鋁鋰合金高速銑削表面粗糙度試驗(yàn)研究*

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 丁 悅 王 焱 吳茂慶 劉 暢

鋁鋰合金是一種先進(jìn)航空輕量化材料，具有減重效果明顯、強(qiáng)度-韌性綜合性能好、疲勞性能好和耐腐蝕等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用于地板梁、機(jī)身蒙皮、長桁、框、梁、腹板等部位[1-3]。因此研究切削加工對鋁鋰合金后續(xù)性能的影響有著十分重要的意義。本研究以2198鋁鋰合金為研究對象，采用正交試驗(yàn)的理論與方法進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，研究切削參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系，并分析特定切削參數(shù)下的銑削表面形貌，為合理選擇2198鋁鋰合金切削參數(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

工件材料為2198鋁鋰合金，熱處理狀態(tài)T8，其化學(xué)元素含量如表1所示。銑削刀具為SECO雙刃圓弧角型硬質(zhì)合金立銑刀，型號為421200R310-MEGA-T，直徑為φ20mm，圓角半徑為3.1mm，螺旋角為30°，徑向前角為18°。試驗(yàn)機(jī)床為橋式高速龍門銑床，最高轉(zhuǎn)速為24000r/min。試驗(yàn)采用水基冷卻液霧冷順銑方式。

表1 材料元素含量%

試驗(yàn)安排采用4因素3水平正交試驗(yàn)[4]，各因素及其水平如表2所示。在完成銑削試驗(yàn)后，測量刀具軌跡中平直處表面粗糙度Ras和拐角處的表面粗糙度Rac，在不同的3個位置重復(fù)測量5次，同時(shí)觀察銑削表面形貌。表面粗糙度采用時(shí)代公司的TR220粗糙度儀，通過keyence VHX超景深顯微鏡觀察。

表2 試驗(yàn)因素及水平

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，平直處表面粗糙度明顯低于拐角處表面粗糙度。這是因?yàn)橄啾绕街钡堵罚瑱C(jī)床轉(zhuǎn)角時(shí)主軸所受載荷不穩(wěn)定，容易發(fā)生振動，造成銑刀切削刃對工件表面的復(fù)刻不均勻，因此拐角處表面粗糙度較大。此外，機(jī)床轉(zhuǎn)角時(shí)實(shí)際進(jìn)給量會變小，切削刃對工件的擠壓效果會強(qiáng)于切削效果，此時(shí)待去除材料未完全形成切屑而堆積在已加工表面上，這種切削側(cè)漏現(xiàn)象會在一定程度上惡化拐角處的表面粗糙度。

對表3進(jìn)行極差分析可以發(fā)現(xiàn)，影響平直處表面粗糙度因素的主次關(guān)系分別是每齒進(jìn)給量、切削速度、切削深度和切削寬度，而影響拐角處表面粗糙度因素的主次關(guān)系分別是切削寬度、切削速度、每齒進(jìn)給量和切削深度。這種主次關(guān)系的不一致造成了平直處和拐角處表面粗糙度的差異。每齒進(jìn)給量對平直處表面粗糙度有重要影響，對拐角處表面粗糙度影響不大，而影響拐角處表面粗糙度最主要的因素是切削寬度。從極差分析上也能夠解釋平直處表面粗糙度低于拐角處表面粗糙度的原因。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為平直處表面粗糙度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律。從圖1（a）中可以看到，隨著切削速度的提高，平直處表面粗糙度呈現(xiàn)增加的趨勢。這是因?yàn)槭軝C(jī)床轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性的影響，高切削速度下刀具振動加劇，材料殘余高度增大，刀紋不均勻程度嚴(yán)重，造成表面粗糙度惡化。圖1（b）所示為每齒進(jìn)給量對平直處表面粗糙度的影響，每齒進(jìn)給量的提高導(dǎo)致平直處表面粗糙度幾乎呈線性增大。當(dāng)每齒進(jìn)給量提高時(shí)，同樣會造成材料殘余高度和不均勻程度增大，最終使得表面粗糙度增大。從圖1（c）和圖1（d）可以看到，切削深度和切削寬度對平直處表面粗糙度影響不大。需要注意的是，在選定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，平直處表面粗糙度基本保持在0.4μm以下。

圖1 切削參數(shù)對平直處表面粗糙度的影響Fig.1 Influence of cutting parameters on surface roughness of the straight part

圖2 切削參數(shù)對拐角處表面粗糙度的影響Fig.2 Influence of cutting parameters on surface roughness of the corner

圖2所示為拐角處表面粗糙度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，各切削參數(shù)的影響規(guī)律比較復(fù)雜。隨著切削速度的提高，拐角處表面粗糙度的變化趨勢為先迅速增大后緩慢減小，如圖2（a）所示。表面粗糙增大可根據(jù)材料殘余高度和不均勻程度增大解釋。由于切削轉(zhuǎn)角時(shí)實(shí)際每齒進(jìn)給量減小，切削厚度也相應(yīng)減小，因此刀具承受的切削力變小。當(dāng)切削速度達(dá)到一定值時(shí)，雖然高轉(zhuǎn)速會引起切削振動，但高速切削時(shí)相對較小的切削力引起的切削振動也較小，最終會使表面粗糙度緩慢降低。從圖2（b）可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的提高，拐角處表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢，這與平直處表面粗糙度隨每齒進(jìn)給量的變化規(guī)律一致。圖2（c）中，隨著銑削深度的增加，拐角處表面粗糙度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。圖2（d）中拐角處表面粗糙度隨著銑削寬度的增加而增大。

圖3 試驗(yàn)7銑削表面形貌Fig.3 Surface topography of test 7

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)7獲得的表面質(zhì)量最好，其銑削表面形貌如圖3所示。從圖3中可以看到，平直處銑削表面呈緊密有序的平行結(jié)構(gòu)，其方向與切削刃線速度方向一致，與進(jìn)給方向垂直。拐角處微結(jié)構(gòu)形貌與平行處一致。需要注意的是，無論平直刀路還是拐角刀路，都會出現(xiàn)表面缺陷，即表面材料在刀具的作用下被帶走而形成的凹坑。仔細(xì)觀察表面缺陷出現(xiàn)的部位可以發(fā)現(xiàn)，表面缺陷極易在交叉刀紋處出現(xiàn)，這是因?yàn)楫?dāng)形成某方向的“峰-谷”銑削刀紋結(jié)構(gòu)后，由于加工塑性變形等原因，高峰處的材料硬度提高，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，此時(shí)如果出現(xiàn)刀具跳動或者表面劃痕，切削刃就會對高峰處材料產(chǎn)生劃擦作用，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的材料發(fā)生斷裂，從而被切削刃帶走，進(jìn)而形成表面缺陷。

試驗(yàn)2對應(yīng)的平直處表面粗糙度Ras=0.337μm，拐角刀路處表面粗糙度Rac=0.593μm，分別處于0.2μm～0.4μm 和 0.4μm～0.8μm 的范圍，其表面形貌如圖4所示。平直刀路和拐角刀路由于銑削刀具跳動原因，銑削刀紋互相交織在一起，導(dǎo)致銑削表面質(zhì)量較差。當(dāng)加工拐角時(shí)，實(shí)際的進(jìn)給量減小，而過小的進(jìn)給量造成了切削側(cè)漏現(xiàn)象，即待去除材料由于切削刃的擠壓效果強(qiáng)于切削效果，材料未完全形成切屑而堆積在已加工表面，這也會在一定程度上對表面質(zhì)量造成負(fù)面影響。此外，在交叉刀紋處同樣發(fā)現(xiàn)了大量的表面缺陷。

圖4 試驗(yàn)2銑削表面形貌Fig.4 Surface topography of test 2

試樣3的表面粗糙度在選定的銑削參數(shù)范圍內(nèi)最差，其表面形貌如圖5所示。從圖5中可以看到，相比較試樣2和試驗(yàn)7，由于每齒進(jìn)給量的增大，刀紋間隔明顯增大，因此對應(yīng)的表面質(zhì)量也最差。同時(shí)由于較大的每齒進(jìn)給量，表面微結(jié)構(gòu)中的高峰處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低嚴(yán)重，因而在大的切削力作用下更容易出現(xiàn)表面缺陷。

圖5 試驗(yàn)3銑削表面形貌Fig.5 Surface topography of test 3

3 結(jié)論

通過對2198鋁鋰合金進(jìn)行銑削試驗(yàn)，分析其銑削表面質(zhì)量和表面形貌，得到以下結(jié)論。

（1）受機(jī)床主軸振動和實(shí)際進(jìn)給量變化的影響，同一切削參數(shù)下平直處表面質(zhì)量要好于拐角處表面質(zhì)量。

（2）對于平直處表面粗糙度，每齒進(jìn)給量對其影響最大；而對于拐角處表面粗糙度，對其影響最大的因素為切削寬度。在選定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，無論平直處和拐角處，當(dāng)vc=628.32m/min、fz=0.08mm/z、ap=1mm、ae=3.5mm時(shí)，能夠獲得最好的表面質(zhì)量。

（3）對銑削表面形貌進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，表面缺陷極易在交叉刀紋處出現(xiàn)，因此應(yīng)盡量避免刀具跳動和表面劃痕。

[1] 陳建.鋁鋰合金的性能特點(diǎn)及其在飛機(jī)中的應(yīng)用研究.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究, 2010(1):39-41.

[2] 孫中剛,郭旋,劉紅兵,等.鋁鋰合金先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢.航空制造技術(shù)，2012(5):60-63.

[3] 劉兵,彭超群,王日初,等.大飛機(jī)用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望.中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010(9):1705-1715.

[4] 趙選民.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法.北京：科學(xué)出版社, 2006.