微溝槽頂部毛刺寬度微細切削試驗研究*

孫秋蓮，程 祥，田業(yè)冰，鄭光明，王 飛

(山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

微細切削技術(shù)因其具有三維化、柔性化、多樣化等特點而被廣泛應(yīng)用于加工制造中。但切削過程中殘留的毛刺成為影響和制約精密與超精密加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題之一[1]。在實際加工過程中減小工件邊緣的毛刺尺寸不僅能提高微型零件的加工質(zhì)量和加工效率，還能提高工件的使用性能，將對微型零件的生產(chǎn)制造具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對微細銑削過程中毛刺的形成機理、參數(shù)優(yōu)化、加工工藝等進行了一系列的研究。Yadav A K等[2]研究發(fā)現(xiàn):與微細銑削溝槽其它部位相比，逆銑側(cè)退出毛刺尺寸最大，且切削速度是影響毛刺尺寸大小的主要因素，并通過實驗證明切削速度越大退出毛刺尺寸越小。倪海波等[3]研究刀具前角、刀具刃口半徑、銑削深度、進給量、主軸轉(zhuǎn)速等對毛刺的影響，并通過試驗驗證了仿真中切削參數(shù)對毛刺的影響規(guī)律。VivekB等[4]通過對鋁TI6AI4V進行槽銑削試驗，研究了主軸轉(zhuǎn)速，進給速率，切削深度，刀具直徑等工藝參數(shù)對毛刺尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)毛刺高度隨著主軸轉(zhuǎn)速及進給速度的提高而降低，隨著切削深度的提高而增大，刀具直徑對毛刺尺寸影響不明顯。Wu Xian等[5]通過考慮切削刃邊緣的應(yīng)力分布對毛刺尺寸的形成機理，發(fā)現(xiàn)切削刃附近的應(yīng)力分布對泊松毛刺影響最明顯。Lee K等[6]通過對黃銅、不銹鋼、鋁三種不同材料毛刺形成的研究發(fā)現(xiàn)：對于微溝槽端口切入毛刺，切削深度的增加對黃銅及鋁微溝槽的切入端毛刺尺寸影響最大；對于槽頂端毛刺，逆銑側(cè)毛刺小于順銑側(cè)毛刺；對于微溝槽端口切出端毛刺，鋁材料槽端口切出毛刺的高度與寬度大致相同，不銹鋼材料的槽端口切出毛刺與側(cè)壁毛刺相連，而黃銅材料沒有。Chen Ni等[7]利用有限元模型分析，槽切入毛刺、切出毛刺及槽頂毛刺的形成，然后用正交試驗銑削槽，分析三種毛刺形成過程，且得出軸向切深對毛刺尺寸影響最大。Cheng Jun等[8]對毛刺抑制采用新的工藝方法，發(fā)現(xiàn)在材料表面涂樹脂涂層，可以有效的減小槽頂毛刺。Ozel T等[9]通過有限元與試驗相結(jié)合的方法研究毛刺形成，分析研究毛刺周圍溫度變化及刀具磨損，結(jié)果發(fā)現(xiàn):降低毛刺周圍溫度及減小刀具磨損有助于減小毛刺尺寸。Ding H等[10]研究尺度效應(yīng)對槽頂部毛刺的影響，發(fā)現(xiàn)每齒進給量對槽頂毛刺的高度有顯著的影響，在微端銑削中使用振動輔助切割可以減小尺寸效應(yīng)，提高切削性能，從而降低了頂部毛刺的高度。楊凱等[11]利用數(shù)值模擬以及實驗驗證模擬研究微切削過程，分析了進給速度與切削刃圓弧半徑的比值對毛刺的影響，他們還研究了切削參數(shù)以及刀具參數(shù)對毛刺尺寸的影響，結(jié)論認(rèn)為微細毛刺尺寸會隨以下幾個變量的增大而增大：進給量、切深以及切削刃圓弧半徑。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對銑削過程中毛刺形成及抑制做了廣泛研究。然而，銑削參數(shù)的選著及加工工藝的不同直接影響毛刺尺寸大小，但學(xué)者將銑削參數(shù)優(yōu)化與后處理工藝相結(jié)合去毛刺的研究卻很少。因此，本文基于微細銑削溝槽的正交試驗進行參數(shù)優(yōu)化，并進行優(yōu)化驗證與后處理試驗。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用自主研發(fā)的三軸微細銑削數(shù)控機床3A-S100[12]，最高主軸轉(zhuǎn)速為80000min-1，主軸徑向跳動和軸向竄動均在1μm以內(nèi)。試驗刀具采用直徑為1mm 的雙刃硬質(zhì)合金立銑刀。工件材料為黃銅H59，工件加工完成用掃描電鏡(SEM)觀測記錄，獲得毛刺形貌尺寸。

1.2 試驗毛刺計算

在微細銑削溝槽時，槽頂會產(chǎn)生尺寸大小不同的毛刺，而通常評價毛刺尺寸大小的指標(biāo)是毛刺寬度和毛刺高度。由于試驗切削產(chǎn)生的毛刺通過SEM測量時，除了端部的毛刺高度，其他部位難以測出，為了多次測量獲得精確的毛刺尺寸，本文試驗結(jié)果均以毛刺寬度為試驗指標(biāo)，在試驗中測量溝槽順銑側(cè)20個不同位置的毛刺寬度，通過公式(1)求和取平均值的方法獲得毛刺寬度尺寸。

(1)

式中，Bw為毛刺平均寬度，Δwi為在不同位置下測量的毛刺尺寸。

2 正交優(yōu)化試驗

2.1 正交試驗參數(shù)

銑削參數(shù)的選擇直接影響微細銑削過程中產(chǎn)生的毛刺尺寸大小，選取影響毛刺尺寸大小的關(guān)鍵切削參數(shù)軸向切深、每齒進給量、徑向切深、刀具轉(zhuǎn)速進行正交實驗。為了節(jié)約加工時間，提高實驗效率，選取L9(34)正交表，數(shù)據(jù)的選取來源于以往試驗研究經(jīng)驗[13-16]，正交水平表如表1所示，正交試驗方案如表2所示。

表1 實驗主要影響因素及水平

表2 實驗具體銑削方案 L9(34)

2.2 正交試驗結(jié)果分析

2.2.1 正交試驗毛刺

根據(jù)表2參數(shù)，進行正交試驗，試驗結(jié)束，將正交實驗溝槽結(jié)果進行SEM電鏡掃描，其中8組圖如圖1所示。

圖1 正交試驗毛刺寬度形貌圖

從圖1中可以看出，采用不同切削參數(shù)時，在溝槽頂部產(chǎn)生的毛刺形貌不同，通過對每個溝槽兩側(cè)毛刺大小進行對比可知：順銑側(cè)毛刺尺寸大于逆銑側(cè)毛刺尺寸。

2.2.2 正交試驗毛刺寬度分析

利用公式(1)，對正交試驗毛刺進行測量及計算，獲得正交試驗毛刺寬度數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。將表3中數(shù)據(jù)，進行極差分析，探究正交試驗四個關(guān)鍵因素，即主軸速度n，軸向切深ap，每齒進給量fz和徑向切深ae，對槽頂毛刺寬度尺寸影響主次關(guān)系，并通過分析獲得最小毛刺尺寸對應(yīng)的銑削參數(shù)最優(yōu)組合。

表3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

續(xù)表 表3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

表3中,Ki為因素所在列第i(i=1，2，3)水平對應(yīng)的毛刺寬度之和,Ki為因素所在列第i(i=1，2，3)水平對應(yīng)的平均毛刺寬度，Rj為各列因素所對應(yīng)的極差值。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)結(jié)果可知，極差Rj的大小，可以判斷各因素對試驗指標(biāo)的影響主次，對槽頂毛刺寬度影響最大的因素是主軸轉(zhuǎn)速，其次是軸向切深ap，徑向切深ae，影響最小的因素是每齒進給量fz。

以各因素水平為橫坐標(biāo)，以正交試驗槽頂毛刺寬度的平均值Ki(i=1，2，3)為縱坐標(biāo)，繪制各因素與毛刺寬度的因素指標(biāo)圖，如圖2所示。

圖2 毛刺寬度因素指標(biāo)圖

從圖2正交試驗因素指標(biāo)圖中可以看出，隨著軸向切深的增大，槽頂毛刺寬度值呈現(xiàn)遞增的趨勢，軸向切深為78μm時毛刺寬度最?。浑S著每齒進給量的增大，槽頂毛刺寬度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，每齒進給量為1.5μm/z時毛刺寬度最??；隨著徑向切深的增大，槽頂毛刺寬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)徑向切深為390μm時，毛刺寬度最小。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，槽頂毛刺寬度值呈現(xiàn)遞增的趨勢，主軸轉(zhuǎn)速為78000min-1時，毛刺寬度最小。結(jié)合表3中各Ri(i=1，2，3)值大小，以毛刺尺寸作為指標(biāo)，最優(yōu)參數(shù)組合為ap=78μm，fz=1.5μm/z，ae=390μm,n=78000min-1。

圖3 正交試驗優(yōu)化結(jié)果

3 正交試驗驗證

利用正交試驗獲得的切削參數(shù)組合進行微細銑削6組槽試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。將結(jié)果與圖1進行對比，可以得出槽頂?shù)拿檀笮∫呀?jīng)明顯減小，無較大毛刺存在，從而驗證正交試驗組合參數(shù)選著的正確性。通過對槽頂毛刺測量及計算，獲得最小槽頂毛刺尺寸為55.31μm。

4 后處理試驗

通過正交試驗驗證的毛刺形貌圖可以看出，槽頂仍然存較大尺寸的毛刺，為了進一步減小溝槽頂部毛刺尺寸。需采用“后處理”工藝進行進一步處理。

4.1 后處理試驗設(shè)計

“后處理”工藝是在已經(jīng)加工完的槽表面進行空走刀，即軸向切深為零，目的是去除槽頂表面毛刺，但不參與銑削工件，如圖4所示。為了防止多次換刀使試驗加工產(chǎn)生對刀誤差，以便保證試驗的準(zhǔn)確性和有效性，試驗采用正交試驗優(yōu)化銑削參數(shù)(ap=78μm，fz=1.5μm/z，ae=390μm，n=78000min-1)預(yù)銑溝槽后，進行無換刀進行去毛刺的“后處理”試驗。通過圖1分析可知，由于在槽頂逆銑側(cè)的平均毛刺尺寸小于順銑側(cè)，因此為減小毛刺尺寸大小，刀具后處理采用逆銑切入槽頂側(cè)邊如圖4所示。

圖4 后處理示意圖

4.2 后處理試驗

將試驗溝槽結(jié)果進行SEM觀測，結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗結(jié)果圖

將正交試驗、正交驗證試驗、后處理試驗獲得的毛刺寬度尺寸分別求和取平均值，得到各試驗平均毛刺寬度分別為：77.79μm、55.31μm和19.91μm。正交驗證試驗比正交試驗減小28.89%，驗證了正交優(yōu)化實驗參數(shù)組合的正確性。后處理試驗比正交驗證實驗毛刺平均寬度減小64%，結(jié)合圖5，可以看出毛刺尺寸已經(jīng)明顯更小可以證明后處理工藝可以作為減小毛刺尺寸的有效工藝方式。

5 結(jié)論

針對微細銑削中產(chǎn)生的毛刺，對微細銑削的4個關(guān)鍵因素，即主軸轉(zhuǎn)速n，軸向切深ap，每齒進給量fz和徑向切深ae展開單因素試驗、正交試驗、“后處理”試驗研究。通過優(yōu)化分析可知:微溝槽頂端逆銑側(cè)毛刺尺寸小于順銑側(cè)毛刺尺寸，因此在溝槽銑削中，為減小毛刺尺寸應(yīng)盡量選擇逆銑加工方式。銑削黃銅工件微溝槽時，對槽頂毛刺尺寸大小影響程度由大到小的順序依次是主軸轉(zhuǎn)速、軸向切深、每齒進給量和徑向切深，最優(yōu)銑削參數(shù)組合是主軸速度為78000min-1，軸向切深為78μm，每齒進給量為1.5μm/z，徑向切深為390μm。采用后處理進行走刀去毛刺，可以有效大幅度地減小毛刺尺寸。因此后處理工藝可以作為去除毛刺的有效方法，用于去除毛刺的實際銑削加工中，提高工件的加工質(zhì)量。