低溫裝夾對錫鉍合金銑削過程切削力的影響

李占杰，郝尚東，靳 剛，陳達任，盧振豐

（1.天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222；2.天津九鵬汽車裝備技術有限公司，天津 300300；3.天津鐵路信號有限責任公司，天津 300300）

錫鉍合金是一種具有低熔點、密度高、滲透性強等物理特點的環保合金，廣泛應用于模具制造、醫療、首飾工藝品等領域[1-2]。目前，錫鉍合金產品制作過程存在周期長、精度低等問題，而高速銑削加工技術相對比較成熟，可以加工出精度高、質量好的產品[3]。低溫加工是一種廣泛采用的可提高工件加工質量、減少刀具磨損的方法。其中常用低溫加工方法主要有向切削區噴射干冰或液氮、低溫冷風以及低溫冷風微量潤滑等[4]。Huang等[5]發現低溫冷卻可以大幅提高端銑的穩定極限，顯著降低切削力；Dhar等[6]對不同鋼材進行了低溫切削，發現刀具磨損降低、刀具壽命得到延長，同時尺寸精度和表面質量也得到提高；萬光珉等[7]利用高錳鋼低溫變脆的特點，使用液氮對其進行了冷凍，處理后的材料可切削性顯著提高；李占杰等[1]采用冰凍夾具對工件施加低溫進行銑削試驗，發現工件在低溫下的切削溫度和粗糙度明顯優于室溫條件下。目前，關于低溫加工對錫鉍合金銑削過程切削力的研究文獻較少。冰凍夾具作為一種新型裝夾方法具有速凍速融、高效環保、安全可靠、無應力以及輔助支撐作用等諸多優點。因此，本文利用冰凍夾具對錫鉍合金工件進行低溫裝夾，并開展高速切削實驗研究，探索通過對工件施加低溫冷卻改善材料加工性能的可行性，揭示低溫加工對錫鉍合金切削力的影響機制，為后續相關研究提供參考和借鑒。

1 試驗規劃

1.1 試驗裝置

試驗采用的錫鉍合金材料尺寸為15 mm×15 mm×200 mm（錫含量為58%，鉍含量為42%，硬度為16.2，熔點為138℃）。銑削方向為單側順銑，測力儀型號為9257B三向測力儀，數控機床型號為Carver400TE_AUH，三軸行程為400 mm×400 mm×350 mm，采用8 mm兩齒立銑刀。

工件的低溫加工，采用冰凍盤冷卻法，低溫裝夾條件下錫鉍合金高速銑削試驗示意圖如圖1所示。

圖1 低溫裝夾條件下錫鉍合金高速銑削試驗示意圖

對比其他低溫加工方法，一方面，冰凍盤冷卻方式是由工件與冰凍盤接觸部分通過工件的內部傳導到待加工表面，可以克服外冷式加工工件內部達不到低溫的缺點；另一方面，水體可在較低溫度范圍和能耗下實現固液轉換，成本低，無需回收利用。

試驗采用壓縮空氣驅動制冷的GF-150M型號冰凍盤，其冰凍曲線如圖2所示。測試時的室溫為18.5℃，經過60 s后降到了-0.8℃，當時間到150 s時溫度已經下降到-9.1℃，這一溫度時冰凍工件已經牢固。在150～240 s時間內溫度下降比較緩慢并逐漸趨于平緩。

圖2 冰凍曲線

1.2 試驗設計

本次試驗設計了銑削參數的單因素影響試驗，此外為了經濟、高效地獲得較為精確的試驗規律[8-9]，設計了各銑削參數對銑削力影響的正交試驗。通過對比2種溫度下的高速銑削錫鉍合金試驗，分析銑削參數對銑削力的影響規律，主軸轉速、進給量、切削深度的試驗參數分別如表1、表2、表3所示，固定其中2個參數值，變化第3個參數。正交試驗參數如表4所示。

表1 主軸轉速的試驗參數

表2 進給量的試驗參數

表3 切削深度的試驗參數

表4 正交試驗參數

2 試驗結果及分析

根據三因素-四水平的正交試驗法，在相同的參數條件下使用室溫和低溫2種加工方式分別進行試驗，用測力儀測得試驗數據后，對其進行極差分析[10]，以3個方向的銑削分力FX、FY、FZ為考察目標，其值為所在數據段內平均值，室溫和低溫條件下錫鉍合金的高速銑削正交試驗表分別如表5和表6所示。

2.1 室溫條件下銑削參數對切削力的影響

根據表5中的數據可獲得在室溫情況下高速銑削錫鉍合金銑削分力的優水平和優組合，并得出室溫極差分析，如表7所示。

表5 室溫條件下錫鉍合金的高速銑削正交試驗表

表6 低溫條件下錫鉍合金的高速銑削正交試驗表

表7 室溫極差分析

由極差分析法[11]可知，若某因素極差值越大，表示該因素的數值在試驗范圍內變化時使考察指標數值的變化最大，即對考察目標的影響程度越大。

工件在室溫加工條件下，主軸轉速對X向銑削力FX影響最大（極差值11.71），切削深度次之（極差值10.45），進給量影響最小（極差值1.4），銑削參數對Z向銑削力FZ的影響次序與FX相同，而對Y向銑削力FY影響的次序為切削深度最大（極差值3.22）、主軸轉速次之（極差值1.5）、進給量為最小（極差值1.07）。所以，在室溫情況下對錫鉍合金進行加工應該選取小主軸轉速、大進給量和小切削深度的加工方式。

2.2 低溫條件下銑削參數對切削力的影響

低溫極差分析如表8所示。從表8可以看出，工件在低溫加工條件下，對于3個方向銑削力都呈現出切削深度影響最大，主軸轉速次之，進給量影響最小。所以，在工件低溫情況下對錫鉍合金進行加工應該選取較低的主軸轉速、大進給量和小切削深度的加工方式。

表8 低溫極差分析

2.3 室溫與低溫2種不同加工條件對銑削力的影響

2.3.1 主軸轉速對銑削力的影響

根據單因素試驗法，使進給量為0.01 mm/z、切削深度為1.5 mm保持不變，工件在室溫和低溫加工條件下銑削力隨主軸轉速的變化情況如圖3所示。

圖3 室溫和低溫加工條件下銑削力隨主軸轉速的變化情況

從圖3中可以看出，室溫條件下FX、FY、FZ均先逐漸增加，到達臨界值之后再減小。其中，FZ的變化幅度最大，FX，FY的變化幅度很小；在低溫條件下，FZ隨著主軸轉速的提高先增加再減小，在10 000 r/min時到達臨界值，且臨界值的銑削力比室溫條件下降低了41%，但FZ到達臨界值時的轉速比在室溫條件下提前。對比發現，在主軸轉速較小時，室溫與低溫2種不同條件下產生的銑削力相差不大；但在大轉速時，室溫與低溫2種不同條件下，低溫銑削力顯著小于工件室溫下加工產生的銑削力，這表明錫鉍合金采用低溫、高轉速加工更適合。因此，在實際加工中，對主軸轉速這一因素的選擇上，工件低溫加工有降低銑削力的效果，且應選擇大轉速。

在室溫條件下，主軸轉速在小于16 000 r/min的階段，3個方向上的銑削力隨著主軸轉速的增大而增大，其中Z向銑削力FZ的變化幅度最大。從切削機理看，此階段主軸轉速增大時，沖擊力頻率也隨之增高，從而增大了銑削力；當主軸轉速大于16 000 r/min時，3個方向上的銑削力隨著主軸轉速增大都呈現出減小趨勢，此階段切削溫度對切削界面的影響開始變大，切削區溫度升高使得刀-屑之間的摩擦系數和變形系數減小，所以銑削力出現下降趨勢[12]。在低溫條件下，材料的性質可能發生改變，使在相對于室溫加工更低的切削速度下達到了臨界切削速度。

2.3.2 進給量對銑削力的影響

根據單因素試驗法，使主軸轉速為15 000 r/min、切削深度1.5 mm保持不變，工件在室溫和低溫加工條件下銑削力隨進給量的變化情況如圖4所示。

圖4 室溫和低溫加工條件下銑削力隨進給量的變化情況

由圖 4 知，在室溫和低溫加工條件下，FX、FY、FZ都隨著進給量的增加逐漸增加，但二者增加的幅度不一樣，且在0.02 mm/z后，增加速度緩慢，其中對FZ的影響最大，FX、FY出現較小的增幅。通過對比發現，在低溫條件下三向的銑削力整體小于室溫加工，銑削力減小了50%～60%。工件在室溫和低溫加工條件下，銑削力隨著進給量的增加而增加，二者增長趨勢相同，說明進給量對工件低溫和室溫加工影響趨勢基本形同。

2.3.3 切削深度對銑削力的影響

根據單因素試驗法，使主軸轉速15 000 r/min、進給量0.01 mm/z保持不變，工件在室溫和低溫加工條件下銑削力隨切削深度的變化情況如圖5所示。

圖5 室溫和低溫加工條件下銑削力隨切削深度的變化情況

由圖5知，在室溫條件下，FX、FY隨著切削深度的增大而逐漸增大，FZ隨切削深度的增大明顯變大。在低溫條件下，FX、FY、FZ的變化趨勢和室溫條件下相同，但是在低溫條件下整體的銑削力都小于室溫條件下的銑削力。通過對比分析可知，在切削深度較大時，低溫加工下的銑削力增大速度小于室溫加工下的銑削力，這說明采用低溫裝夾方法時高速加工過程更穩定，同時采用較大的切削深度也有利于提高加工效率。

工件在室溫和低溫2種加工條件下，3個方向的銑削力都隨著切削深度的增大呈現增大的趨勢。從切削機理角度講，主要是因為當切削深度變大時，剪切面也隨之增大，進而導致剪切力增大，同時也增加了圓周刃同試樣的接觸長度以及切屑同銑刀螺旋面的接觸面積，使摩擦力增大[13]。但它們之間并不會呈現出線性關系，而是一開始銑削力的增大速度比較快，之后銑削力增大速度較慢。這主要是因為隨著切削深度的增大，切削溫度隨之升高，導致切削區材料軟化而使銑削力增大變緩慢。

3 工件室溫與低溫狀況銑削力建模

本次試驗涉及3個加工參數，采用正交回歸實驗通用模型，通用模型可以確定2個或2個以上變量之間的關系。金屬切削過程中切削力和切削參數之間通常有著復雜的指數關系[14]。銑削力建模的通用模型為

式中：Ck為系數，代表加工的材料和切削條件；n為主軸轉速；f為進給量；ap為切削深度[15-16]。

對表6中實驗數據進行線性回歸處理，可以求出式（1）中各銑削參數的指數值和系數值，從而建立工件在室溫加工條件下的銑削力經驗模型，即

對表7中實驗數據進行線性回歸處理，可以求出式（1）中各銑削參數的指數值和系數值，從而建立工件在低溫加工條件下的銑削力經驗模型，即

4 結論

本文針對錫鉍合金產品制作過程中周期長、精度低等問題，利用高速銑削加工和新型冰凍裝夾技術，設計了銑削參數的單因素影響試驗和各銑削參數對銑削力影響的正交試驗，得出了各銑削參數對銑削力影響的大小次序，同時將銑削力在室溫和低溫2種條件下的變化規律進行了對比分析，為錫鉍合金的高效高精加工提供了重要參考作用，研究結論如下。

（1）工件在室溫和低溫裝夾2種不同條件下，單因素主軸轉速對銑削力的影響都呈現出2個階段，即先隨著主軸轉速的增大而增大，到達某個臨界點隨后又減小；單因素進給量對銑削力的影響2種溫度條件下都呈現出單一緩慢上升的趨勢；單因素切削深度對銑削力的影響呈現出較大上升趨勢。

（2）由極差分析法可以得出，工件在室溫加工條件下，主軸轉速對X向銑削力FX影響最大（極差值11.71），切削深度次之（極差值10.45），進給量影響最小（極差值1.4），銑削參數對Z向銑削力FZ的影響次序與FX相同，而對Y向銑削力FY影響的次序為切削深度最大（極差值3.22），主軸轉速次之（極差值1.5），進給量為最小（極差值1.07），即在室溫情況下對錫鉍合金進行加工應該選取小主軸轉速、大進給量和小切削深度的加工方式；工件在低溫加工條件下，對于3個方向銑削力都呈現出切削深度影響最大，主軸轉速次之，進給量影響最小，即在低溫情況下對錫鉍合金進行加工應該選取較低的主軸轉速、大進給量和小切削深度的加工方式。

（3）在相同銑削參數下，對比室溫加工和低溫加工2種方式對銑削力的影響，發現在低溫條件下銑削力顯著減小50%～60%。

（4）通過實驗獲得各方向銑削力，利用線性回歸方法得出工件在室溫和低溫條件下的X、Y、Z三個方向的銑削分力模型。

（5）冰凍吸盤低溫裝夾方法速凍速融、綠色環保，對低熔點金屬的高效高精加工具有較高的應用價值。