高速銑削航空鋁合金的工藝參數(shù)優(yōu)化研究*

趙仁瀚，李蓓智，楊建國

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

航空鋁合金是一種新型的高強度鋁合金，廣泛應(yīng)用于飛機上機翼和水平尾翼等航空結(jié)構(gòu)件中，因而一直為飛機工程領(lǐng)域的技術(shù)人員所關(guān)注，有關(guān)航空鋁合金的切削加工性能的研究也為學(xué)術(shù)界所重視[1]。航空鋁合金航空結(jié)構(gòu)件主要通過銑削加工制得，而金屬在銑削加工過程中均會出現(xiàn)切削力和切削熱，因此會加速刀具的磨損，同時也影響到工件的加工質(zhì)量[2-3]。王素玉、蘇玉龍等[4-5]對加工過程中鋁合金表面粗糙度的變化以及加工工藝情況進行了較為系統(tǒng)的闡述，王濤、陳錦江等[6-7]對加工過程中的銑削力變化進行的分析和研究，張欣欣[8]對微細銑削加工過程中的表面粗糙度變化情況進行了分析和研究；在文獻[9]中針對鋁合金在順銑情況下的表面粗糙度模型展開了深入的探索。但是，目前的研究主要局限于單因素對加工目標的影響情況，忽略了多因素對加工對象的綜合影響情況，經(jīng)常出現(xiàn)由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)而造成零件的加工質(zhì)量較差的情況[10-11]；另外，目前針對工藝參數(shù)中進給速度的研究主要集中在1000mm/min以下，對于1000mm/min以上的進給速度研究不多。因此，針對航空鋁合金的銑削加工中，在進給速度大于1000mm/min的前提下進行工藝參數(shù)的優(yōu)化搭配方法以及材料去除率情況的研究，是航空鋁合金銑削加工技術(shù)研究的一個重要方面。如何選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方式，實現(xiàn)表面粗糙度和銑削力的最小化是一項非常重要的任務(wù)[12-13]。

為了解決鋁合金的工藝參數(shù)優(yōu)化問題，本文基于實驗法，通過在6061鋁合金工件上進行銑削加工實驗，研究分析不同刀具材料和不同工藝參數(shù)對銑削力、表面粗糙度以及材料去除率的作用規(guī)律，從而針對工藝參數(shù)進行優(yōu)化組合，確定在不同的加工要求下，選擇不同的工藝參數(shù)組合，提高工件加工精度以及材料去除率，從而可以根據(jù)不同的加工目標，提出不同的加工工藝方案，達到提高工件表面加工質(zhì)量、加工效率以及減小刀具磨損的目的，為航空鋁合金的實際生產(chǎn)加工提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗條件

(1)切削加工機床采用日本森精機車削中心立式車床精機Eco-Mill 635 V立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速范圍：0～10000rpm，最大進給速度：30m/min，電主軸功率13kW，符合本次實驗的切削加工要求。

(2)切削刀具選用平頭立式硬質(zhì)合金銑刀，直徑8mm，前角15°，后角12°，螺旋角45°，刀刃個數(shù)為3。

(3)測量表面粗糙度儀器采用JB-4C型表面粗糙度測試儀，JB-4C精密粗糙度儀是一種高精度觸針式表面粗糙度測量儀器，其分辨率為0.01μm，取樣長度為0.8mm，滿足本次實驗測量要求，為減小誤差，每個加工表面取5個測量點，取平均值。

(4)采用 Kistler的三向動態(tài)壓電測力儀、5070A 電荷放大器和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量與記錄銑削力。

(5)試件選用6061航空鋁合金，該鋁合金具有良好的可成型性、可焊接性以及可加工性，同時具有中等強度，是目前在飛機、航空器方面應(yīng)用最廣泛的鋁合金，因此，采用該種材料作為本次實驗材料，該試件長×寬×高分別是55mm×30mm×30mm。

(6)切削方式采用銑平面、干切削加工、順銑。

2 實驗?zāi)康募胺桨?/h3>

本文以6061航空鋁合金為加工對象，針對不同的刀具材料以及不同的工藝參數(shù)組合方式，研究不同工藝參數(shù)的組合對不同加工目標的綜合影響情況，找出不同目標下的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。本次切削加工實驗選取主軸轉(zhuǎn)速、進給速度以及切削深度三個參數(shù)作為實驗的輸入量，選擇銑削力和表面粗糙度的大小作為實驗的輸出量，選擇不同刀具材料、不同的工藝參數(shù)組合來研究表面粗糙度和銑削力隨工藝參數(shù)的變化情況，通過數(shù)據(jù)比對，找出對表面粗糙度和銑削力最有利的工藝參數(shù)組合以及最優(yōu)刀具材料，針對不同的加工要求，選擇不同的工藝參數(shù)組合方式，從而實現(xiàn)較高的加工精度、較大的材料去除率以及較小的刀具磨損，實驗工藝參數(shù)表如表1所示。

表1 實驗工藝參數(shù)表(兩種刀具材料參數(shù)相同)

3 不同目標的影響分析

3.1 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響分析

圖1～圖3分別是不同刀具材料在不同工藝參數(shù)下對工件表面粗糙度的影響情況，由上三個圖可以看出，對于TIALN涂層刀具而言，轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(即增大100%)，表面粗糙度由0.467μm減小至0.363μm(即減小22%)；在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，表面粗糙度由0.467μm增大至0.527μm(即增大13%)；當(dāng)進給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(即增大100%)，表面粗糙度由0.342μm增大至0.527μm(即增大54%)。因此，經(jīng)過對比可知，主軸轉(zhuǎn)速增大，則表面粗糙度減小；進給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度增大，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于低速時，工件已加工表面形成較慢，如果增大進給速度和切削深度，會出現(xiàn)工件表面的切削工作還未完成，刀具和工件就發(fā)生移動，使得工件表面出現(xiàn)撕裂的情況，導(dǎo)致已加工表面不是切削形成的，而是撕裂造成的，因此，當(dāng)進給速度和切削深度增大時，均會導(dǎo)致表面粗糙度的增大。其工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響權(quán)重是：進給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，表面粗糙度由0.363μm減小至0.284μm(即減小22%)；當(dāng)進給速度由1600mm/min增大至3200mm/rmin時(即增大100%)，表面粗糙度由0.284μm增大至0.379μm(即增大25%)。因此，經(jīng)過對比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到8000r/min時，進給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度減小，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于高速時，工件已加工表面形成較快，此時適當(dāng)提高切削深度，不會出現(xiàn)撕裂的情況，使得加工表面形成較順利，因此，切削深度增大時，表面粗糙度會減小。其工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響權(quán)重是：進給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度。

圖1 不同刀具材料在不同切削深度下的表面粗糙度對比

圖2 不同刀具材料在不同進給量下的表面粗糙度對比

圖3 不同刀具材料在不同轉(zhuǎn)速下的表面粗糙度對比

對于硬質(zhì)合金刀具而言，在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，表面粗糙度由0.268μm增大至0.291μm(即增大8.6%)；當(dāng)進給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(即增大100%)，表面粗糙度由0.177μm增大至0.291μm(即增大64%)，因此，經(jīng)過對比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到4000r/min時，進給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度增大，其原因與低速時TIALN涂層刀具相同，在此不再贅述，其工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響權(quán)重是：進給速度>切削深度。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，表面粗糙度由0.302μm減小至0.263μm(即減小13%)；當(dāng)進給速度由0.2mm/rpm增大至0.4mm/rpm時(即增大100%)，表面粗糙度由0.145μm增大至0.263μm(即增大81%)，因此，經(jīng)過對比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到8000r/min時，進給速度增大，則表面粗糙度增大；切削深度增大，則表面粗糙度減小，其原因與高速時TIALN涂層刀相同，在此不再贅述。工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響權(quán)重是：進給速度>切削深度。當(dāng)轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(即增大100%)，表面粗糙度由0.177μm減小至0.145μm(即減小18%)，而且工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響權(quán)重是：進給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度。由實驗數(shù)據(jù)綜合分析可得：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在8000r/min，進給速度為1600mm/min，切削深度為0.2mm時，工件的表面質(zhì)量最好，其表面粗糙度Ra可以達到0.14μm，此工藝參數(shù)的材料去除率可以達到46310mm3/min，其加工精度和加工效率均優(yōu)于低速加工的情況，因此，在選擇工藝參數(shù)時，若以降低表面粗糙度為優(yōu)化目標，工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為高轉(zhuǎn)速、小進給、大切深，該工藝參數(shù)組合既可以使工件加工表面獲得良好的加工質(zhì)量以及較高的加工精度，又可以通過適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速以及切削深度，在保證加工質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)較高的材料去除率。

3.2 工藝參數(shù)對銑削力的影響分析

圖4～圖6分別是不同刀具材料在不同工藝參數(shù)下對銑削力的影響情況，由上3個圖可以看出，對于TIALN涂層刀具而言，轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由17N(X)，45N(Y)，22N(Z)減小至15N(X)20N(Y)15N(Z)(即分別減小12%，55%，32%)；在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由17N(X)，45N(Y)，22N(Z)增大至30N(X)70N(Y)20N(Z)(即分別增大76%，55%，9%)；當(dāng)進給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由34N(X)，80N(Y)，22N(Z)減小至30N(X)70N(Y)20N(Z)(即分別減小12%，13%，9%)。因此，經(jīng)過對比可知，主軸轉(zhuǎn)速增大，則三個方向的銑削力均減?。贿M給速度增大，則三個方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個方向的銑削力均增大，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于低速時，表面不容易被切除，切削時產(chǎn)生的切削抗力較大；當(dāng)進給速度增大時，刀具的移動速度增大，容易出現(xiàn)表面材料撕裂的情況，因此銑削力會隨之增大；當(dāng)切削深度增大時，需要切除的材料增多，金屬去除量增大，因此刀具所受的銑削力也增大。工藝參數(shù)對銑削力的影響權(quán)重是：切削深度>進給速度=主軸轉(zhuǎn)速(X方向)，主軸轉(zhuǎn)速=切削深度>進給速度(Y方向)，主軸轉(zhuǎn)速>進給速度=切削深度(Z方向)。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由15N(X)，20N(Y)，15N(Z)增大至35N(X30N(Y20N(Z(即分別增大133%,50%,33%)；當(dāng)進給速度由1600mm/min增大至3200mm/min時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由15N(X)，21N(Y)，11N(Z)增大至35N(X)30N(Y)20N(Z)(即分別增大133%，43%，43%)；因此，經(jīng)過對比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到8000r/min時，進給速度增大，則三個方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個方向的銑削力均增大，其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速處于高速時，表面容易被切除，表面形成順利，切削時產(chǎn)生的切削抗力變小；當(dāng)進給速度增大和切削深度增大時的變化原因與低速時相同，在此不再贅述。工藝參數(shù)對三個方向銑削力的影響權(quán)重是：進給速度=切削深度(X方向)，切削深度>進給速度(Y方向)，進給速度>切削深度(Z方向)。

圖4 不同刀具材料在不同切削深度下的銑削力比較

圖5 不同刀具材料在不同進給量下的銑削力比較

圖6 不同刀具材料在不同轉(zhuǎn)速下的銑削力比較

對于硬質(zhì)合金刀具而言，在4000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由16N(X)，15N(Y)，11N(Z)增大至22N(X)27N(Y)15N(Z)(即分別增大38%，80%，36%)；當(dāng)進給速度由800mm/min增大至1600mm/min時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由16N(X)，17N(Y)，10N(Z)增大至22N(X)27N(Y)15N(Z)(即分別增大38%，59%，50%)，因此，經(jīng)過對比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到4000r/min時，進給速度增大，則三個方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個方向的銑削力均增大，其原因和TILAN涂層刀具在低速時相同，在此不再贅述。而且工藝參數(shù)對銑削力的影響權(quán)重是：進給速度=切削深度(X方向)，切削深度>進給速度(Y方向)，進給速度>切削深度(Z方向)。在8000r/min的情況下，當(dāng)切削深度由0.05μm增大至0.1μm時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由10N(X)，11N(Y)，8N(Z)增大至20N(X)17N(Y)11N(Z)(即分別增大100%，55%，38%)；當(dāng)進給速度由1600mm/min增大至3200mm/min時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由15N(X)，13N(Y)，9N(Z)增大至20N(X)17N(Y)11N(Z)(即分別增大33%，31%，22%)，因此，經(jīng)過對比可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達到8000r/min時，進給速度增大，則三個方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個方向的銑削力均增大。而且工藝參數(shù)對銑削力的影響權(quán)重是：進給速度>切削深度(X方向)，進給速度>切削深度(Y方向)，進給速度>切削深度(Z方向)。當(dāng)轉(zhuǎn)速由4000r/min增大至8000r/min時(即增大100%)，銑削力的平均值分別由22N(X)，27N(Y)，15N(Z)減小至20N(X)17N(Y)11N(Z)(即分別減小9%，37%，27%)；因此，經(jīng)過對比可知，主軸轉(zhuǎn)速增大，則三個方向的銑削力均減小；進給速度增大，則三個方向的銑削力均增大；切削深度增大，則三個方向的銑削力均增大，其原因和TIALN涂層刀具在高速時相同，在此不再贅述。工藝參數(shù)對三個方向銑削力的影響權(quán)重是：切削深度=進給速度>主軸轉(zhuǎn)速(X方向)，切削深度>進給速度>主軸轉(zhuǎn)速(Y方向)，進給速度>切削深度>主軸轉(zhuǎn)速(Z方向)。

因此，若以減小銑削力、提高刀具耐用度為目的，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為高轉(zhuǎn)速、小進給、小切深時，加工產(chǎn)生的銑削力最小，分別是10N(X)，11N(Y)，7N(Z)。該工藝參數(shù)組合可以使刀具在切削加工過程中所受的銑削力最小，不僅可以減小刀具的磨損，延長刀具壽命，降低加工成本，同時可以通過適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速，在保護刀具的前提下，達到提高材料去除率的目的。

4 結(jié)果與結(jié)論

基于上述分析，研究了不同工藝參數(shù)組合對工件表面的影響情況，可以根據(jù)被加工零件的質(zhì)量要求、加工效率和刀具壽命等要求，進行高速銑削工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，主要結(jié)果與結(jié)論如下：

(1)在加工工程中，主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和切削深度對表面粗糙度的影響大小是：進給速度>主軸轉(zhuǎn)速>切削深度，因此在實際生產(chǎn)中，如果需要減小表面粗糙程度，則應(yīng)該先減小進給速度，其次減小主軸轉(zhuǎn)速，最后減小切削程度。

(2)當(dāng)以表面粗糙度為優(yōu)化目標時，最佳刀具材料為硬質(zhì)合金刀具，工藝參數(shù)最優(yōu)組合為高轉(zhuǎn)速，小進給，大切深，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，進給速度為1600mm/min，切削深度為0.2mm時，工件的表面質(zhì)量最好，表面粗糙度Ra為0.14μm，同時材料去除率可以達到46310mm3/min，該參數(shù)組合與目前研究的其他銑削參數(shù)加工出的表面粗糙度相比較而言，不僅進一步提高了零件的表面粗糙度，而且材料去除率也是較高的一組，證明進給速度在大于1000mm/min的前提下，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化組合依然可以保證良好的加工質(zhì)量，從而可以實現(xiàn)加工質(zhì)量和加工效率的完美統(tǒng)一。

(3)當(dāng)以銑削力為優(yōu)化目標時，工藝參數(shù)最優(yōu)組合為高轉(zhuǎn)速、小進給、小切深，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，進給速度為1600mm/min，切削深度為0.05mm時，銑削力分別是10N(X)，11N(Y)，7N(Z)，該工藝參數(shù)組合下的銑削力最小，對刀具的磨損影響最小，采用該組工藝參數(shù)，可以達到延長刀具壽命，降低加工成本的目的。

本文的研究彌補了傳統(tǒng)加工中通過改變單個工藝參數(shù)來影響某加工屬性的情況，找出了不同加工要求下工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，從而可以為航空鋁合金的實際生產(chǎn)加工提供一定的參考和借鑒，有利于實現(xiàn)航空鋁合金高效、快捷的批量化生產(chǎn)。