高速銑削參數(shù)對鋁合金零件表面粗糙度的影響

于信偉, 馮明軍, 王學(xué)惠

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

高速銑削參數(shù)對鋁合金零件表面粗糙度的影響

于信偉, 馮明軍, 王學(xué)惠

(黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

高速切削技術(shù)可以降低生產(chǎn)成本,提高零件的表面質(zhì)量。筆者采用正交實(shí)驗(yàn)方法,研究硬質(zhì)合金刀具高速銑削鋁合金材料時(shí),每齒進(jìn)給量、切削深度、切削速度和行距等銑削參數(shù)對零件表面粗糙度的影響。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀分析和方差分析,得出了影響零件表面粗糙度大小的主次因素,并確定出較優(yōu)的銑削參數(shù)。結(jié)果表明:每齒進(jìn)給量、切削深度、切削速度和行距分別在0.06mm/齒、0.6mm、942.48m/min和 0.05mm附近取值時(shí),可獲得較好的表面質(zhì)量。該研究為指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供了的參考依據(jù)。

鋁合金;表面粗糙度;高速銑削;銑削參數(shù)

0 引 言

鋁合金零件具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用在航空、航天、醫(yī)學(xué)、汽車等領(lǐng)域[1-2]。鋁合金的加工性能良好,目前采用的高速切削技術(shù)切削力相對小、零件變形小,是一種理想的加工方法。用高速銑削設(shè)備加工鋁合金材料,既能加工復(fù)雜的型腔和型面,又能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,獲得較高的零件表面質(zhì)量。影響鋁合金零件表面質(zhì)量的因素有很多[3-4],但當(dāng)具體加工條件確定后,其表面質(zhì)量主要取決于高速銑削參數(shù)的匹配。目前,理論研究很難揭示高速加工對表面質(zhì)量的影響規(guī)律。筆者以實(shí)驗(yàn)為手段,研究了高速銑削參數(shù)對鋁合金試件表面粗糙度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

試件選用2A70合金,規(guī)格為120mm×60mm× 20mm,抗拉強(qiáng)度 436.5MPa,維氏硬度 168.3 GPa。

機(jī)床選用瑞士Mikron的 HS M600U五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心,其數(shù)控系統(tǒng)為 Heidenhain的 iT530,主軸最高轉(zhuǎn)速 42 000 r/min,最大進(jìn)給速度 40 m/min。刀具選用 YG6X系列超細(xì)晶粒整體式硬質(zhì)合金球頭立銑刀,刀具直徑 φ10 mm,前角為 13.5°,后角為16°,螺旋角為 45°,刀齒數(shù) 4。實(shí)驗(yàn)場所環(huán)境溫度20±1℃,切削過程使用 25#變壓器油冷卻,采用日本Mitutoyo SJ-201型表面粗糙度儀檢測試件表面數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響試件表面粗糙度Ra的因素很多,對于確定的工藝系統(tǒng),主軸轉(zhuǎn)速、刀具切削速度、切削深度、進(jìn)給速度、每齒進(jìn)給量和行距是銑削的重要參數(shù)。其中主軸轉(zhuǎn)速與刀具切削速度、進(jìn)給速度與每齒進(jìn)給量之間具有相關(guān)性,因此,實(shí)驗(yàn)時(shí)從每組具有相關(guān)性的因素中選出其一。實(shí)驗(yàn)時(shí)既要避免次數(shù)過多,又要得到較優(yōu)的銑削參數(shù),對于多因素單一指標(biāo)問題,正交實(shí)驗(yàn)法是最好的選擇。實(shí)驗(yàn)中以每齒進(jìn)給量、切削深度、刀具切削速度和行距為因素A、B、C、D,以提高生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量為前提,根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取各實(shí)驗(yàn)因素的水平值[5-6],每個(gè)因素選取 4水平進(jìn)行比較,水平值見表 1。為防止球頭銑刀中心的切削速度為 0,將銑刀傾斜安裝,使銑刀軸線與試件表面成 75°夾角,銑刀采取 Zig-Zag方式銑削。具體實(shí)驗(yàn)流程為:實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備—實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)—高速銑削—試件粗糙度測量—數(shù)據(jù)分析—實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平值Table 1 Exper imental factors and variable t imes

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀分析

根據(jù)表 1所示,采用L16(45)正交實(shí)驗(yàn)表,共安排 16組,16組實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析見表 2。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所對應(yīng)的數(shù)值分別表示各因素所在列中相同數(shù)字“1”、“2”、“3”、“4”所對應(yīng)的表面粗糙度值之和,極差R為相同因素的Ⅰ～Ⅳ中最大值與最小值之差,極差越大,表明該項(xiàng)因素的水平變化對實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)值 (表面粗糙度)影響就越大。從表 2中可以看出,RA=0.398,RB=0.027,RC=0.072,RD=0.025,顯然RA>RC>RB>RD,這說明在確定的銑削參數(shù)中,每齒進(jìn)給量是影響零件表面粗糙度的主要因素,其次是切削速度,行距的影響最小。

表2 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析Table 2 Exper iment scheme and data analysis

實(shí)驗(yàn)中所期望的指標(biāo)值越小越好,直觀看,銑削參數(shù)為A3B1C3D4時(shí)的表面粗糙度值最小,此時(shí)的工藝參數(shù)有利于提高零件的表面質(zhì)量。根據(jù)Ⅰ～Ⅳ組分析數(shù)據(jù)畫出圖 1所示的四種因素對表面粗糙度的影響趨勢,從圖 1可以看出,ⅢA、ⅢB、ⅢC和ⅡD對應(yīng)的值最小。因此,可以預(yù)測,在 A3B3C3D2的生產(chǎn)條件下,每齒進(jìn)給量、切削深度、切削速度和行距分別為0.06mm/齒、0.6 mm、942.48 m/min和 0.05 mm時(shí)能獲得更好的表面質(zhì)量。

圖1 四種實(shí)驗(yàn)因素的影響Fig.1 I nfluence trend of 4 exper imental factors

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

通過前面的直觀分析,雖然能確定出各影響因素的主次,得到較好的生產(chǎn)條件,但不能確定誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,不能區(qū)分每種因素水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的差異是由水平因素引起,還是由實(shí)驗(yàn)誤差造成的。為此采用方差法進(jìn)一步對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)中各因素水平未重復(fù)進(jìn)行,因此,各因素的離差平方和、自由度計(jì)算式為

式中:i——A、B、C、D四種實(shí)驗(yàn)因素;

n——實(shí)驗(yàn)次數(shù);

M——水平重復(fù)數(shù);

N——實(shí)驗(yàn)因素的水平數(shù)。

將表 1中的數(shù)據(jù)代入式(1)～(3),計(jì)算出各項(xiàng)離差平方和及其自由度,求出各因素的F值,查F函數(shù)在α=0.05和α=0.01的分布臨界值,進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),其計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)果見表 3。從表 3可以看出,每齒進(jìn)給量的變化對鋁合金零件表面粗糙度的影響最為顯著,其次為切削速度。在所確定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)切削深度和行距對表面粗糙度的影響不顯著,這與前面極差分析的結(jié)果相一致,說明在實(shí)驗(yàn)過程中,誤差因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小,可以按照前面的分析、預(yù)測結(jié)果選擇銑削參數(shù),保證獲得良好的表面質(zhì)量。

表3 方差分析及顯著性檢驗(yàn)Table 3 Variance analysis and sign ificance test

4 結(jié) 論

(1)銑削參數(shù)對鋁合金零件表面粗糙度的影響大小依次為每齒進(jìn)給量、切削速度、切削深度和行距。高速銑削時(shí),可適當(dāng)減小每齒進(jìn)給量,增大切削速度,以獲得較好的表面粗糙度。在保證加工質(zhì)量的前提下,可適當(dāng)增大行距和切削深度,以提高生產(chǎn)效率。

(2)在高速精加工過程中每齒進(jìn)給量、切削深度、切削速度和行距分別在 0.06 mm/齒、0.6 mm、942.48 m/min和 0.05 mm附近取值,可獲得較好的表面粗糙度和較高的生產(chǎn)效率。

(3)從極差分析結(jié)果看,在合理的取值范圍內(nèi),行距和切削深度對表面粗糙度值影響較小,但當(dāng)兩者取值過大時(shí),零件表面粗糙度值增大較快,這主要與球頭銑刀直徑和進(jìn)給量的大小有關(guān)。

(4)在特定工藝系統(tǒng)條件下獲得的上述結(jié)論,具有一定的指導(dǎo)意義,生產(chǎn)實(shí)踐中銑削參數(shù)的選取應(yīng)視具體工藝條件而定。

[1] 艾 興.高速切削加工技術(shù) [M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[2] 張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] 梁錫昌,鄭小光,徐國斌.超高速銑削的理論研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2001,37(3):109-112.

[4] 王素玉,趙 軍,艾 興,等.高速切削表面粗糙度理論研究綜述[J].機(jī)械工程師,2004,(10):3-5.

[5] 何永利,段 虹,王仲民.鋁合金高速切削表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006,(1):117-118.

[6] 王敬春,馮明軍.球頭銑刀精銑鋁合金葉片的磨損試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù),2008,(12):80-82.

[7] 杜金萍,王桂梅,高術(shù)振.XX-2不銹鋼切削參數(shù)模糊正交優(yōu)化[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,(2):65-68.

Influence of high-speed m illing parameters on alum inum alloy work-piece surface roughness

YU Xinwei,FENG M ingjun,WANG Xuehui
(College ofMechanical Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

High-speed cutting could reduce production costs and improve the surface quality of workpiece.This paper introduces the use of orthogonal test to probe into the effect on the surface roughness by milling parameters,such as feed-rate/tooth,cutting depth,cutting speed and moving-distance as in the case of cemented carbide cutter cutting aluminum alloy at high speed.The paper gives the relation ofmajor factors affecting surface roughness from the exper imental datum of direct analysis and variance analysis,and the bestmilling parameters.The results show that the better surface quality can be obtained if feed-rate/ tooth,cutting depth,cutting speed and moving-distance take values close to 0.06 mm/tooth,0.6mm, 942.48m/min and 0.05 mm respectively.The study provides experimental bases for enterprises.

aluminum alloy;surface roughness;high-speed milling;milling parameters

TH161.1

A

1671-0118(2010)02-0091-03

2010-03-01

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11533057)

于信偉 (1972-),男,山東省乳山人,副教授,碩士,研究方向:高速加工、快速制造技術(shù)及系統(tǒng)仿真,E-mail:xinwei-166@163.com。

(編輯徐 巖)