單晶鋁微尺度銑削表面質(zhì)量實驗研究

蔡 明，鞏亞東，高 奇，溫雪龍

（東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，先進制造技術(shù)不僅在加工精度、加工效率和加工成本等方面不斷追求完善，而且在加工尺寸方面也在不斷挑戰(zhàn)極限[1]，這樣，微細(xì)加工技術(shù)就應(yīng)運而生了，微尺度銑削就是其中的一種重要加工方法。微尺度銑削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在（100μm～10mm），采用的微銑刀直徑在1mm以下。銑削加工是最柔性的切削加工方法之一，而微尺度銑削加工已經(jīng)成為滿足微小三維復(fù)雜形狀零件和材料多樣性加工的有效途徑之一[2]。微尺度銑削是微切削加工領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，以其高效率和高柔性的特點成為一個極具開發(fā)潛力的研究方向。

單晶材料結(jié)晶取向一致，因此其位錯較少，雜質(zhì)原子等微觀缺陷也相對較少，機械性能較好，與其他晶體材料相比具有良好的拉伸、剪切強度和延展性。由于單晶材料沒有晶粒邊界，較常規(guī)的晶體材料而言，其具有更好的熱、疲勞和蠕變性能[3]。

國內(nèi)外的研究機構(gòu)和學(xué)者對微尺度銑削開展了一定的研究[4-10]，但對單晶材料微尺度銑削的研究還鮮有報道。針對單晶材料越來越廣泛的應(yīng)用前景，對單晶鋁的微尺度銑削進行了深入的實驗研究。首先利用正交實驗的方法，分析優(yōu)化出合理的微尺度銑削工藝方案，然后深入分析各銑削參數(shù)對銑削表面質(zhì)量的影響，最后得出研究結(jié)論。

2 單晶鋁微尺度銑削正交實驗

2.1 實驗條件

實驗的加工設(shè)備選擇JX-1精密加工機床，其對刀精度能達(dá)到 0.002mm，工作空間尺寸為（490×460×120）mm，切削進給速度最高能達(dá)到9m/min，主軸轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到60000r/min，其加工精度能達(dá)到亞微米級，并且該機床還配備有冷卻系統(tǒng)，以便于更好地對工件進行冷卻；檢測設(shè)備選擇VHX-1000E超景深顯微鏡和Micromeasure三維輪廓儀；實驗刀具選擇直徑為0.4mm的M.A.FORD雙刃硬質(zhì)合金微銑刀；實驗材料選擇在航空航天和國防等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的單晶鋁。

2.2 實驗方案

實驗采用三因素五水平L25（53）槽銑削正交實驗的方法，分別探究主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進給速度對單晶鋁表面質(zhì)量的影響。正交實驗設(shè)計方案，如表1所示。其中主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）取12000（A1）、24000（A2）、36000（A3）、42000（A4）、48000（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）。

3 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)已選定的主軸轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)對單晶鋁材料進行微尺度銑削正交實驗，測得的表面粗糙度Ra的數(shù)值，如表1所示。

表1 單晶鋁微尺度銑削正交實驗方案設(shè)計Tab.1 Orthogonal Experiment Design of Single Crystal Aluminum in Micro-Milling

3.1 單晶鋁微尺度銑削工藝參數(shù)的優(yōu)化

采用極差分析法對所測得的單晶鋁微尺度銑削表面粗糙度進行分析，如表2所示。其中Kij為第j個因素在第i個水平下的表面粗糙度之和，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。從表2中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速的極差最大，進給速度的其次，而銑削深度的最小。由于各因素的極差能夠代表該因素對正交實驗的影響情況，極差越大，影響程度越大，因此可以得出，在單晶鋁表面粗糙度正交實驗中，主軸轉(zhuǎn)速對其微銑削加工中的表面質(zhì)量影響最大，而進給速度和銑削深度對其影響較小，所以合理選擇好主軸轉(zhuǎn)速對有效控制好微銑削加工中的表面質(zhì)量有著十分重要的實際意義。優(yōu)化出的最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C4，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為36000r/min，銑削深度為10μm，進給速度為80μm/s時表面粗糙度最小，表面質(zhì)量最好，對此方案進行5次加工實驗，得到表面粗糙度的平均值為0.776μm，表明該組合為最佳工藝參數(shù)組合。

表2 實驗結(jié)果極差分析Tab.2 Range Analysis of Experimental Results

3.2 各因素對表面粗糙度的影響規(guī)律

根據(jù)單晶鋁微尺度銑削正交實驗結(jié)果，分別繪制出主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進給速度三個因素對表面粗糙度的影響規(guī)律曲線，如圖1～圖3所示，并分析表面粗糙度變化的原因。

圖1 主軸轉(zhuǎn)速的影響Fig.1 Influence of Spindle Speed

圖2 銑削深度的影響Fig.2 Influence of Milling Depth

圖3 進給速度的影響Fig.3 Influence of Feed Rate

3.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖4 單晶鋁不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面形貌Fig.4 Surface Morphology of Single Crystal Aluminum with Different Spindle Speed

從圖1中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度先減小后增大，轉(zhuǎn)折點為36000r/min。分析其原因：在其它工藝參數(shù)不變的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)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(tài)薄膜，可以有效減小微銑刀前刀面的平均摩擦因數(shù)，使變形系數(shù)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，單晶鋁塑性變形量減小，這樣就大大減小了切削力和產(chǎn)生積屑瘤的可能性，表面粗糙度會不斷減小。但隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)提高，機床主軸振動會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，表面粗糙度會增大。單晶鋁在不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面形貌，如圖4所示。

3.2.2 銑削深度對表面粗糙度的影響規(guī)律

從圖2中可以看出，隨著銑削深度的增大，表面粗糙度也先減小后增大，轉(zhuǎn)折點為10μm。分析其原因：當(dāng)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(zhì)量較差。隨著銑削深度的不斷增大，刀具進入切削狀態(tài)，表面質(zhì)量會有所提高。但隨著銑削深度繼續(xù)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，會導(dǎo)致微銑刀排屑困難，同時在工件表面上也會產(chǎn)生一定的切削燒傷，從而使得表面質(zhì)量大幅下降。但相對于主軸轉(zhuǎn)速和進給速度兩個因素，銑削深度對單晶鋁微尺度銑削表面質(zhì)量的影響是最小的。

3.2.3 進給速度對表面粗糙度的影響規(guī)律

從圖3中可以看出，隨著進給速度的增大，表面粗糙度先增大后減小再增大，轉(zhuǎn)折點為40μm/s和80μm/s。分析其原因：當(dāng)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(zhì)量較差，同時，微銑刀前刀面上產(chǎn)生的積屑瘤也會對加工過程產(chǎn)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(chǎn)生一定的振動，切削過程不穩(wěn)定，同樣使工件表面質(zhì)量變差。隨著進給速度不斷增大，刀具進入切削狀態(tài)且積屑瘤逐漸消失，工件表面質(zhì)量又會逐漸變好。但隨著進給速度繼續(xù)增大，銑削力也顯著增大，同時也會產(chǎn)生大量的切削熱，在工件表面上產(chǎn)生一定的切削燒傷，使得工件表面質(zhì)量變差。

3.3 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(jié)構(gòu)，而表面微觀結(jié)構(gòu)會對表面粗糙度產(chǎn)生較大的影響，而在加工過程中不可避免地會產(chǎn)生少量的微觀缺陷，這些微觀缺陷包括微凹槽，微突起、微孔洞、微劃痕和微裂紋等，如圖5所示。

圖5 表面微觀缺陷示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Micro Surface Defects

微凹槽是刀尖處工件較軟基體材料圍繞硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生劇烈塑性變形而形成的。微突起是一小部分工件材料發(fā)生應(yīng)變硬化且硬度值遠(yuǎn)大于初始工件材料而形成的。微孔洞的形成及其特征主要取決于工件材料的微觀組織和塑性變形或者在切屑形成過程中工件材料的流動行為。微裂紋一般是在材料晶粒之間的晶界處形成的。本實驗加工結(jié)束后，工件表面也產(chǎn)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 實驗中產(chǎn)生的表面微觀缺陷Fig.6 Micro Surface Defects Generated in the Experiment

4 結(jié)論

（1）根據(jù)正交實驗方案，采用直徑為0.4mm的M.A.FORD雙刃硬質(zhì)合金微銑刀對單晶鋁材料進行微尺度銑削加工，通過極差分析結(jié)果得出，主軸轉(zhuǎn)速對其表面質(zhì)量的影響最大，進給速度的影響次之，銑削深度的影響最小，因此合理選擇好主軸轉(zhuǎn)速對有效控制好微銑削加工中的表面質(zhì)量有著十分重要的實際意義。（2）單晶鋁微尺度銑削加工的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速為36000r/min，銑削深度為10μm，進給速度為80μm/s，經(jīng)實驗驗證，該組合的確為最優(yōu)工藝參數(shù)組合。（3）通過正交實驗結(jié)果得出：①隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度先減小后增大，轉(zhuǎn)折點為36000r/min，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為36000r/min時，表面粗糙度最小為0.926μm。實際加工中，可適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速。②隨著銑削深度的增大，表面粗糙度也先減小后增大，轉(zhuǎn)折點為10μm，當(dāng)銑削深度為10μm時，表面粗糙度最小為0.945μm。③隨著進給速度的增大，表面粗糙度先增大后減小再增大，轉(zhuǎn)折點為40μm/s和80μm/s，當(dāng)進給速度為80μm/s時，表面粗糙度最小為0.945μm。

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