AZ91D鎂合金高速銑削表面粗糙度及形貌表征研究*

張宏基，葛媛媛

(榆林學(xué)院 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，陜西 榆林 719000)

0 引言

高速銑削是在保證銑削質(zhì)量的前提下，采用較大的進(jìn)給速度來提高生產(chǎn)效率的重要方法。特別適用于加工精度要求高，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件銑削加工[1-2]。隨著節(jié)約能源、結(jié)構(gòu)輕量化和減少污染的迫切要求，鎂合金材料因其具有低密度、高比強(qiáng)、高比剛度和優(yōu)異的抗振能力，在航空航天、汽車制造和3C行業(yè)受到越來越多的重視[3]。鎂合金在進(jìn)行高速銑削加工時(shí)具有銑削力小、刀具磨損小的特點(diǎn)，該特點(diǎn)可抵消鎂合金材料成本較高的缺點(diǎn)。目前，對于鎂合金結(jié)構(gòu)件的成型加工研究最多的是鑄造成型、鍛壓成型、扎制成型、沖壓成型等傳統(tǒng)的成型加工方法[4]。因此，成型后的結(jié)構(gòu)件也只能在一些對尺寸精度、表面質(zhì)量等要求不高的場合適用，對于一些具有復(fù)雜形狀以及加工精度要求較高的鎂合金結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)方法不再適用，需要尋求其它的加工方法。高速銑削作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)具有加工精度高、材料去除量大、表面質(zhì)量高、加工效率高等特點(diǎn)，成為鎂合金結(jié)構(gòu)件的最有效加工方法之一[5-6]。文獻(xiàn)[7-8]對鎂合金的進(jìn)行了高速端面銑削實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[9-10]采用硬質(zhì)合金刀片對鎂合金材料進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明在銑削深度為1.5mm、銑削寬度20mm、銑削速度為4500m/min，進(jìn)給速度為12m/min時(shí)，銑削后鎂合金材料的表面粗糙度為1.6μm。

本文通過對AZ91D鎂合金材料進(jìn)行高速銑削，通過正交實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)地研究了高速銑削參數(shù)與表面質(zhì)量之間的相互影響關(guān)系，以期獲得影響表面質(zhì)量的主要銑削參數(shù)因素。同時(shí)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，建立了鎂合金高速銑削表面粗糙度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，并通過多元線性回歸的方法對所建立的預(yù)測模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。研究結(jié)果將為進(jìn)一步研究AZ91D鎂合金的高速銑削塑性變形機(jī)理、高速銑削工藝優(yōu)化等問題提供良好的理論基礎(chǔ)與技術(shù)方案。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用HAAS-VMCs加工中心作為銑削機(jī)床，其最高工作轉(zhuǎn)速為30000rpm。所用鎂合金材料的型號(hào)為AZ91D。試件尺寸規(guī)格為100mm×100mm×25mm。刀具采用硬質(zhì)合金4刃立銑刀，規(guī)格為D8×20×80。銑削方式分別采用順銑和逆銑。實(shí)驗(yàn)過程中選擇主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf、銑削深度ap、銑削寬度ae4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表1所示。表面粗糙度用德國公司表面粗糙度測量儀進(jìn)行測量，其輪廓分辨率為8nm，最大測量長度和最大評定長度分別為17.5mm和12.5mm。測量時(shí)在銑削表面上隨機(jī)選取5個(gè)測量面進(jìn)行表面粗糙度測量，取其算術(shù)平均值作為Ra值。表面形貌用奧地利公司的InfiniteFocusG5自動(dòng)變焦輪廓儀進(jìn)行測量，最大放大倍數(shù)為500倍，垂直分辨率為10nm。

表1 高速銑削正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn)方案對AZ91D鎂合金分別進(jìn)行了高速順、逆銑削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的銑削參數(shù)、材料去除率q、表面粗糙度Ra，分別如表2所示。由表2可知：序號(hào)為9的銑削參數(shù)高速銑削時(shí)材料去除率最小，為100.8mm3/min，該組參數(shù)銑削時(shí)對應(yīng)的表面粗糙度值亦為最小且順銑和逆銑表面粗糙度Ra值分別為0.2551μm和0.0854μm；序號(hào)為10的銑削參數(shù)高速銑削時(shí)材料去除率最大，為8164.8mm3/min，對應(yīng)的順銑和逆銑表面粗糙度Ra值同樣為最大且順銑和逆銑表面粗糙度Ra值分別為1.8464μm和0.6182μm。由這兩組銑削參數(shù)可知在相同銑削方式的情況下，不同銑削參數(shù)組合所得的銑削表面粗糙度最大值與最小值相差約7.23倍。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 銑削方式對表面粗糙度及表面形貌的影響

如圖1所示為正交實(shí)驗(yàn)過程中分別采用順洗和逆銑方式時(shí)，表面粗糙度的變化規(guī)律。由圖1可知在同一銑削工藝參數(shù)組合的情況下，順銑和逆銑所獲得的表面粗糙度具有相同的變化規(guī)律，且逆銑所得的表面粗糙度值均小于順銑所得表面粗糙度值。這是因?yàn)槟驺姇r(shí)銑刀側(cè)刃每齒切削厚度逐漸增大，且銑刀的后刀面又能對變形回彈材料進(jìn)行擠壓和摩擦，使整個(gè)銑削過程相對平穩(wěn)，故而所得的表面粗糙度值較小。圖2和圖3分別為采用序號(hào)3和10給定的銑削參數(shù)條件下，順銑和逆銑后鎂合金材料的表面形貌。

圖1 銑削方式對表面粗糙度的影響

由圖2和圖3可知，在銑削參數(shù)相同的條件下順銑和逆銑后鎂合金材料表面均出現(xiàn)規(guī)律的刀痕，但是順銑的刀痕更為明顯。根據(jù)鎂合金高速銑削參數(shù)制定原則，在對鎂合金高速精加工階段，為了獲得更好的表面質(zhì)量，可采用較高主軸轉(zhuǎn)速，較小銑削深度和中等進(jìn)給速度參數(shù)條件下選用逆銑方式進(jìn)行銑削。

(a)順銑Ra=1.8464μm (b)逆銑Ra=0.6182μm

(a)順銑Ra=0.2551μm (b)逆銑Ra=0.0854μm圖3 序號(hào)10的表面形貌

2.2 表面粗糙度預(yù)測模型的建立

由上述正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知高速銑削鎂合金材料時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度vf、銑削深度ap對銑削粗糙度有顯著的影響。但是由于銑削參數(shù)的相互耦合效應(yīng)，很難準(zhǔn)確說明其中某個(gè)參數(shù)對粗糙度的影響規(guī)律。在此通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立銑削參數(shù)和表面粗糙度之間的數(shù)學(xué)預(yù)測模型。如式(1)為用銑削參數(shù)的冪函數(shù)非線性模型表示的銑削粗糙度模型[11]。

(1)

式中，c、k、l、m、n分別為建模系數(shù)其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)確定，n為主軸轉(zhuǎn)速；vf為進(jìn)給速度；ap為銑削深度；ae為銑削寬度。式(1)為非線性函數(shù)，為了得到精度較高的表面粗糙度數(shù)學(xué)預(yù)測模型。對式(1)兩邊進(jìn)行對數(shù)變換使之變換成線性函數(shù)[12]，即：

lgRa=lgC+klgn+llgvf+mlgap+nlgae

(2)

令b0=lgC，b1=k，b2=l，b3=m，b4=n，x1=lgn，x2=lgvf，x3=lgap，x4=lgae則式(2)對應(yīng)的線性回歸方程為：

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4

(3)

由式(3)可知，自變量x1、x2、x3、x4與因素y之間存在著線性關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)方案可知共有4個(gè)自變量x1、x2、x3、x4，y表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此可知第一次實(shí)驗(yàn)的自變量為x01、x02、x03、x04，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為y0，同理可建立如下關(guān)系：

x01、x02、x03、x04：y0

x11、x12、x13、x14：y1

. . . . . . . . . . . .

x91、x92、x93、x94：y9

由于實(shí)驗(yàn)過程中不可避免地存在誤差ε，則可建立如下形式的考慮誤差存在的多元線性回歸方程：

(4)

將式(4)改寫成矩陣的形式，即：

Y=Xβ+e

(5)

式中，Y表示由測量所得表面粗糙度的對數(shù)值所組成的矩陣。

采用最小二乘法對參數(shù)β進(jìn)行估計(jì)。設(shè)b0、b1、b2、b3、b4分別是參數(shù)β0、β1、β2、β3、β4的最小二乘估計(jì)，則式(3)所示的回歸方程課表示為：

(6)

式中，b0、b1、b2、b3稱為回歸系數(shù)。

b=(X′X)-1X′Y

(7)

式中，X′為X的轉(zhuǎn)置矩陣，(X′X)-1為X′X的逆矩陣。對表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別取常用對數(shù)，并將矩陣X和Y代入公式(7)可得：

依照上述分析過程，同理可得逆銑時(shí)表面粗糙度模型，如式(8)和式(9)所示。故高速銑削AZ91D鎂合金材料表面時(shí)的Ra的經(jīng)驗(yàn)公式為:

(8)

(9)

在獲得表面粗糙度預(yù)測模型以后有必要對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并由此判定預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和可靠性。為了進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)引入偏差平方和，首先將總的偏差平方和ST分解為回歸平方和SA，和剩余平方和SE兩部分如式(10)～式(12)所示。

(10)

(11)

(12)

采用F檢驗(yàn)法。設(shè)H0:β1=0,β2=0,β3=0,則

(13)

式中,n表示實(shí)驗(yàn)組數(shù)，p是變量個(gè)數(shù)。

對于高速銑削AZ91D鎂合金材料，實(shí)驗(yàn)組數(shù)n=10，變量個(gè)數(shù)p=4。根據(jù)式(10)～式(12)，分別可求出總的偏差平方和ST、回歸平方和SA和剩余平方和SE，根據(jù)式(13)求出F，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 表面粗糙度的回歸方差分析表

查F分布表，a=0.01時(shí)，F(xiàn)(3,23)=4.765，因10.189>4.765，故可知高速銑削AZ91D鎂合金材料時(shí)表面粗糙度Ra的回歸方程是高度顯著的。

2.3 對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖5所示為高速銑削AZ91D鎂合金材料實(shí)驗(yàn)裝置。為了進(jìn)一步驗(yàn)證粗糙度預(yù)測模型的準(zhǔn)確性以及銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。對表4所示的銑削參數(shù)條件下的表面粗糙度進(jìn)行測量，研究銑削參數(shù)對表面粗糙度及表面形貌的影響。

圖4 AZ91D鎂合金高速銑削加工

2.3.1 進(jìn)給速度對表面粗糙度及表面形貌的影響

如圖5所示為進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響關(guān)系，由圖5可知在其他參數(shù)不變的條件下，隨著進(jìn)給速度的增加表面粗糙度逐漸增大。這也驗(yàn)證了預(yù)測模型中進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響是顯著的結(jié)論。觀察實(shí)驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)高速銑削鎂合金時(shí)，刀尖處容易形成積屑瘤，并且隨著銑削過程的不斷進(jìn)行積屑瘤也在不斷地成長，由于刀尖處積屑瘤的存在對表面的粗糙度有很大的影響。因此減小進(jìn)給速度可以防止積屑瘤的產(chǎn)生，故可獲得較好的表面質(zhì)量。圖6所示為進(jìn)給速度對表面形貌的影響。由圖6可知隨著進(jìn)給速度的不斷增加，已加工表面微觀形貌的振幅也不斷增大。當(dāng)vf<400mm/min時(shí)表面微觀的形貌振幅變化不明顯，當(dāng)vf>400mm/min時(shí)，表面微觀形貌的振幅出現(xiàn)了明顯的增大現(xiàn)象。

圖5 進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響

(a) n=16000r/min, vf=200mm/min, ap=1.6mm, ae=4.2mm (b) n=16000r/min, vf=400mm/min, ap=1.6mm, ae=4.2mm

2.3.2 銑削深度對表面粗糙度及表面形貌的影響

如圖7所示為銑削深度對表面粗糙度及表面形貌的影響。

圖7 切削深度對表面微觀形貌的影響

當(dāng)銑削深度ap<1.5mm時(shí)，隨著銑削深度的增大表面的粗糙值也不斷地增大，但增加幅度相對緩慢。這是因?yàn)楫?dāng)銑削深度增加時(shí)，銑刀與鎂合金材料之間接觸面積增大，銑削熱迅速增加，使得鎂合金材料的表層被軟化故而當(dāng)銑削深度ap<1.5mm時(shí)表面粗糙度變化不明顯。但當(dāng)ap>1.5時(shí)，表面粗糙值隨著銑削深度增加迅速增大，這是因?yàn)楫?dāng)銑削深度的進(jìn)一步增大時(shí)，銑刀與鎂合金材料接觸處的溫度也會(huì)急劇升高，會(huì)在銑刀銑削刃兩端，造成鎂合金材料受擠壓變形并且在已銑削表面上會(huì)有鱗刺狀的微觀凸起產(chǎn)生，由此會(huì)造成表面粗糙度發(fā)生明顯的變化。圖8所示為銑削深度對表面微觀形貌的影響。由圖8可知隨著銑削深度的不斷增加，已銑削鎂合金材料表面微觀形貌變化不明顯。

(a) n=16000r/min, vf=50mm/min, ap=1mm, ae=4.2mm (b) n=16000r/min, vf=50mm/min, ap=1.8mm, ae=4.2mm

2.3.3 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度及表面形貌的影響

如圖9所示為主軸轉(zhuǎn)速對鎂合金材料高速銑削表面粗糙度及表面微觀形貌的影響規(guī)律，由圖9可知當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n<12000rpm時(shí)，已銑削鎂合金材料的表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而不斷增加；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n>12000rpm時(shí)，已銑削鎂合金材料的表面粗糙度呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷增大可使積屑瘤和表面微觀鱗刺狀凸起減小甚至消失，同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的增大有利于減小工件鎂合金材料的塑性變形，因此可有效減小已銑削表面粗糙度值。圖10所示為主軸轉(zhuǎn)速對表面微觀形貌的影響。由圖10可知隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面微觀形貌的振幅先是增大然后減小最后趨于穩(wěn)定值，表面粗糙度的變化趨勢亦為先增加后減小的規(guī)律。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

(a) n=10000r/min, vf=50mm/min, ap=1mm, ae=4.2mm (b) n=10000r/min, vf=50mm/min, ap=1mm, ae=4.2mm

3 結(jié)論

(1) 同一銑削參數(shù)組合的銑削條件下，順銑與逆銑獲得的表面粗糙度變化趨勢基本一致，且逆銑的表面粗糙度值均小于順銑。

(2) 高速銑削AZ91D時(shí)，對表面粗糙度及表面微觀形貌影響最大的是進(jìn)給速度，其次是主軸轉(zhuǎn)速，銑削深度和銑削寬度的影響不大。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n<12000rpm時(shí)，已加工表面的粗糙度隨著切削速度的增加而增大；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n>12000rpm時(shí)，表面粗糙度急劇下降；當(dāng)銑削深度ap<1.5mm時(shí)，隨著銑削深度的增大表面的粗糙值也不斷地增大，但增加幅度相對緩慢。但當(dāng)ap>1.5時(shí)，表面粗糙值隨著銑削深度增加迅速增大；隨著進(jìn)給速度的不斷增加，已加工表面微觀形貌的振幅也不斷增大。當(dāng)vf<400mm/min時(shí)表面微觀的形貌振幅變化不明顯，當(dāng)vf>400mm/min時(shí)，表面微觀形貌的振幅出現(xiàn)了明顯的增大現(xiàn)象。