鋁硅合金ADC12高速銑削力實驗研究*

何一冉，畢京宇，陳　濤，叢　明，劉　冬

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連機床集團有限責任公司，遼寧 大連 116620)

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鋁硅合金ADC12高速銑削力實驗研究*

何一冉1，畢京宇1，陳濤2，叢明1，劉冬1

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連機床集團有限責任公司，遼寧 大連 116620)

針對某E型發動機缸體、缸蓋材料─鋁硅合金ADC12，采用硬質合金四刃直柄平頭立銑刀，進行了高速銑削力單因素以及正交實驗。探究了高速立銑過程中，切削力在不同的切削條件下隨切削參數改變而變化的規律以及產生原因。根據方差分析結果，得到各切削參數對各向切削力的影響顯著性大小。在分析實驗結果的基礎上，指出了鋁硅合金ADC12高速切削參數選取的一般原則。

鋁硅合金；高速銑削力；加工實驗

0　引言

切削力是研究切削過程的重要物理量之一，其大小和變化對機床在切削過程中的切削力變化以及加工穩定性具有直接的影響，同時又會與切削熱產生耦合效應，影響工件的加工精度、已加工表面質量以及刀具的磨損和使用壽命等[1]。因此，研究切削力的變化規律對于分析切削機理、優化切削參數、刀具結構參數以及提高加工精度具有積極的影響，更進一步還可以提高切削加工效率、降低生產成本，對于生產實際具有重要的意義。

銑削過程是多齒斷續切削過程，在存在螺旋刃的情況下，由于螺旋刃形狀復雜，切削力呈現周期性的變化，其影響因素主要有被加工零件的材料、刀具的材料以及幾何參數、切削參數以及切削條件等。不同的材料由于其硬度、強度、導熱性能、熱處理性能的不同，在高速銑削過程中表現出的切削力變化規律也不盡相同。同時，銑削力又會直接影響切削熱的產生，并進一步影響刀具的磨損以及加工表面質量等。另外，高速切削過程中刀具與工件高速碰撞，特別是對于立式銑削這種斷續切削過程，高頻沖擊特性會非常地明顯[2-3]。因此，有必要對高速銑削鋁硅合金ADC12過程中切削力的大小及變化規律展開研究。

1　高速銑削力實驗設計

1.1實驗材料

實驗材料為某E型發動機缸體、缸蓋材料—鋁硅合金ADC12。工件尺寸為170mm×105mm×70mm，其中Si含量為10.86%。

1.2實驗系統

(1) 加工中心選用大連理工大學模具研究所OKUMA MB-56VA高速加工中心，主軸最高轉速可達25000r/min，三軸最大切削進給速度 32m/min，額定功率27kV·A，額定電流41.1A，主馬達額定電流52A；

(2) 刀具采用四刃直柄平頭立銑刀，材質為整體硬質合金，切削刃部分為納米涂層。刀具直徑為10mm,螺旋角45°；

(3) 冷卻方式：乳化液冷卻潤滑；

(4) 切削力測量系統。切削測力儀采用大連理工大學傳感測控研究所研制的YDCB-III05壓電式三向切削測力儀，精度0.01N；YE5850B電荷放大器，采集卡PCI9118，最大采樣頻率330kHz；實驗數據采集及處理軟件采用大連理工大學傳感測控研究所的GDFMS 通用切削力測試系統。實驗原理及現場布置如圖1所示。

(a)切削力測量原理示意圖

(b)實驗現場布置圖

1.3實驗方法設計

本章實驗主要探究高速銑削鋁硅合金ADC12過程中切削參數對切削力大小的影響規律，具體的實驗步驟為:

(1) 對實驗材料待加工平面進行粗加工；

(2) 安裝高速銑削實驗使用的硬質合金刀具，安裝固定三向切削力測量儀以及鋁硅合金樣件；

(3) 對樣件進行試切，以檢驗切削系統的可靠性；

(4) 按照實驗設計方案，依次進行實際切削加工實驗，并利用軟件采集并保存切削力測量數據；

(5) 利用上述軟件，處理各組實驗數據，并進行高速銑削鋁硅合金ADC12切削力的相關分析研究。

2　高速銑削力單因素實驗

2.1主軸轉速單因素實驗

對于金屬切削加工而言，提高主軸轉速是提高加工效率的有效手段，探究主軸轉速對銑削力的影響規律是主軸轉速優化選擇的基礎，故本次實驗主要研究主軸轉速對銑削力大小的影響，故保持其余參數(每齒進給量fz=0.06mm/z、軸向切深ap=1mm、徑向切深ae=8mm)不變，只改變主軸轉速的大小。實驗方案及結果如圖2所示。

圖2　主軸轉速對各向切削力的影響

由實驗結果可知，可以看出峰值切削力隨速度的變化趨勢。對于Fxmax、Fzmax而言，在16000r/min之前，隨著主軸轉速的增加，切削力(無特別說明，下文切削力均指峰值切削力)隨著增加，這主要是由于主軸轉速增加，沖擊力頻率增高，從而增大了切削力。當主軸轉速超過16000r/min以后，切削力隨著主軸轉速增大而降低，這主要是因為此時切削溫度的影響占據了主導地位，切削溫度的升高使刀屑摩擦因數下降，變形系數減小，所以切削力呈現下降的趨勢。其中，主軸轉速對于Fxmax影響較為顯著，而Fzmax相對變化較慢；對于Fymax而言，隨著主軸轉速的增加，切削力全程呈現下降趨勢，下降幅度在25%左右。徑向切削力的減小，有利于提高工件的尺寸形狀精度，特別是對于缸體、缸蓋這類薄壁件的加工精度的提高意義重大。

主軸轉速的提高可以提高單位時間內的材料切除量，同時還提高了進給速度，較大地提高了生產率；提高主軸轉速可以降低切削力，進而減小工件變形，提高加工精度；主軸轉速提高的同時，切屑將帶走絕大部分切削熱，傳入工件的切削熱較少，也可以降低切削熱對于工件變形的影響等等[4-5]。因此，結合工廠實際應用現狀以及機床的性能，切削速度選在16000r/min以上比較合適。

2.2進給量單因素實驗

由切削力公式可知，進給量是影響銑削力大小的重要因素之一，同時也是提高生產效率的重要手段，本次實驗主要研究進給量對銑削力大小的影響，保持其余切削參數(主軸轉速n=12000r/min、軸向切深ap=1mm、徑向切深ae=8mm)不變，只改變主軸轉速的大小。實驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著進給量的增大，銑削力總體呈現增大趨勢，其中進給量對于Fxmax的影響最為顯著，但是在進給方向，工件剛性較高，對于此方向的加工變形可以忽略不計。對于加工變形影響較大的Fymax、Fzmax而言，Fymax、Fzmax并沒有隨著進給量的增加而成比例的增加，這主要是由于切削力存在尺寸效應的關系，即切削力與切削厚度并不是完全的成比例的增加，切削厚度越薄，每單位切削面積的阻力就越大。所以，出現了圖3所示的現象：隨著進給量的增大，切削厚度增大，切削力增大，但增加趨勢放緩。造成尺寸效應的原因主要有以下幾點：

(1)切削刃的塌刃與崩刃現象的存在。刀具的切削刃不可能一直保持銳利的狀態，總會存在一些塌刃與崩刃的現象，而塌刃或者崩刃區域的前角為負值，當以該負前角區域為主進行切削且切削厚度較薄時，剪切角減小，單位切削力增加[6]。

(2)已加工表面的流動功的非線性增長。金屬材料切削過程中，除了形成切屑，還形成了加工變質層。加工變質層是由已加工表面層發生塑性變形而形成，其厚度與形成該層所需能量與切削厚度的增大或減小不成比例。

(3)摩擦應力的增加與剪切角的減小。當減小切削厚度時，會造成前刀面溫度的降低，從而導致前刀面的剪切應力增大，摩擦增大，剪切角減小，單位切削力增加[7]。

圖3　進給量對銑削力的影響

2.3軸向切深單因素實驗

軸向切深、徑向切深都會直接影響切削面積的大小，進而影響銑削力的大小。在立銑過程中，不同的軸向切深與徑向切深的組合會產生不同的瞬時切削力分布，因此，本文將從大徑向切深和小徑向切深兩種條件下，探究軸向切深對銑削力大小的影響。

(1)大徑向切深條件下

在徑向切深ae=8mm，同時保持主軸轉速n=12000r/min、每齒進給量fz=0.06mm/z不變，改變軸向切深的大小，實驗方案及結果如圖4所示。

圖4　軸向切深對切削力的影響(大徑向切深)

(2)小徑向切深條件下

在徑向切深ae=0.24mm，同時保持主軸轉速n=12000r/min、每齒進給量fz=0.06mm/z不變，改變軸向切深的大小，實驗方案及結果如圖5所示。

由實驗結果可知，在大徑向切深條件下，切削力隨著軸向切深的增大而增大，這與理論分析結果一致。由于徑向切深較大，相應的Lcw值(刀齒與工件接觸線在Z向的投影)也較大，所以隨著軸向切深的增加，最大切削面積一直在增大，因此切削力也一直保持增大的趨勢。可見，在大徑向切深條件下，隨軸向切深的增加，切削力會不斷增大。而對于小徑向切深條件下，從圖5可以看出，切削力隨著軸向切深的增加而增大，但當軸向切深大于5mm以后，切削力增大趨勢放緩，這主要是因為在徑向切深較小的條件下，相應的Lcw值也較小，故會出現當軸向切深增大到一定值以后，最大切削面積保持不變的情況，相應的切削力也基本保持不變。可見，在小徑向切深條件，銑削過程中會出現一段銑削力基本保持不變的區間。

圖5　軸向切深對切削力的影響(小徑向切深)

2.4徑向切深單因素實驗

徑向切深影響切削面積的大小，進而直接影響銑削力的大小，以下將從大軸向切深和小軸向切深兩種條件下，探究徑向切深對銑削力大小的影響。

(1)大軸向切深條件下

在軸向切深ap=2mm，同時保持主軸轉速n=12000r/min、每齒進給量fz=0.06mm/z不變的條件下，改變徑向切深的大小，實驗方案及結果如圖6所示。

圖6　徑向切深對切削力的影響(大軸向切深)

(2)小軸向切深條件下

在軸向切深ap=0.24mm，同時保持主軸轉速n=12000r/min、每齒進給量fz=0.06mm/z不變，改變徑向切深的大小，實驗方案及結果如圖7所示。

圖7　徑向切深對切削力的影響(小軸向切深下)

由以上圖表可知，在兩種條件下，Fymax、Fzmax兩向切削力在ae≤6mm的區間內時，整體上隨著徑向切深的增加而增大，但在ae>6mm以后，Fymax、Fzmax兩向切削力隨著徑向切深增加而減小。在立銑加工時，由于被切削層的截面由兩段擺線構成，其被切削層厚度是不斷變化的，與刀具的旋轉角度有關[8]。而銑削力的大小受被切削層的厚度的影響，當徑向切深小于刀具半徑時，被切削層厚度受徑向切削深度和每齒進給量控制，通常采用當量銑削厚度hm這一概念來描述銑削的切削層厚度。當量銑削厚度又稱為最大銑削厚度，可以由式(1)進行近似計算：

(1)

因此，在鋁硅合金的高速銑削時，結合工廠實際應用以及機床性能，在選擇徑向切深時，適當選擇較大的徑向切深是可取的，有助于提高生產效率。

3　高速銑削力正交實驗

上一節研究了高速銑削力在單因素影響下的變化規律，但尚不清楚各切削參數的顯著性，以下將設計正交實驗探究之。

3.1高速銑削力正交實驗方案

從研究結果的實際應用角度出發，并結合實驗設備的性能指標，本實驗選用標準正交實驗表L16(44)(四因素四水平)，實驗因素為上述四個切削參數，考察指標為Fxmax、Fymax、Fzmax以及Fhmax。正交實驗設計方案如表1所示。

表1　正交實驗各因素及水平

3.2正交實驗結果方差分析

通過對各切削參數對各向切削分力影響的分析，大致可以看出個切削參數對各向分力影響的顯著程度，接下來將通過方差分析，從數學統計層面精確計算各切削參數對各向分力影響的顯著程度，由方差分析結果可知切削參數對于各向切削力影響顯著性大小如下：

Fxmax:ap→n→ae→fz。

Fymax:ap→n→ae→fz。

Fzmax:ap→ae→n→fz。

Fhmax:ap→n→ae→fz。

由方差分析結果可知，軸向切深ap以及主軸轉速n對于銑削力的影響較為顯著。

4　總結

本章以高速銑削鋁硅合金過程中的銑削力為研究對象，研究了主軸轉速、每齒進給量、軸向切深以及徑向切深四個切削參數對于峰值銑削力的影響規律，得出的主要結論如下：

(1) 進行高速銑削力主軸轉速、每齒進給量、軸向切深以及徑向切深單因素實驗，其中對軸向切深、徑向切深單因素實驗分別進行了大徑向切深、小徑向切深軸向切深單因素實驗以及大軸向切深、小軸向切深徑向切深單因素實驗。在本文實驗條件下，依據實驗結果可以得出：銑削力隨主軸轉速的增加先增大后減小，在n=16000r/min出現拐點；銑削力隨著進給量的增加而逐漸增大，但由于尺寸效應的存在，銑削力隨進給量增大的趨勢逐漸放緩；不同徑向切深下，銑削力均隨軸向切深的增加而增大，但在小徑向切深條件下，當軸向切深增大到一定值以后，銑削過程中會出現一段銑削力隨軸向切深增加卻基本保持不變的區間；不同軸向切深下，在ae≤6mm區間內，銑削力隨徑向切深增加而增大，在ae>6mm區間內，銑削力隨徑向切深增加而減小。

(2) 進行高速銑削力正交實驗，對各向銑削力影響因素進行了方差分析，由分析結果可知，對于銑削力影響比較顯著的因素為軸向切深ap和主軸轉速n，而ap與n的選取不當還可能導致切削顫振現象的產生，影響工件的加工質量。因此，在實際生產過程中制定切削參數時，要尤其注意這兩個切削參數的選取。

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[3] 鄭光明,趙軍,徐汝鋒,等.陶瓷刀具超高速銑削鎳基高溫合金刀具失效機理研究[J].組合機床與自動化加工技術,2014(10):127-130.

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(編輯趙蓉)

High Speed Milling Force Experiment Research on Aluminum Silicon Alloy ADC12

HE Yi-ran1, BI Jing-yu1, CHEN Tao2, CONG Ming1,LIU Dong1

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China;2.Dalian Machine Tool Group Co., LTD, Dalian Liaoning 116620, China)

In allusion to a type of engine cylinder block, cylinder head material-ADC12 aluminum silicon alloy, four blades using hard alloy straight shank end milling cutter head, high speed milling force single factor and orthogonal experiment were carried out.The rule and the reason of cutting force under different cutting conditions changing with thechanging of cutting parameters in the process of high-speed end milling were explored. The influence of cutting parameters on the cutting force to significant size can be obtained according to the results of variance analysis. On the basis of the analysis of experimental results, the general rules of selection of high speed cutting parameters of the aluminum silicon alloy ADC12 were pointed out.

aluminum silicon alloy;high speed milling force;the processing experiment

1001-2265(2016)04-0001-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.001

2015-03-24；

2015-04-16

國家 “高檔數控機床與基礎制造裝備” 科技重大專項課題(2011ZX04015-021)

何一冉(1989—)，男，河南商丘人，大連理工大學碩士研究生，研究方向為高速切削與精密加工技術，(E-mail) heyiran0228@163.com；通訊作者：叢明(1963—)，男，遼寧大連人，大連理工大學教授，博士生導師，研究方向為機器人技術及應用、自動化技術與裝備，(E-mail) congm@dlut.edu.cn。

TH161；TG501.1

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