高速微銑削Al2 O3 工程陶瓷工藝參數(shù)試驗(yàn)研究*

楊 舒，許金凱，李曉舟，于化東，張向輝，趙智龍

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

Al2O3工程陶瓷作為一種先進(jìn)的特種陶瓷，具有高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)等特性，且具有優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性、耐磨性、耐熱性、耐損傷性和自潤(rùn)滑性［1-2］，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域。隨著科學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)精密三維復(fù)雜微小結(jié)構(gòu)件的需求日益迫切，這也對(duì)Al2O3工程陶瓷的精密加工方式提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

由于Al2O3工程陶瓷一般通過(guò)熱壓燒結(jié)方法制成，形位尺寸精度和表面質(zhì)量較低，只有通過(guò)進(jìn)一步加工，才能得到結(jié)構(gòu)形狀、可靠性、互換性等方面要求較高的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件。傳統(tǒng)的加工方法主要是對(duì)其進(jìn)行磨削、車削、鉆孔等，在實(shí)際精加工時(shí)又以機(jī)械磨削最為普遍，但這種方法僅限于加工較大平面和回轉(zhuǎn)曲面［3-4］。因此，制備具有復(fù)雜、異形、集成結(jié)構(gòu)的精密Al2O3工程陶瓷零件已經(jīng)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本文利用高速小型微銑床對(duì)Al2O3工程陶瓷進(jìn)行全徑銑削微溝槽正交試驗(yàn)，驗(yàn)證了Al2O3工程陶瓷材料的金剛石涂層刀具微細(xì)銑削加工方式的可行性，并以精密微銑削加工得到的表面粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用極差法分析了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和軸向切深對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律，并對(duì)微銑削加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了適合于Al2O3工程陶瓷材料高速微細(xì)銑削工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

自行研制的小型高速精密微銑床電主軸最高轉(zhuǎn)速為100，000r/min，主軸回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于1 μm;工作臺(tái)位置精度優(yōu)于± 0.5 μm/100 mm，重復(fù)定位精度達(dá)±0.2μm，機(jī)床如圖1 所示。

圖1 小型高速精密微銑削機(jī)床

試驗(yàn)材料為純度95%以上的Al2O3工程陶瓷，其物理力學(xué)特性如表1 所示。

表1 Al2O3 工程陶瓷物理力學(xué)特性

試驗(yàn)采用金剛石涂層雙刃銑刀，粗銑選用直徑較大的銑刀，精銑時(shí)選用φ 1mm 直徑微銑刀，刀具懸伸24mm，刀柄直徑為4mm，刃長(zhǎng)為2mm，刀尖圓弧半徑為0.05mm。通過(guò)超景深顯微鏡KEYENCE VHX-1000觀測(cè)到加工使用前的刀具形貌，如圖2 所示。高速銑削陶瓷工件后，用MarSurf LD120 輪廓與粗糙度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)陶瓷工件進(jìn)行表面粗糙度的測(cè)量。

圖2 加工前刀具形貌圖

1.2 試驗(yàn)方法

在高速精密微銑削Al2O3工程陶瓷過(guò)程中，首先用等直徑銑刀對(duì)工件進(jìn)行粗銑，在工件表面加工出基準(zhǔn)面，然后在基準(zhǔn)面上銑削微細(xì)溝槽結(jié)構(gòu)，微銑削過(guò)程如圖3 所示。

采用φ 1mm 直徑微銑刀對(duì)工件進(jìn)行精密銑削時(shí)，試驗(yàn)選擇了高切削速度、小進(jìn)給量和小軸向切深，并設(shè)計(jì)了三因素四水平正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平分布如表2 所示。

圖3 高速精密微銑削Al2O3 工程陶瓷過(guò)程

表2 φ 1mm 微銑刀精銑Al2O3 工程陶瓷正交試驗(yàn)因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

高速精密微銑削陶瓷工件后，對(duì)不同加工參數(shù)所加工的溝槽底部表面粗糙度Ra和Rz值進(jìn)行測(cè)量，為使測(cè)量結(jié)果能夠準(zhǔn)確得反映微細(xì)溝槽底部表面粗糙度，所有溝槽均測(cè)量多次，并運(yùn)用狄克松準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，排除粗大誤差后取其算術(shù)平均值作為溝槽底部表面粗糙度Ra和Rz值，以此表征不同加工參數(shù)下的溝槽底部表面形貌。所得正交試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 φ 1mm 微銑刀精銑表面粗糙度L9(34)正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)利用極差法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定各加工參數(shù)對(duì)Al2O3陶瓷工件表面粗糙度影響的大小。K1，K2，…，K4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的表面粗糙度Ra值之和，相應(yīng)的k1，k2，…，k4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的平均表面粗糙度Ra值;T1，T2，…，T4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的表面粗糙度Rz值之和，相應(yīng)的t1，t2，…，t4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的平均表面粗糙度Rz值;R和R'均為各因素的極差值，是每個(gè)因素在各個(gè)水平下響應(yīng)均值的最大值與最小值之差，即:

將各數(shù)據(jù)計(jì)算后填表，如表3 所示。Rj值和R'j值標(biāo)志各水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響大小，數(shù)值越高，影響效果越大。由表3 知，RA= 0.007，RB= 0.0323，RC=，為更加清晰地表示各因素對(duì)工件表面粗糙度影響的主次順序，畫出各因素與Ra值和Rz值的關(guān)系圖，如圖4 和圖5 所示。

圖4 φ 1mm 微銑刀精銑時(shí)表面粗糙度Ra 值與三因素關(guān)系圖

圖5 φ 1mm 微銑刀精銑時(shí)表面粗糙度Rz 值與三因素關(guān)系圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，φ 1mm 直徑微銑刀懸伸量為24mm 微銑削Al2O3工程陶瓷時(shí)，軸向切深ap對(duì)Ra值和Rz值影響最大，進(jìn)給速度vf次之，主軸轉(zhuǎn)速n對(duì)工件表面粗糙度影響較低。以Ra值為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)時(shí)最優(yōu)組合為A1B1C1，即主軸轉(zhuǎn)速為24000r/min，進(jìn)給速度為5mm/min，軸向切深為2.5μm 時(shí)，Ra值最小;以Rz值為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的最優(yōu)組合為A4B3C1，即主軸轉(zhuǎn)速為33000r/min，進(jìn)給速度為10mm/min，軸向切深為2.5μm 時(shí)，Rz值最小。

利用多元線性回歸的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到用φ 1mm 直徑微銑刀精銑時(shí)，試驗(yàn)加工的表面粗糙度Ra值和Rz值與主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf和軸向切深ap這三個(gè)銑削工藝參數(shù)之間的線性關(guān)系。關(guān)系如式(3)和(4)所示:

2.3 各因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制φ 1mm 微銑刀高速微銑削Al2O3工程陶瓷時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf和軸向切深ap與工件表面粗糙度Ra及Rz值的關(guān)系曲線，如圖6 所示，并分析各因素對(duì)工件表面粗糙度Ra值和Rz值的影響規(guī)律。

圖6 φ 1mm 微銑刀精銑時(shí)各因素與表面粗糙度Ra 和Rz的關(guān)系曲線

2.3.1 軸向切深對(duì)加工表面粗糙度的影響分析

本試驗(yàn)中軸向切深是影響工件表面粗糙度的最主要因素。由圖6c 得知，軸向切深在2.5～10μm 范圍內(nèi)變化時(shí)，工件表面粗糙度值隨著軸向切深的增加而增加。當(dāng)軸向切深為2.5μm 時(shí)，表面粗糙度Ra和Rz值最小，工件表面質(zhì)量最佳。微細(xì)銑削Al2O3工程陶瓷時(shí)，軸向切深的增加會(huì)使微銑刀的切削力增加，銑削力幅值的波動(dòng)導(dǎo)致工件表面粗糙度增大，又由于微銑刀的直徑較小，銑削力的增加會(huì)使工件、刀具產(chǎn)生變形，產(chǎn)生的切削振動(dòng)使表面粗糙度顯著變化［5］。此外，微型銑刀的磨損同樣對(duì)微銑削表面成形有著顯著的影響。在高速銑削過(guò)程中，刀具和工件接觸區(qū)頻繁的溫度變化使得涂層和刀具基體之間產(chǎn)生了高頻交變熱應(yīng)力，較大的軸向切深會(huì)使刀具出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象;又由于微細(xì)銑削中刀刃部分直徑小，刀尖強(qiáng)度低，在每齒進(jìn)給量很小時(shí)，切削厚度與刃口圓弧半徑在同一數(shù)量級(jí)甚至更小時(shí)，切削主要集中在刀尖附近，刀尖會(huì)產(chǎn)生明顯破損［6-7］。正是由于這些原因?qū)е碌毒吣p，進(jìn)而使工件表面粗糙度值增加，表面質(zhì)量降低。

2.3.2 進(jìn)給速度對(duì)加工表面粗糙度的影響分析

高速銑削常選取小進(jìn)給量進(jìn)行加工，較小的每齒進(jìn)給量會(huì)降低進(jìn)給方向上的殘留高度，提高加工表面質(zhì)量;在走刀方向上，較小的進(jìn)給量會(huì)影響到過(guò)渡表面形狀，進(jìn)而減小走刀方向的表面粗糙度［8］。在微銑削中由于微銑削中刃口半徑尺寸效應(yīng)，使得在進(jìn)給量發(fā)生變化時(shí)表面粗糙度發(fā)生明顯變化。由圖6b 得知，得知，進(jìn)給量在5～12mm/min 范圍內(nèi)變化時(shí)，工件表面粗糙度Ra和Rz值在5～10mm/min 時(shí)趨于穩(wěn)定，但隨著進(jìn)給速度的增加曲線最終呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由此可知，在高速微銑削中進(jìn)給速度是影響表面粗糙度的重要因素。

2.3.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工表面粗糙度的影響分析

本試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工表面粗糙度的影響是最次要的因素。由圖6a 得知，在高速精密微銑削Al2O3陶瓷工件過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速在24000～33000r/min 范圍內(nèi)變化時(shí)，微細(xì)溝槽底部的表面粗糙度Ra和Rz值隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加先略有增加然后逐漸降低，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于27000r/min 時(shí)，Ra和Rz值明顯減小。這是由于在微細(xì)切削過(guò)程中切削力是產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具的切削速度提高，切削力降低，可以使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，從而降低加工表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量［9］。

3 結(jié)論

通過(guò)φ 1mm 微銑刀對(duì)Al2O3工程陶瓷材料進(jìn)行高速微銑削表面粗糙度的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論:

(1)由正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析及多元線性回歸模型的建立得知，在試驗(yàn)條件下對(duì)Al2O3工程陶瓷材料加工時(shí)，軸向切深對(duì)工件表面粗糙度Ra和Rz值影響最大，進(jìn)給速度次之，主軸轉(zhuǎn)速的影響最小。

(2)試驗(yàn)中以Ra值為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)工藝參數(shù)是:主軸轉(zhuǎn)速為24000r/min，進(jìn)給速度為5mm/min，軸向切深為2.5μm;以Rz值為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)工藝參數(shù)是:主軸轉(zhuǎn)速為33000r/min，進(jìn)給速度為10mm/min，軸向切深為2.5μm。

(3)高速微銑削Al2O3工程陶瓷材料時(shí)，軸向切深的增加會(huì)使銑削力幅值波動(dòng)、刀具磨損，導(dǎo)致工件表面粗糙度增大。進(jìn)給速度是影響表面粗糙度的重要因素。提高主軸轉(zhuǎn)速可以降低切削力，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，從而降低加工表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量。

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