高速微銑削難加工材料切削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究*

張欣欣，許金凱，于化東

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

高速微銑削難加工材料切削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究*

張欣欣，許金凱，于化東

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

利用高速精密微銑削機(jī)床在鈦合金Ti6Al4V與不銹鋼0Cr18Ni9表面加工微溝槽結(jié)構(gòu)，以溝槽底面粗糙度Ra為目標(biāo)，優(yōu)化難加工材料的切削參數(shù)。分別采用單因素試驗(yàn)與多因素正交試驗(yàn)研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度與軸向切深對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，通過(guò)極差與方差分析法指出各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響的主次順序與最優(yōu)參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于兩種材料具有不同的物理、化學(xué)與機(jī)械加工性，所以表面質(zhì)量有所差異，加工鈦合金與不銹鋼時(shí)，各因素對(duì)表面粗糙度的影響從大到小依次分別為vf＞n＞ap與vf＞ap＞n；在本次試驗(yàn)條件下，為了提高零件的加工表面質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速，減小進(jìn)給速度與軸向切深，因此選擇銑削鈦合金的最優(yōu)參數(shù)為n=30000r/min、vf= 40mm/min、ap=10μm，銑削不銹鋼的最優(yōu)參數(shù)為n=48000r/min、vf=30mm/min、ap=10μm。

高速微銑削；難加工材料；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

隨著微納米結(jié)構(gòu)件在汽車、航空航天、電子、生物醫(yī)藥及日常生活中的廣泛應(yīng)用，高速微銑削加工技術(shù)以其加工精度高、加工效率高、柔性好、制備工藝簡(jiǎn)單、適用于多種材料的加工等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。由于微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)如何獲得高效、高精度微小零件的研究已經(jīng)成為了先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一［1-2］。在高速微銑削加工中，切削參數(shù)的優(yōu)化直接關(guān)系到加工系統(tǒng)的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的加工質(zhì)量，也是研究高速微銑削機(jī)理和加工工藝的一個(gè)目標(biāo)［3-4］。

表面粗糙度是衡量零件表面加工質(zhì)量及其使用性能的重要指標(biāo)，在高速微銑削加工中，表面粗糙度受許多因素的影響，如工件材料、刀具、幾何參數(shù)、切削參數(shù)與機(jī)床震動(dòng)等，因此通過(guò)切削試驗(yàn)研究高速微銑削工件表面粗糙度的影響因素，尋求最佳的切削加工參數(shù)，對(duì)提高工件的加工精度與表面質(zhì)量具有重要意義［5-6］。

在航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的鈦合金Ti6Al4V和不銹鋼0Cr18Ni9屬于典型的難加工材料，在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。鈦合金Ti6Al4V因其彈性模量小、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性高，常常引起加工效率低、表面質(zhì)量差、刀具磨損破損嚴(yán)重、生產(chǎn)成本高等制造工藝難題；不銹鋼0Cr18Ni9由于切削力大、切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、容易“粘刀"等自身特點(diǎn)，使得其加工效率非常低［7］。本文利用高速微銑削加工技術(shù)對(duì)這兩種難加工材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)，以表面粗糙度為目標(biāo)進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化。采用單因素試驗(yàn)與多因素正交試驗(yàn)［8-9］研究各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并通過(guò)極差與方差分析法獲得最優(yōu)因素水平組合，分別獲得了適合于鈦合金與不銹鋼材料的高速微銑削參數(shù)，該實(shí)驗(yàn)對(duì)高速微銑削難加工材料的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)條件與方案

1.1 試驗(yàn)條件

加工設(shè)備采用自行研制的三軸小型高速精密微銑削機(jī)床，三個(gè)軸的工作行程為150mm×150mm× 60mm，工作臺(tái)位置精度優(yōu)于±0.5μm/100mm，重復(fù)定位精度為±0.2μm，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)60000r/min，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于1μm；試驗(yàn)材料為廣泛用于航空航天的兩類切削性能不同的難加工材料：鈦合金Ti6Al4V與不銹鋼0Cr18Ni9，其機(jī)械加工性能有關(guān)參數(shù)詳見表1；所用刀具為整體式立方碳化硼立銑刀，刀具直徑為0.2mm，刀柄直徑為4mm，刃長(zhǎng)為0.2mm，齒數(shù)為2，螺旋角為30°，前角與后角分別為8.5°和4.5°，刀尖圓弧半徑為0.3±0.01mm；采用JSM-6700FI冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微溝槽的微觀形貌；溝槽底面粗糙度的測(cè)量設(shè)備為MarSurf LD120輪廓與粗糙度測(cè)量?jī)x。

表1 Ti6Al4VT與0Cr18Ni9的機(jī)械加工性能

1.2 試驗(yàn)方案

首先對(duì)兩種材料進(jìn)行拋光處理，然后利用電火花線切割將材料切割為80mm×40mm×10mm長(zhǎng)方體塊，這樣不僅保證了加工表面的平面度，同時(shí)也減少了工件的裝夾誤差；利用三軸小型高速精密微銑削機(jī)床在鈦合金Ti6Al4V與不銹鋼0Cr18Ni9表面加工微溝槽結(jié)構(gòu)，切削方式為全徑切削，即理論上刀具直徑等于銑削溝槽的寬度；選擇溝槽底面粗糙度Ra為試驗(yàn)的研究對(duì)象，采用JSM-6700FI冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)溝槽的微觀形貌；使用MarSurf LD120輪廓與粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量微溝槽底面的粗糙度；加工過(guò)程中采用乳化液進(jìn)行潤(rùn)滑與冷卻。

本試驗(yàn)分別采用單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)，單因素試驗(yàn)可以詳細(xì)直觀的反映該參數(shù)對(duì)所有考查目標(biāo)的影響趨勢(shì)和變化規(guī)律，但該方法的實(shí)驗(yàn)量大，不能全面歸納出各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的綜合影響，而多因素正交試驗(yàn)不僅可以確定各因素對(duì)表面粗糙度影響的先后順序，還可得到最優(yōu)切削參數(shù)組合和最佳工藝方案，從而彌補(bǔ)了單因素試驗(yàn)帶來(lái)的缺陷［8］。正交試驗(yàn)選用三因素四水平標(biāo)準(zhǔn)正交表L16（43），三個(gè)因素分別為主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf與切削深度ap，研究切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并通過(guò)極差與方差分析法得到最優(yōu)因素水平組合，從而使工件具有加工精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)與加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。正交試驗(yàn)各因素的水平值根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際加工條件獲得，如表2所示。

表2 因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微溝槽的表面形貌分析

圖1分別為鈦合金Ti6Al4V與不銹鋼0Cr18Ni9在同樣的切削參數(shù)下加工的微溝槽形貌。從圖1a可以看出溝槽底部由許多同方向的圓弧形條紋組成，這是由于銑削加工微溝槽時(shí)，刀具每齒進(jìn)給后在槽底表面產(chǎn)生一圓弧，通常稱為次擺線。其次，從直槽兩側(cè)的毛刺可以推知不銹鋼與鈦合金的切屑都呈鋸齒狀，并且溝槽兩側(cè)殘留的毛刺有明顯區(qū)別，順銑一側(cè)的毛刺分布數(shù)量和高度要明顯多于逆銑一側(cè)。分析其原因可知，順銑時(shí)立銑刀每齒切削厚度逐漸減小，切屑變形減小，切削力逐漸減小，但在剛切入材料基體時(shí)，刀刃產(chǎn)生較大的切削沖擊力，造成切削過(guò)程不穩(wěn)定，表面粗糙度值較大。逆銑過(guò)程中，立銑刀側(cè)刃每齒切削厚度逐漸增大，刀具后刀面又對(duì)回彈材料進(jìn)行擠壓和摩擦，使整個(gè)過(guò)程切削相對(duì)平穩(wěn)、切削沖擊力小，表面粗糙度值較小。從圖1觀察不銹鋼微溝槽形貌可知，底面殘留的次擺線與溝槽兩側(cè)毛刺與鈦合金的溝槽形貌極為相似，但不銹鋼溝槽兩側(cè)的毛刺數(shù)量比鈦合金多，這可能是由于不銹鋼的密度與彈性模量要高于鈦合金，并且具有較大的變形率，所以在相同的參數(shù)下銑削加工微溝槽，不銹鋼的表面質(zhì)量要比鈦合金差些。

圖1 n=30000r/m in，vf=40mm/m in，ap=10μm時(shí)兩種材料的微觀形貌

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了考查各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)，首先設(shè)定每組切削參數(shù)的基準(zhǔn)量：主軸轉(zhuǎn)速n= 30000r/min、進(jìn)給速度vf=40mm/min、軸向切深ap= 15μm。進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，基準(zhǔn)量保持不變，調(diào)整切削參數(shù)的目標(biāo)量，從而得出主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf、軸向切深ap與表面粗糙度的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

圖2為切削用量與表面粗糙度的關(guān)系曲線圖。由圖2可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加，不銹鋼0Cr18Ni9的表面粗糙度變化不大，基本成平緩趨勢(shì)，由此可知，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)不銹鋼表面粗糙度值的影響并不大；但切削鈦合金Ti6Al4V時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)微銑削溝槽表面粗糙度有一定的影響，主軸轉(zhuǎn)速增大，表面粗糙度值有所增大，這是因?yàn)槲娤麾伜辖疬^(guò)程中很容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，主軸轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致積屑瘤增加以及鱗刺造成表面粗糙度增大。在相同的切削參數(shù)下，不銹鋼和鈦合金的進(jìn)給速度vf、軸向切深ap與表面粗糙度基本呈線性關(guān)系，即隨著進(jìn)給速度與軸向切深的增加，切削力增大、工件表面殘留高度增加、刀具磨損加劇，進(jìn)而使得表面粗糙度增大；當(dāng)vf=20mm/min、ap=5μm時(shí)，表面粗糙度最小，這是由于切削力較低，殘余高度很小導(dǎo)致的。從圖中可以看出，無(wú)論是加工鈦合金Ti6Al4V還是不銹鋼0Cr18Ni9，進(jìn)給速度vf對(duì)表面粗糙度影響最顯著；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n與軸向切削深度ap一定時(shí)，為了提高加工效率，增大進(jìn)給量的同時(shí)也增大了殘留面積的高度，直接造成了表面粗糙度值的增大，從而表面質(zhì)量下降；而軸向切深和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響并不十分顯著。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)已選定的三因素和表面粗糙度評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用極差與方差分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定各因素對(duì)表面粗糙度Ra影響的主次順序，并得出各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律以及每種材料的最優(yōu)切削參數(shù)組合。正交試驗(yàn)方案與極差、方差分析結(jié)果如表3、表4所示。為了使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，每組試驗(yàn)都重復(fù)進(jìn)行3次，表3得到的表面粗糙度值Ra取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表3 正交試驗(yàn)方案與極差分析結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

由極差分析結(jié)果（見表3）繪制鈦合金Ti6Al4V與不銹鋼0Cr18Ni9在相同的加工參數(shù)下三因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，如圖3所示，并繪制這兩種材料的表面粗糙度極差對(duì)比圖，如圖4所示。

圖3 各切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

圖4 兩種材料的表面粗糙度極差R對(duì)比圖

極差與方差分析結(jié)果（見表3與表4）表明，加工鈦合金Ti6Al4V時(shí)，進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度Ra值影響最大，主軸轉(zhuǎn)速次之，軸向切深對(duì)Ra值影響最小，各因素對(duì)表面粗糙度的影響從大到小依次為進(jìn)給速度vf＞主軸轉(zhuǎn)速n＞軸向切深ap，各因素水平的最優(yōu)組合為A1B3C2，即當(dāng)n=30000r/min、vf=40mm/min、ap=10μm時(shí)，加工試件的表面粗糙度Ra值最小，其粗糙度范圍為0.103～0.217μm，此時(shí)的置信度為［100（1-α）］%= 99%；加工不銹鋼0Cr18Ni9時(shí)，進(jìn)給速度對(duì)的表面粗糙度Ra值影響最大，軸向切深次之，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)Ra值影響極低，各因素對(duì)表面粗糙度的影響從大到小依次為進(jìn)給速度vf＞軸向切深ap＞主軸轉(zhuǎn)速n，各因素水平的最優(yōu)組合為A4B1C1，即當(dāng)n=48000 r/min、vf= 20mm/min、ap=5μm時(shí)，加工試件的表面粗糙度Ra值最小，其粗糙度范圍為0.137～0.261μm，此時(shí)的置信度也為99%。各因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律如圖3所示，與單因素試驗(yàn)繪制的趨勢(shì)圖（見圖2）極為相似。

極差R的大小反映了該因素變化時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響的大小，從圖4中可以明顯地看出，無(wú)論是加工鈦合金Ti6Al4V，還是不銹鋼0Cr18Ni9，對(duì)表面粗糙度影響最大的均為進(jìn)給速度；軸向切深對(duì)不銹鋼和鈦合金影響相差不大，都較??；而主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鈦合金的影響較大，但對(duì)不銹鋼影響極低，這可能是由于這兩種材料在物理、化學(xué)和機(jī)械加工性能上具有較大差異引起的。鈦合金強(qiáng)度硬度高、彈性模量大、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性大，特別是高溫時(shí)強(qiáng)度尤其高，導(dǎo)致切削力變大，材料摩擦現(xiàn)象嚴(yán)重，易造成刀尖與切削刃上切削熱集中，致使切削溫度很高；而不銹鋼材料的延伸率較大，加工硬化性大，親和性大，粘附性強(qiáng)，因而刀具在切削過(guò)程中易形成積屑瘤，刀具磨損加劇，使加工表面的粗糙度增大［7］。

目前，提高難加工材料的加工效率是迫切需要解決的問(wèn)題，增加進(jìn)給速度與軸向切深是提高加工效率的主要途徑［10-11］。為了提高難加工材料的加工效率，在刀具壽命與加工精度允許的條件下，選取切削用量時(shí)，從降低表面粗糙度值的角度出發(fā)，建議采用較高的主軸轉(zhuǎn)速、較低的進(jìn)給速度、適中的軸向切深和合適的切削液。所以，在本次實(shí)驗(yàn)條件下，銑削鈦合金時(shí)，選擇最優(yōu)組合為A1B3C2，即n=30000r/min、vf=40mm/ min、ap=10μm；加工不銹鋼時(shí)，選擇最優(yōu)組合A4B2C2，即n=48000r/min、vf=30mm/min、ap=10μm，這時(shí)試件的加工精度與表面質(zhì)量較優(yōu)，加工效率較高。針對(duì)不同的材料，應(yīng)正確選擇切削參數(shù)、刀具材料及合理確定刀具幾何參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上充分冷卻與潤(rùn)滑，是解決難加工材料加工效率低的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

為了深入地研究高速微銑削難加工材料切削參數(shù)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)方案，并通過(guò)極差與方差分析法得出了各因素對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律及最優(yōu)切削參數(shù)組合，并得出以下結(jié)論：

（1）無(wú)論加工鈦合金Ti6Al4V還是不銹鋼0Cr18Ni9材料，在相同的加工參數(shù)條件下，進(jìn)給速度對(duì)兩種材料的表面質(zhì)量影響最大，且隨著進(jìn)給速度的增加，工件表面殘留高度增加，使得表面粗糙度增大，加工精度與表面質(zhì)量降低。

（2）由于兩種材料具有不同的物理、化學(xué)與機(jī)械加工性，所以表面質(zhì)量有所差異，不銹鋼的表面質(zhì)量要比鈦合金差些；并且銑削加工鈦合金Ti6Al4V時(shí)，各因素對(duì)表面粗糙度的影響從大到小依次為進(jìn)給速度vf＞主軸轉(zhuǎn)速n＞軸向切深ap；銑削加工不銹鋼0Cr18Ni9時(shí)，各因素對(duì)表面粗糙度的影響從大到小依次為進(jìn)給速度vf＞軸向切深ap＞主軸轉(zhuǎn)速n。

（3）高速微銑削難加工材料時(shí)，在同時(shí)考慮加工精度與加工效率的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速，減小進(jìn)給速度與軸向切深，在本次實(shí)驗(yàn)條件下選擇銑削鈦合金的最優(yōu)參數(shù)為n=30000r/min、vf=40mm/min、ap=10μm，銑削不銹鋼的最優(yōu)參數(shù)為n=48000r/min、vf=30mm/min、ap=10μm。

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（編輯 趙蓉）

The Experiment Research of Cutting Parameters Optim ization in High-speed M icro-m illing Hard Processing M aterials

ZHANG Xin-xin，XU Jin-kai，YU Hua-dong
（College of Electrical and Mechanical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

The m icro groove structure be processed in titanium alloy Ti6A l4V surface and stainless steel 0Cr18Ni9 surface using high speed precision m icro m illing machine tool，regarding surface roughness Ra as research object，optimizing cutting parameters of hard machining materials.Using single factor experiment and muti-factor orthogonal experiment to study the influence law of spindle speed，feed rate and axial cutting depth on surface roughness，finished the optimal parameter combination simultaneously.Experimental results show that the surface quality of two materials is different because the twomaterials have different physical，chem ical and mechanical process performance.When machining titanium alloy and stainless steel，the influence of various factors on the surface roughness from big to small in turn is of vf＞n＞apand vf＞ap＞n.Under the condition of this test，in order to improve the processing surface quality of parts，itshould be appropriate to improve the spindle rotational speed，reduce the feed speed and axial cutting depth，so the optimal parameters is of n=30000 r/min，vf=40 mm/m in，ap=10μm inmicro-milling titanium alloy and the optimal parameters is of n=48000 r/min，vf=30 mm/m in，ap=10μm in micro-milling stainless steel.

high speed m icro-m illing；hard processing materials；parameters optim ization

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）08-0019-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.005

2015-03-16；

2015-04-14

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51275056）

張欣欣（1986-），女，山東菏澤人，長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒓?xì)切削加工與微機(jī)械制造技術(shù)，（E-mail）zx881121@126. com；通訊作者：于化東（1961-），男，吉林松原人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫艹芗庸ぁ⑽⒓?xì)切削加工與微機(jī)械制造、高速切削加工技術(shù)，（E-mail）yuhd@cust.edu.cn。