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PＣD 刀具車削鋁合金（jīn）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學院作者：喬龍陽劉白

摘要:影響（xiǎng）PCD 刀具車削鋁合金表麵粗糙度的主要因素是切削速度（dù）、進給量、背吃刀量。以黃金分割法設計了實驗方案,優選了三因素的（de）水（shuǐ）平範圍,用等距法設置了水（shuǐ）平值。實驗結果表明,對工件車削表麵粗糙度影響最大的因（yīn）素（sù）是進給量,次之是切削深度,切削（xuē）速度的影（yǐng）響最小。通過正交實驗（yàn）法驗證了上述實驗數據（jù）並篩（shāi）選（xuǎn）了含優區間,獲得了本工藝（yì）的最佳切削參數。

關鍵詞（cí）:PCD 刀具；車削；鋁合金；黃金分割法；表麵粗糙度

０. 引言（yán）

為滿足使（shǐ）用性能、外（wài）形美觀等要求,５0５2 鋁（lǚ）合金產（chǎn）品的表（biǎo）麵粗糙度需達（dá）到Ｒａ0.4 以上的技術（shù）要求。但是,傳統（tǒng）加工普遍采用硬質合金刀具低速（sù）車削加工,切屑容易與（yǔ）刀具發生“膠焊”或粘連,形成積屑瘤,加工質量差、生產效率非常低[1-2] 。

PCD 刀具（jù）材料硬度高、導熱性好、摩擦係數小,使得切屑變形和切削力（lì）降低、刀具磨損緩慢、切（qiē）削過程更為穩定,有（yǒu）利於降低表麵粗糙度[3-５] ,高速車削[６] 時零件表麵可達到鏡麵效果,是目前車（chē）削鋁合金理想的刀具材料。不足之處是針對５0５2 鋁合金的研究（jiū）,大多是麵向其生產工藝（yì）[7] 、焊接組織和性能[８-９] 等方麵的研究,而針對其車削加工（gōng）性能的實驗研究（jiū）很少,因此開展（zhǎn）PCD 刀具車削鋁（lǚ）合金表麵粗糙（cāo）度的研究,對於提高（gāo）這類材料產品質量和生產效率有著現實的意義（yì）。

鋁合金車削性能相關的實驗（yàn）研究,大多（duō）采用正交實驗或（huò）單因素實驗（yàn）等方法,這些方法存（cún）在實（shí）驗次數（shù）多、實驗精度不高的缺（quē）點。現以（yǐ）黃金分割法優選影響５0５2 鋁合金表麵粗（cū）糙度的切削參數因素水平範圍,以等距法確定因素水平值,以正交實驗篩（shāi）選（xuǎn）驗證（zhèng）,得出影響表麵粗糙度的主要因素,確定臨界區域,以黃金分割法為單因素考察方法（fǎ）,確定PCD 刀具車削（xuē）５0５2 鋁合金表麵粗糙度的最佳工藝條件。

１. 黃金分割法實（shí）驗原理

黃金分割法（fǎ）是通過逐步縮小搜索區間（jiān）,來求得一元函數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取,如圖1 所示,實驗範圍[ａ,ｂ] ,將第一個實驗點ｘ1安排在實驗範圍內的0.６1８處(距左端點（diǎn）ａ),即ｘ1 ＝ａ＋(ｂ-ａ)×0.６1８,得到實驗結果ｆ(ｘ1 )；再在ｘ1的（de）對稱點ｘ2 ,即ｘ2 ＝ａ＋(ｂ -ａ) ×0. 3８2,得到實驗結果ｆ(ｘ2 ),且（qiě）ｆ(ｘ) 值（zhí）越大,效果越好。若ｆ(ｘ1 ) >ｆ(ｘ2 ),即ｆ(ｘ1 )比ｆ(ｘ2 )好,則根（gēn）據（jù）“留好去壞”的（de）原則,去掉實驗範圍[ａ,ｘ2 ] 部分（fèn）,在[ｘ2 ,ｂ] 內繼續實驗。以後每（měi）次取一個試（shì）點,比較2 個結果,去壞留好,進（jìn）一步縮小範圍,進一步做實驗。

圖１黃金（jīn）分割法實驗點提取示意圖

在生產實（shí）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“劣（liè）”點部分,保留“優”點部分,快速逼近真實值（zhí）,並得到（dào）更（gèng）為精準的（de）實驗（yàn）數據。

２. 實驗條件

實驗材（cái）料:５0５2 鋁合金,規格為Φ６0 mm×５５ mm 的鋁（lǚ）合金管,壁厚4 mm,采用專用向心（xīn）結構（gòu）夾具裝夾定位。

刀具材料:三菱（líng）公司PCD

材（cái）質MD220。

實驗機床:XKNC-５0G 精密（mì）數控車床,主軸最（zuì）大轉速６ 000 ｒ/ min。

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

車削環境:濕式車削,采（cǎi）用煤（méi）油作為切削液。

評價方法:取（qǔ）輪廓（kuò）算術（shù）偏差Ｒａ作為評價參數,測量時取樣長度為1 mm,評定（dìng）長度為５ mm。

３. 實驗方法（fǎ）

為（wéi）了獲得較好的實驗（yàn）效果,對影響表麵粗糙度較大的切削參數三因素切削速度（dù）、進給量和背吃刀量,開展黃金分割法優選實（shí）驗,逐步縮小（xiǎo）實驗範圍,直至取得最佳的實驗數據。

３.１黃金分割法（fǎ）優選實（shí）驗

1) 利（lì）用黃金分割法確定進（jìn）給量的水平範圍

依據王洪（hóng）祥等[10] 金（jīn）剛石車削表麵微觀形貌形成機理的研究（jiū）,認（rèn）為表麵（miàn）粗糙度值（zhí）與進給量和刀尖圓（yuán）弧半徑存在如下關係（xì）:

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

Ｐ1 ＝0.02＋0.６1８(0.20-0.02)＝ 0.131 2

第2 實驗（yàn）點為:

Ｐ2 ＝0.02＋0.3８2(0.20-0.02)＝ 0.0８８ 7

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

第3 實（shí）驗點為:

Ｐ3 ＝0.02＋0.3８2(0.131 2-0.02)＝ 0.0６2 ５

實驗測（cè）得Ｐ3的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ0.８43 μm 好於Ｐ2 的表麵粗糙度值Ｒａ1.27５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的（de）以（yǐ）外部分（fèn）,在留（liú）下的部分中（zhōng）找到（dào）Ｐ3的對稱點。

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 好於Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ0.８43 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的（de）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

實驗測得的Ｐ５的表麵粗（cū）糙度值Ｒａ0.371 μm 好於Ｐ4的表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）Ｒａ0.4９５ μm,則舍棄不包括Ｐ4 的以外部（bù）分。

進給量（liàng）對表麵粗糙度的影響,如圖2 所示。隨著進給量的增大,工件表麵粗糙度值顯著增大。實驗點所在（zài）實驗範（fàn）圍包括含優點,則（zé）實驗結（jié）束,優選（xuǎn）實驗範圍為[0.02,0.04６] 。

圖２進給（gěi）量對表麵（miàn）粗糙（cāo）度的影響

2) 利用（yòng）黃金（jīn）分割法確定切削速度的水平範圍

選取切削（xuē）速度實驗範圍[５00,1 000]、背（bèi）吃刀量0.3 mm、進給（gěi）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（chù）取（qǔ）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（miàn）粗糙度值Ｒａ1.241 μm 優於Ｐ2 的表麵粗（cū）糙度值Ｒａ1.37５ μm,則舍棄不包（bāo）括（kuò）Ｐ2 點的（de）以外部分,在留下部分再找出Ｐ1的對稱點Ｐ3。

第3 實驗點為（wéi）:

Ｐ3 ＝６９1＋0.６1８(1 000-６９1)＝８８2

實驗（yàn）測得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.233 μm 好（hǎo）於Ｐ1 的表（biǎo）麵粗糙度（dù）值Ｒａ1.241 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分。

切（qiē）削速度對表麵粗糙度的影響,如圖3 所示。隨（suí）著切削速度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸減小,在切削（xuē）速度（dù）達到８00 m/ min 以上值後,對表麵粗（cū）糙度（dù）的影響降低,表麵粗糙（cāo）度值趨於穩定（dìng）。因此,實驗結（jié）束,優選範圍為[８0９,1 000] 。

圖（tú）３切削速度對表麵粗糙度的影響

3) 利用（yòng）黃金分割法確定（dìng）背吃刀量（liàng）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（qiē）削速度（dù）６00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.0５,1.0]的0.６1８處取值（zhí）,選取第1 實驗點為:

Ｐ1 ＝0.0５＋0.６1８(1.0-0.0５)＝ 0.６37 1

第（dì）2 實驗點為:

Ｐ2 ＝0.0５＋0.3８2(1.0-0.0５)＝ 0.412 ９

實驗測得Ｐ2的表麵粗糙度值Ｒａ1.41５ μm 優於Ｐ1 的表麵粗（cū）糙度值（zhí）Ｒａ1.５５4 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分（fèn）,在留下部分再找出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（de）表麵粗糙度值Ｒａ1.41５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的（de）以外部（bù）分,在留下的部分中找到Ｐ3的對稱點。

第4 實驗點為:

Ｐ4 ＝0.0５＋0.3８2(0.412 ９-0.0５)＝ 0.1８８６

實（shí）驗測得的Ｐ4的表麵粗糙（cāo）度值Ｒａ1.271 μm 好於Ｐ3的（de）表麵粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm,則舍棄（qì）不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的（de）部分中找到Ｐ4的對稱點。

Ｐ５＝0.0５＋0.3８2(0.274 3-0.0５)＝ 0.13５ 7

實驗測得的Ｐ4的表麵粗糙度值（zhí）Ｒａ1.271 μm 好於Ｐ５的表麵粗糙度值Ｒａ1.2８0 μm,則舍（shě）棄不包括Ｐ５的以（yǐ）外部（bù）分。

背吃刀量對表麵粗糙度的（de）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增大,增大趨勢不（bú）明顯；但在切削深度小於0.1 mm 時,測得工件表麵粗糙（cāo）度又（yòu）趨於反方向細微增大。實驗結束, 優選範（fàn）圍為[0.13５ 7,0.274 3] 。

圖４背吃刀量對表麵粗糙度的影響

３.２等距法確定因素（sù）水平值

依據等距（jù）法,切削速度範圍[８0９,1 000] ,因素水平值為（wéi）８0９、９0５、1 000；進給（gěi）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（yīn）素水平值為0.13、0.20、0.27。

３.３正交實驗

采（cǎi）用三因（yīn）素三水平（píng）Ｌ９(33)組合切削參數,3 個因素分別是:切（qiē）削速度νｃ、進給量ｆ和背吃刀量ａｐ ,以工件（jiàn）表麵粗糙度作為質量特（tè）征,評價切削參數的優劣。正交（jiāo）實驗的因（yīn）素水平（píng）表見（jiàn）表1。

表１正交實驗因素水平表

ｔ正交實驗方案與結果見表2。

表２正交實驗方案及結（jié）果

由實驗數據（jù）分析,對工件（jiàn）表麵粗糙度影響最大的因素是進給量,次之是切（qiē）削深度,切削速度的影響最小。如（rú）圖５所示,切削參數對表麵粗糙度的影響驗證,隨著切削速度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸減小；隨著切削深度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸增大；隨著進（jìn）給量的增大,工件表麵粗糙度值顯（xiǎn）著增大。工（gōng）件表麵二次元成像微觀機理顯示,隨進給量的增大,走刀間距（jù）變大,工（gōng）件表麵（miàn）上紋路清晰,是造成工件表麵粗糙度值變大的主要因素。

圖５切（qiē）削參數對表麵粗糙度（dù）的影響

正交實驗驗證:在穩定的高速車削（xuē）環境下,切削速度與切（qiē）削深度對表麵粗糙度值影響較小,進給（gěi）量是造成工件表麵粗糙度值變大的主（zhǔ）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（jìn）給量實驗範圍[0. 033,0. 04６]、背吃刀量（liàng）0.2 mm、切削速度９00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.033,0.04６]的（de）0.６1８處取值,選取第1 實驗點為:

Ｐ1 ＝0.033＋0.６1８(0.04６-0.033)＝ 0.041

第2 實驗點為:

Ｐ2 ＝0.033＋0.3８2(0.04６-0.033)＝ 0.03８

實（shí）驗Ｐ1 的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ0.3９1 μm,Ｐ2 的表麵（miàn）粗糙度（dù）值Ｒａ0.3８7 μm,則Ｐ1 測得的是最優實驗（yàn）值。實（shí）驗結束,進給量取值為0.041 mm/ ｒ。

４. 結（jié）語

在穩定的高（gāo）速車削環（huán）境下,切削速度與切（qiē）削深度對表麵粗糙度值影響較小,進給量是影（yǐng）響工件表（biǎo）麵粗糙度值變化的主要因素。PCD 刀具車削５0５2 鋁合金表麵粗（cū）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、背吃刀量0.2 mm、切削（xuē）速度９00 m/ min。黃金分割（gē）法應用於鋁合金車削表麵質量（liàng）的（de）實驗研究（jiū）,拓寬了實驗方法,有效地減少了實（shí）驗次數,提高了實驗精度。所獲得的實驗數（shù）據為這類材料（liào）高精度、高效率車削加工提供了可靠的理論依據。

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