基于正交試驗的高速銑削表面質量研究

張利堂

(寶雞文理學院機電工程系，陜西寶雞721016)

高速銑削加工技術作為先進制造技術的重要組成部分，以利用淺切深、高速進給與切削的加工方式，具有加工效率高、精度高、熱變形小、切削力小、廢品率低等特點，經(jīng)過幾十年的科研發(fā)展，該加工理念覆蓋范圍已大大擴廣［1－2］。但由于其加工過程十分復雜，隨時受到一些物理現(xiàn)象的不同程度的交叉影響，至使對其產(chǎn)生機制和影響規(guī)律的研究處于探索階段。20世紀20年代德國Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以后，世界各國科研工作者奮力投身高速銑削加工技術的研究中，山東大學［3－4］以Al2O3等研究對象，較為系統(tǒng)地建立了切削力、切削溫度等模型。上海交通大學以硬鋁 (LY12)為對象，研究高速銑削時切削力和切削溫度的動態(tài)規(guī)律，研究表明超過某一臨界溫度時，銑削力和銑削溫度會呈現(xiàn)下降趨勢。西北工業(yè)大學以鋁合金為對象，研究了刀具的適配性和加工參數(shù)優(yōu)化問題。

在高速加工中，獲取高速度的同時又要保證高的加工質量，一直是其研究的重點之一。實際生產(chǎn)中的主軸轉速、加工速度、軸向深度、徑向深度等參數(shù)的選取與優(yōu)化，直接關系著加工質量。從對切削加工的研究來看，各個參數(shù)之間必然存在內在的聯(lián)系，且相互作用與影響，合理掌握該聯(lián)系是獲取高加工速度和高加工質量的必要條件。經(jīng)過長達半個世紀的理論探索，至今尚沒有比較成熟和完整的高速切削理論可借鑒，相比之下試驗就成為最基礎、最接近實際的研究方法。因此，以下介紹的是主要考慮在穩(wěn)態(tài)條件下研究工藝規(guī)律，即找到影響加工質量的突出因素，設計多因素正交試驗，研究刀具參數(shù)不變情況下，不同切削參數(shù)對表面質量的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

機床:瑞士 MIKRON，HSM-700，最高轉速42 000 r/min，最大加工速度40 m/min。

銑刀:選用16 mm硬質合金的三刃立銑刀。

粗糙度儀器:TR200粗糙度測定儀，測量范圍為0.025～12.5 μm，測量精度為±10%。

工件材料:自制試樣Al6063(軟鋁);自制試樣LY12(硬鋁)。

冷卻方式:油霧冷卻。

銑削方式:順銑，銑平面。

1.2 試驗方案［5－7］

單因素試驗是以其他條件不變?yōu)榍疤?，只研究一個因素對試驗指標的影響程度，不能全面反映各個因素對試驗結果的綜合影響。而多因素試驗是研究兩個以上因素對試驗指標的影響。顯然文中的情況符合多因素試驗設計，結合實際情況，選擇了多因素試驗中的正交試驗方法。該方法目的是在試驗次數(shù)較少的同時，找到影響試驗結果的決定性因素并得到最佳參數(shù)組合、最優(yōu)工藝。其優(yōu)點為:通過對試驗的合理安排，挑選少數(shù)的具有代表性的組合進行試驗，以少代多地解決全面試驗組合處理多與實際希望試驗次數(shù)少的矛盾;通過科學處理少數(shù)組合的試驗結果，作出科學、正確的結論，以少求全地解決實際試驗次數(shù)少與要求試驗信息全面的矛盾［8－9］。研究發(fā)現(xiàn)影響高速銑削表面質量的因素很多，而且很復雜，在有限的試驗次數(shù)內全部考慮，是不科學和不現(xiàn)實的，故此本文抓住重點加工參數(shù)，選擇4因素4水平試驗，即為L16(44)。具體以主軸轉速n(r/min)、進給速度vf(mm/min)、軸向切削深度ap(mm)和徑向切削深度ae(mm)為參變量，表面粗糙度Ra(μm)為目標量。其中各因素水平相繼為主軸轉速n(r/min):5 000 r/min，10 000 r/min，15 000 r/min，20 000 r/min;進給速度 vf(mm/min):300 mm/min，600 mm/min，1 200 mm/min，2 400 mm/min;軸向切削深度ap(mm):0.10 mm，0.15 mm，0.20 mm，0.25 mm;徑向切削深度ae(mm):1 mm，2 mm，3 mm，4 mm，具體正交分布如表1所示。

表1 正交試驗參數(shù)與試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

以自制試樣Al6063(軟鋁)和LY12(硬鋁)為研究對象分別按上述4因素4水平正交表進行了16組試驗，其結果如表1所示。極差分析可以在精度要求不高的情況下，較為準確地反映出各因素水平變化而引起試驗結果之間的差異情況，具有直觀形象、簡單易懂的特點，可以用其大小表示參數(shù)對試驗指標的影響程度。按照極差處理方法［8］，其結果如表2所示。

表2 極差分析結果

極差分析雖然具有眾多優(yōu)點，但是其分析忽略了試驗誤差，無法區(qū)分某因素各水平對應試驗指標的平均值間差異究竟有多少是由因素水平不同引起的，又有多少是由試驗誤差引起的。對于誤差較大或精度要求較高的試驗，若只用極差分析而忽略試驗誤差的影響，就很難保證分析的準確性，以致影響試驗結論。因此應用方差處理數(shù)據(jù)很有必要。按其處理方法［8］，結果如表3所示。

表3 Al6063、LY12方差處理結果

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1繪制Al6063(軟鋁)和LY12(硬鋁)在同水平下的表面質量變化趨勢圖1、2，以及表2繪制這兩種材料在相同加工參數(shù)下的表面質量極差對比圖，如圖3所示。

圖1 A16063同水平表面質量變化趨勢圖

圖2 LY12同水平表面質量變化趨勢圖

圖3 不同材料的表面粗糙度極差對比圖

(1)由圖3、表2、3可知，無論是加工軟鋁Al6063，還是加工硬鋁LY12，對表面質量影響最大的均為主軸轉速，高轉速刀具迫使被加工材料還沒顧及抵抗就已經(jīng)被切除材料并迅速甩出切削區(qū)域，與傳統(tǒng)切削相比高速高質量。其具體影響次序:Al6063為主軸轉速→進給速度→軸向切削速度→徑向切削速度，LY12為主軸轉速→徑向切削速度→進給速度→軸向切削速度，兩種材料的最優(yōu)組合皆為A1B2C1D1。

(2)由圖1、2可知，這兩種材料在相同的加工參數(shù)下，表面質量曲線波動均較大，但隨著因素水平的遞增，表面粗糙度整體呈上升趨勢，即表面質量呈下降趨勢，并且出現(xiàn)類Carl Salomon理論，即在加工時隨著因素水平的遞增，均會出現(xiàn)“高峰”或“低谷”現(xiàn)象。

(3)由表1和圖1、2可以看出，兩種材料在相同加工參數(shù)條件下，其表面質量有所差異，軟鋁Al6063的平均粗糙度為0.267 μm，硬鋁LY12的平均粗糙度為0.191 μm，造成這樣的結果是由于軟鋁地質柔軟，加工時易黏刀，致其排屑不暢，易產(chǎn)生積屑瘤，影響了材料、刀具表面溫度的降低，從而導致加工質量不高。相反硬鋁有很好的切削性，不易黏刀且瞬間甩開切屑，加工表面質量相對較高。由此可見，高速銑削技術適合加工相對硬質材料。

3 結語

(1)合理的試驗設計是理論研究的基礎和根本。以刀具參數(shù)不變?yōu)榍疤?，通過設計L16(44)4因素4水平正交試驗方案，以軟鋁Al6063和硬鋁LY12為研究對象，研究高速銑削加工的表面質量，研究發(fā)現(xiàn):硬質材料和軟質材料在高速加工環(huán)境中，影響其表面質量的決定因素皆為主軸轉速，其他次之。超高的刀具轉速可以使加工材料還沒顧及抵抗就已經(jīng)被切除并迅速甩出切削區(qū)域，和傳統(tǒng)加工方法相比較，更高效高質量;

(2)試驗結果分析中發(fā)現(xiàn)，硬質材料和軟質材料在加工時，都出現(xiàn)類Carl Salomon理論，即在因素水平遞增的同時，均出現(xiàn)“高峰”或“低谷”，當其被越過便表現(xiàn)為下降或上升趨勢，由于試驗設計的局限性，該結論還有待證實;

(3)不同材料在相同的參數(shù)條件下加工，所得加工材料的表面質量各不相同，即硬質材料高于軟質材料的表面質量。換而言之，在追求高表面質量的前提下，硬質材料更適合高速銑削加工。

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

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