zhǎo）出Ｐ2的對稱點Ｐ3。

第3 實驗點為:

Ｐ3 ＝0.0５＋0.3８2(0.６37 1-0.0５)＝ 0.274 3

實驗測得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm 好於Ｐ2 的表麵粗糙度值（zhí）Ｒａ1.41５ μm,則（zé）舍棄不包括Ｐ2 點的（de）以（yǐ）外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的對（duì）稱點。

第4 實驗點（diǎn）為:

Ｐ4 ＝0.0５＋0.3８2(0.412 ９-0.0５)＝ 0.1８８６

實驗測得的Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好於Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的以外部（bù）分,在（zài）留下的（de）部分中找（zhǎo）到Ｐ4的對稱點。

Ｐ５＝0.0５＋0.3８2(0.274 3-0.0５)＝ 0.13５ 7

實驗測得的Ｐ4的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ1.271 μm 好於Ｐ５的表麵粗糙度值Ｒａ1.2８0 μm,則舍棄不包括Ｐ５的以外部分。

背吃刀量對表麵粗糙度的影響,如圖4 所示。隨著切削深度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸（jiàn）增大,增大趨勢不明顯（xiǎn）；但在切削深度（dù）小於0.1 mm 時,測得工件（jiàn）表麵粗糙度又趨於反方向細微（wēi）增大。實驗結束, 優選範（fàn）圍為[0.13５ 7,0.274 3] 。

圖４背（bèi）吃刀（dāo）量對表麵粗糙度的影響

３.２等距法確定因（yīn）素水（shuǐ）平值

依據等距法,切削速度範（fàn）圍[８0９,1 000] ,因素水平值為８0９、９0５、1 000；進給量範圍[0.02,0.04６] ,因素水平值為0.02、0.033、0.04６；背吃（chī）刀量範圍[0.13,0.27] ,因素水平值為0.13、0.20、0.27。

３.３正交實（shí）驗

采用三因素三水平Ｌ９(33)組合切削參數,3 個因素分別是:切削速度νｃ、進給量ｆ和背吃刀量（liàng）ａｐ ,以工件表麵粗糙度作為質量特（tè）征,評價切削參數的優劣（liè）。正交實驗（yàn）的因素水平表見表1。

表１正交實驗因素水平表

ｔ正（zhèng）交實驗方案與結果見表2。

表２正交實驗方案及結果

由實驗數據分（fèn）析,對工件表麵粗糙度影響最大的因素是進給量（liàng）,次之是切削深度,切削速度（dù）的影響最小。如圖５所（suǒ）示,切（qiē）削參數（shù）對表麵粗糙度的影響驗證,隨著切削速度（dù）的增大,工件表麵粗糙度（dù）值逐漸減小；隨著切削深（shēn）度的增大,工件表麵粗糙度值（zhí）逐漸增大；隨著進給量的（de）增大,工件表麵粗糙度（dù）值顯著增大。工件表麵二次元成像微觀機理顯（xiǎn）示,隨進給量的增大,走刀間距變大,工件表麵上紋路清晰（xī）,是造成工件表麵粗（cū）糙度值變大（dà）的（de）主要因素。

圖５切削參數對表（biǎo）麵（miàn）粗糙度的影響

正交實驗驗證:在穩定的高速車削環境下,切削速度與（yǔ）切削深度對表麵粗糙度值影（yǐng）響較小,進給量是造成工（gōng）件表麵粗（cū）糙度值變大的主要因素。提取進給量的含優區間為[0.033,0.04６]。

３.４黃金分割法單因素實驗

選取進給量實驗範圍（wéi）[0. 033,0. 04６]、背吃刀量0.2 mm、切（qiē）削速度９00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.033,0.04６]的0.６1８處取（qǔ）值,選取（qǔ）第1 實驗點為（wéi）:

Ｐ1 ＝0.033＋0.６1８(0.04６-0.033)＝ 0.041

第2 實驗（yàn）點為:

Ｐ2 ＝0.033＋0.3８2(0.04６-0.033)＝ 0.03８

實驗Ｐ1 的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ0.3９1 μm,Ｐ2 的表麵粗糙度值Ｒａ0.3８7 μm,則Ｐ1 測得的（de）是最優實驗（yàn）值。實驗結束,進（jìn）給量取值為0.041 mm/ ｒ。

４. 結語

在穩（wěn）定的高速車（chē）削環（huán）境（jìng）下,切（qiē）削速度與（yǔ）切削深（shēn）度對表麵粗糙度值（zhí）影響較小,進給量是影響工件表麵粗糙度值變（biàn）化的主要因素。PCD 刀具車削５0５2 鋁合金表麵粗糙度達到Ｒａ0. 4 技術要求的最佳工（gōng）藝參數是: 進給量0.041 mm/ ｒ、背吃（chī）刀量0.2 mm、切削速度９00 m/ min。黃金（jīn）分割法應用於鋁合（hé）金車削表麵質量的實驗研究,拓寬了實（shí）驗（yàn）方法（fǎ）,有效地減少了實驗次數（shù）,提高了實（shí）驗精度。所獲得的（de）實驗數據為這類材料高精度、高效率車削加工提供了可靠的理論依據。

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