單晶DD98微尺度銑削表面質量試驗研究

蔡 明 鞏亞東 于 寧 高 奇

1.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽，1108192.沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽，110870

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單晶DD98微尺度銑削表面質量試驗研究

蔡 明1鞏亞東1于 寧2高 奇1

1.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽，1108192.沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽，110870

為探究單晶DD98微尺度銑削的表面質量，采用直徑為0.6 mm的微銑刀對單晶DD98進行三因素五水平的微尺度銑削正交試驗。通過極差分析和方差分析發現：主軸轉速對DD98表面質量的影響最大，銑削深度的影響次之，進給速度的影響最??；單晶DD98表面質量最好的工藝參數組合為主軸轉速36 000 r/min，銑削深度5 μm，進給速度100 μm/s。得到了主軸轉速、銑削深度和進給速度對表面質量的影響規律，并對其機理進行了分析，從而為單晶DD98材料的微尺度銑削加工提供理論依據。

單晶DD98；微尺度銑削；表面質量；正交試驗；極差分析和方差分析；最優工藝參數

0 引言

微尺度銑削[1]加工通常是指對微小尺寸零件的切削加工，其所加工零件的尺寸一般為0.1～10 mm，采用的微銑刀直徑在1 mm以下。銑削加工是最柔性的切削加工方法之一，而微尺度銑削加工是滿足微小三維復雜形狀零件和材料多樣性加工的有效途徑[2]。微尺度銑削是微切削加工領域里廣泛應用的技術，以其高效率和高柔性的特點成為一個極具開發潛力的研究方向。

單晶材料結晶取向一致，因此其位錯較少，雜質原子等微觀缺陷也相對較少，力學性能較好，與其他晶體材料相比具有良好的拉伸、剪切強度和延展性。單晶材料沒有晶粒邊界，與常規的晶體材料相比，此種材料具有更好的熱性能、疲勞性能和蠕變性能[3]。

國內外的研究機構和學者對微尺度銑削展開了研究[4-8]，但對單晶材料微尺度銑削的研究鮮有報道。本文對單晶DD98的微尺度銑削進行試驗研究。

1 單晶DD98微尺度銑削正交試驗

1.1 試驗條件

試驗的加工設備選擇JX-1精密加工機床，其對刀精度能達到0.002 mm，工作空間尺寸為490 mm×460 mm×120 mm，切削進給速度最高能達到9 m/min，主軸轉速最高能達到60 000 r/min，加工精度能達到亞微米級，并且該機床還配備有冷卻系統，便于更好地對工件進行冷卻；檢測設備選擇VHX-1000E超景深顯微鏡和Micromeasure三維輪廓儀；試驗刀具選擇直徑為0.6 mm的M.A.FORD雙刃硬質合金微銑刀，如圖1a所示；試驗材料選擇在航空航天和國防等領域應用廣泛的鎳基單晶高溫合金——單晶DD98。

合金的強化方式主要有固溶強化和第二相(沉淀相)強化兩種。而鎳基單晶合金除了具有其組成二相結構本身的固溶強化外，還具有第二相(沉淀相)的重要強化作用，其微觀的二相結構由金屬Ni基體(γ相)和析出的中間相Ni3Al(γ′相)組成，單晶DD98的金相組織如圖1b所示。

(a)試驗所用微銑刀(b)單晶DD98金相組織圖1 試驗條件Fig.1 Experimental conditions

1.2 試驗方案

試驗采用三因素五水平L25(53)槽銑削正交試驗的方法，分別探究主軸轉速(銑削線速度)、銑削深度和進給速度(每齒進給量)對單晶DD98表面質量的影響。正交試驗設計方案見表1。其中，主軸轉速n(r/min)取12 000(A1)、24 000(A2)、36 000(A3)、42 000(A4)、48 000(A5)；銑削深度ap(μm)取5(B1)、8(B2)、10(B3)、12(B4)、15(B5)；進給速度v(μm/s)取20(C1)、40(C2)、60(C3)、80(C4)、100(C5)。

2 試驗結果及分析

根據已選定的主軸轉速、銑削深度和進給速度三個因素及其五個水平和表面粗糙度評價標準對單晶DD98材料進行微尺度銑削正交試驗，通過Micromeasure三維輪廓儀對每組試驗中工件的表面粗糙度Ra測量3次并取平均值，平均值如表1所示。

2.1 單晶DD98微尺度銑削工藝參數的優化

表1 單晶DD98微尺度銑削正交試驗方案設計

表2 試驗結果極差分析和方差分析

采用極差分析法和方差分析法對所測得的單晶DD98微尺度銑削表面粗糙度Ra進行分析，如表2所示。其中Kij為第j個因素在第i個水平下表面粗糙度Ra之和，每個因素的極差R為該因素下Kij中的最大值與最小值之差。T為所有表面粗糙度Ra之和，t為試驗總數，t=25，m為每個因素的水平數，m=5，r為每個水平重復試驗的次數，r=5，Sj為各列偏差平方和，dj為因素自由度，V為方差。相關計算公式如下：

(1)

(2)

dj=m-1

(3)

(4)

從表2中可以看出，主軸轉速的極差和方差最大，銑削深度的其次，而進給速度的最小。由于各因素的極差和方差能夠代表該因素對正交試驗的影響情況，極差和方差越大，影響程度越大。由此可以得出，在單晶DD98表面粗糙度正交試驗中，主軸轉速對其微銑削加工中的表面質量影響最大，而銑削深度和進給速度對其影響較小，所以合理選擇主軸轉速對有效控制微銑削加工中的表面質量有著十分重要的實際意義。優化出的最佳工藝參數組合為A3B1C5，即當主軸轉速為36 000 r/min，銑削深度為5 μm，進給速度為100 μm/s時表面粗糙度Ra最小，表面質量最好。對此方案進行5次加工試驗，得到表面粗糙度的Ra平均值為0.915 μm，表明該組合為最佳工藝參數組合。

2.2 各因素對表面粗糙度的影響規律

根據單晶DD98微尺度銑削正交試驗結果，分別繪制出主軸轉速、銑削深度和進給速度三個因素對表面粗糙度Ra的影響規律曲線，如圖2、圖3、圖4所示，并分析表面粗糙度Ra變化的原因。

2.2.1 主軸轉速對表面粗糙度的影響規律

從圖2中可以看出，隨著主軸轉速的增大，表面粗糙度Ra先增大后減小再增大，轉折點為24 000 r/min和36 000 r/min。分析其原因，當主軸轉速較小時，切削受到最小切削厚度效應的影響，刀具在工件表面進行滑擦和耕犁，而沒有進行切削，表面粗糙度Ra會增大。在其他工藝參數不變的情況下，隨著主軸轉速的不斷提高，切屑與微銑刀前刀面的接觸處會局部熔化并形成一層液態薄膜，可以有效減小微銑刀前刀面的平均摩擦因數，使變形系數減小，能夠縮短切屑變形時間，使得切屑在瞬間被切離工件，同時大部分切削熱被切屑帶走，單晶DD98塑性變形量減小，這樣就大大減小了切削力和產生積屑瘤的可能性，表面粗糙度Ra會不斷減小。但隨著主軸轉速的繼續提高，機床主軸振動會對試驗結果產生一定的影響，表面粗糙度Ra會增大。單晶DD98在不同主軸轉速下的表面形貌如圖5所示。

圖2 主軸轉速的影響Fig.2 Influence of spindle speed

圖3 銑削深度的影響Fig.3 Influence of milling depth

圖4 進給速度的影響Fig.4 Influence of feed rate

(a)主軸轉速12 000 r/min

(b)主軸轉速36 000 r/min

(c)主軸轉速48 000 r/min圖5 單晶DD98不同主軸轉速下的表面形貌Fig.5 Surface morphology of single crystal DD98 with different spindle speed

2.2.2 銑削深度對表面粗糙度的影響規律

從圖3中可以看出，隨著銑削深度的增大，表面粗糙度Ra也先增大后減小再增大，轉折點為10 μm和12 μm。分析其原因，當銑削深度較小時，由于受到最小切削厚度的影響，微銑刀在工件表面上沒有進行切削，而是進行滑擦和耕犁，只有少部分材料被去除，因此表面質量下降。隨著銑削深度的不斷增大，刀具進入切削狀態，表面質量有所提高。但隨著銑削深度繼續增大，銑削力和銑削溫度不斷提高，工件表面的塑性變形也會增大，導致微銑刀排屑困難，同時在工件表面上也會產生一定的切削燒傷，使得表面質量大幅下降。

2.2.3 進給速度對表面粗糙度的影響規律

從圖4中可以看出，隨著進給速度的增大，表面粗糙度Ra先減小后增大再減小，轉折點為60 μm/s和80 μm/s。分析其原因，當進給速度較小時，由于受到最小切削厚度的影響，微銑刀在工件表面上沒有進行切削，而是進行滑擦和耕犁，使得工件表面質量較差；同時，微銑刀前刀面上產生的積屑瘤也會對加工過程產生一定的影響，其硬度較高，由于積屑瘤很難形成較鋒利的刀刃，因此在加工過程中會使刀具產生一定的振動，切削過程不穩定，同樣使工件表面質量變差。隨著進給速度不斷增大，刀具進入切削狀態且積屑瘤逐漸消失，工件表面質量又會逐漸變好。但隨著進給速度繼續增大，銑削力也顯著增大，同時產生大量的切削熱，在工件表面上產生一定的切削燒傷，使得工件表面質量變差。進給速度繼續增大時，每齒進給量完全擺脫最小切削厚度的束縛，材料實現完全去除，使得工件的表面質量大有改善。但相對于主軸轉速和銑削深度兩個因素，進給速度對單晶DD98微尺度銑削表面質量的影響是最小的。

2.3 微銑削加工過程中的表面微觀缺陷

微銑削加工過程中的加工表面形成機理決定了其表面微觀結構，而表面微觀結構會對表面粗糙度產生較大的影響，在加工過程中不可避免地會產生少量的微觀缺陷。

本試驗加工結束后，工件表面也產生了一定的微觀缺陷，其中包括微凹槽、微突起、微孔洞、微劃痕等，如圖6所示。

圖6 試驗中產生的表面微觀缺陷Fig.6 Micro surface defects generated in the experiment

3 結論

(1)根據正交試驗方案，對單晶DD98材料進行微尺度銑削加工，通過極差分析和方差分析得出，主軸轉速對其表面質量的影響最大，銑削深度的影響次之，進給速度的影響最小，因此合理選擇主軸轉速對有效控制微銑削加工的表面質量有重要意義。

(2)經試驗驗證，單晶DD98微尺度銑削加工的最優工藝參數組合為：主軸轉速36 000 r/min，銑削深度5 μm，進給速度100 μm/s。

(3)通過正交試驗得出：隨著主軸轉速的增大，表面粗糙度先增大后減小再增大，轉折點為24 000 r/min和36 000 r/min，當主軸轉速為36 000 r/min時，表面粗糙度Ra最小為1.092 μm；隨著銑削深度的增大，表面粗糙度Ra也先增大后減小再增大，轉折點為10 μm和12 μm，當銑削深度為5 μm時，表面粗糙度Ra最小為1.106 μm；隨著進給速度的增大，表面粗糙度Ra先減小后增大再減小，轉折點為60 μm/s和80 μm/s，當進給速度為100 μm/s時，表面粗糙度Ra最小為1.122 μm。

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(編輯 王旻玥)

Experimental Study on Surface Quality of Single Crystal DD98 in Micro-milling Processes

CAI Ming1GONG Yadong1YU Ning2GAO Qi1

1.School of Mechanical Engineering & Automation,Northeastern University,Shenyang,110819 2.School of Information Science & Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang,110870

In order to explore the surface quality of single crystal DD98 in micro-milling processes, a three-factor and five-level orthogonal experiments of single crystal DD98 in micro-milling processes were conducted by a micro-milling tool with 0.6 mm diameter. Firstly, after range analysis and variance analysis, the spindle speeds have the greatest effects on surface quality. Then the milling depth follows. The feed rate has the least effect on surface quality. The optimized processing parameter combinations are as the following: spindle speed of 36 000 r/min， milling depth of 5 μm, feed rate of 100 μm/s, and the surface quality of single crystal DD98 is the best. Then the influences of spindle speeds， milling depths and feed rates on surface quality were obtained respectively. Deeply analysis of their causes were also given, providing a theoretical basis for the processing of single crystal DD98 material in micro-milling processes.

single crystal DD98; micro-milling; surface quality; orthogonal experiment; range analysis and variance analysis; optimized processing parameter

2016-07-08

國家自然科學基金資助項目(51375082)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(N160306001)

TH161

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.001

蔡 明，男，1990年生。東北大學機械工程與自動化學院博士研究生。主要研究方向為磨削與精密加工技術、微尺度加工理論與技術。E-mail:caiming199004@126.com。鞏亞東，男，1958年生。東北大學機械工程與自動化學院教授、博士研究生導師。于 寧，女，1989年生。沈陽工業大學信息科學與工程學院碩士研究生。高 奇，男，1981年生。東北大學機械工程與自動化學院博士研究生。