鋁合金加工專用立銑刀在6061鋁合金側(cè)壁精銑中的工藝參數(shù)研究

張貝貝，秦 濤

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院(工程訓(xùn)練中心)，河南 許昌 461000)

鋁合金以輕結(jié)構(gòu)、抗腐蝕性能強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在車輛、航空航天設(shè)備、醫(yī)學(xué)器材等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)輕量化、現(xiàn)代化的優(yōu)良材料，其中6061鋁合金是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，屬于熱處理可強(qiáng)化合金，具有良好的可成型性、焊接性，切削性能優(yōu)良，具有中等強(qiáng)度.針對(duì)鋁合金材料的加工特性，刀具廠家研制了專業(yè)適用于鋁合金切削的刀具，且針對(duì)不同的鋁合金材料和刀具，生產(chǎn)商都給出了相應(yīng)的參考工藝參數(shù)，但這些參數(shù)都具有保守性，為了在提高加工效率和保證加工質(zhì)量之間找到平衡，丁濤[1]等建立了6061鋁合金加工的粗糙度預(yù)測模型，伍文進(jìn)[2]等對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，但都沒有考慮刀具本身的材質(zhì)和螺旋角對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[3-6].以6061鋁合金材料為例,采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，以不同的加工參數(shù)，通過鋁合金加工專用刀具在毛坯上試加工不同的幾個(gè)面，利用極差分析方法,分析出主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、精加工余量對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，探究合適的工藝參數(shù)組合.

1 鋁用立銑刀的特點(diǎn)

鋁合金材料的加工特性是強(qiáng)度比較低，表面硬度比較軟，更容易形成加工工件瘤，塑性變形量小，切屑容易卷曲，影響排屑.鋁加工專用立銑刀具的刃口銳利，降低切削阻力，45°、55°的螺旋角，大排屑槽，能夠保障切削順暢不容易積屑，較大的刀芯增強(qiáng)了剛性和抗震性，不容易崩刀，且能夠有效減少加工震紋.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

加工設(shè)備選擇馬扎克VCS530CL三軸立式加工中心，該機(jī)床主軸功率22 kW,最高轉(zhuǎn)速12 000 r/min,開粗的刀具選用φ16 mm的立銑刀，精銑選用φ8 mm，刀長45 mm,刃長20 mm,螺旋角為55°的3刃鋁合金加工專用立銑刀,材質(zhì)類型為整體鎢鈷類硬質(zhì)合金.

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

影響表面粗糙度的主要因素有主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、精加工余量等，采用如圖1所示的零件，在30×30×50 mm的6061鋁合金塊上銑削出25×15 mm的4個(gè)面，通過UG編程軟件編寫開粗和精銑的加工程序，精銑方式為順銑，切削深度選為0.75倍的刃長(15 mm)，加工過程使用切削液.

圖1 精銑刀路

為了更準(zhǔn)確地反映各因素對(duì)精加工效果的影響，以企業(yè)常見的加工設(shè)備為例，選擇了從低速切削到高速切削機(jī)床的四個(gè)精加工常見水平進(jìn)行試驗(yàn)(表1).選用五因素四水平的固定規(guī)格正交試驗(yàn)表，可以進(jìn)行16次試驗(yàn)，完全滿足需求，最后選用便攜式粗糙度測量儀測量各表面粗糙度取平均值，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)及所得表面粗糙度值記錄在表2中.

表1 精銑影響因素及水平表

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(L1645正交實(shí)驗(yàn)表)

3 結(jié)果分析及驗(yàn)證

3.1 結(jié)果分析

表3 粗糙度極差分析結(jié)果

通過分析表3數(shù)據(jù)我們可以得出RB>RA>RC，即在這3個(gè)因素中進(jìn)給速度F對(duì)側(cè)壁精加工的粗糙度影響最大，精加工余量h影響最小.

對(duì)比各因素的水平平均值，可以看出隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高表面粗糙度在降低，隨著進(jìn)給速度的增加粗糙度在增大，精加工余量對(duì)粗糙度的變化趨勢很小.

為了更直觀的找出主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)粗糙度的影響，我們引用兩因素都相關(guān)的變量fz(每齒進(jìn)給量mm/t).

fz表示每齒進(jìn)給量；F表示進(jìn)給速度；Z表示刀具刃(齒)數(shù)；S表示主軸轉(zhuǎn)速.

通過EXCEL辦公軟件計(jì)算出各個(gè)實(shí)驗(yàn)編號(hào)中對(duì)應(yīng)的每齒進(jìn)給量，以fz為主序列進(jìn)行升序排列，其結(jié)果如表4.

表4 每齒進(jìn)給量fz與粗糙度Ra的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

通過表4中相關(guān)數(shù)據(jù)制作出相應(yīng)的散點(diǎn)圖如圖2所示，可得出：每齒進(jìn)給量與粗糙度成正比，在常規(guī)的加工中，一般粗糙度數(shù)值要求為Ra3.2、Ra6.3、Ra12.5等，每齒進(jìn)給量fz為0.05～0.1 mm·t-1時(shí)粗糙度為3～6.3 μm，0.1～0.15 mm·t-1時(shí)粗糙度為6.3～12.5 μm.

圖2 每齒進(jìn)給量fz與粗糙度Ra的散點(diǎn)圖

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們?cè)?刃鋁用銑刀的前提下，選擇不同的工藝參數(shù)(表5)進(jìn)行驗(yàn)證.

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

4 結(jié)論

通過以上結(jié)果分析，我們可以得出在使用鋁合金加工專用立銑刀精銑側(cè)壁時(shí)有以下幾點(diǎn).

(1)在極差分析中可以得出，精加工三要素對(duì)粗糙度大小的影響程度為進(jìn)給速度F>主軸轉(zhuǎn)速S>精加工余量h.

(2)每齒進(jìn)給量fz與表面粗糙度Ra成明顯的線性關(guān)系，fz為0.05～0.1 mm·t-1時(shí)粗糙度為3.2～6.3 μm，fz為0.1～0.15 mm·t-1時(shí)粗糙度為6.3～12.5 μm.可在用鋁合金專用加工刀具加工6061鋁合金時(shí)，結(jié)合圖紙的實(shí)際粗糙度要求，精加工余量為0.2 mm.選擇每齒進(jìn)給量fz，根據(jù)機(jī)床的實(shí)際功率和特性選擇主軸轉(zhuǎn)速S，最后計(jì)算出側(cè)壁精加工時(shí)的合理進(jìn)給F.