銑削工藝參數(shù)對錫鉍合金表面粗糙度特征影響及試驗(yàn)分析

張翔宇，田永軍，李占杰，侯翔，王鐵鋼

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) a.工程實(shí)訓(xùn)中心，b.天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

錫鉍合金是一種環(huán)境友好合金[1-2]，其熔點(diǎn)較低（通常在46.8～310 ℃），具有良好的鑄造性。錫鉍合金價(jià)格較銀器低廉，而且這種材料兼具觀賞性、環(huán)境友好等特性，其制品作為一種高檔首飾工藝品具有巨大的市場發(fā)展空間。目前，錫鉍合金成形加工多使用冶煉、鑄造等傳統(tǒng)的成形加工方法[2-3]。這些方法在合金結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)中有一定優(yōu)勢，但是對于一些加工精度要求較高以及具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的制作則不再適用。目前，銑削加工技術(shù)已成熟，可加工出精度高、表面加工質(zhì)量好的金屬產(chǎn)品[4]，也能滿足個(gè)性化產(chǎn)品定制需求，為錫鉍合金的高質(zhì)量加工提供了方法。因此，本研究利用銑削加工技術(shù)對錫鉍合金進(jìn)行加工。

表面粗糙度是衡量工件表面加工質(zhì)量及其使用性能的關(guān)鍵指標(biāo)，為了提高表面加工質(zhì)量，需要對錫鉍合金表面粗糙度特征進(jìn)行研究分析。通常，銑削加工中表面粗糙度Ra 受銑刀的幾何參數(shù)、銑削參數(shù)、刀具-機(jī)床振動(dòng)以及工件材料等因素影響，因此通過銑削試驗(yàn)研究高速銑削工件表面粗糙度的影響因素，尋求最佳的銑削工藝參數(shù)，對提高工件的加工質(zhì)量具有重要意義。鑒于此，文中利用高速銑削加工技術(shù)對這種低熔點(diǎn)材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)，基于多因子正交試驗(yàn)方法分析了銑削工藝參數(shù)對表面加工質(zhì)量影響規(guī)律。另外，以工件表面最小表面粗糙度為目標(biāo)，利用田口法進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最佳銑削工藝參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)

1.1 條件

試驗(yàn)研究中采用JOHNFORD VMC-850 立式加工中心作為加工設(shè)備（如圖1 所示），其數(shù)控軟件系統(tǒng)為 Siemens 系統(tǒng)，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)8000 r/min，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于1 μm。所用刀具為W18Cr4VAl 高速鋼立銑刀，刀具切削刃直徑為12 mm，刀柄直徑為12 mm，整刀長度為83 cm，有效刃長為29 mm，夾持懸伸長度為35 mm，齒數(shù)為4，螺旋角為45°，刀尖無標(biāo)準(zhǔn)圓?。ǜ咚黉撱姷督萍饨牵２捎肕ITUTOYO 粗糙度測量儀對已加工表面的粗糙度進(jìn)行測量。

圖1 三軸精密銑削實(shí)驗(yàn)平臺

1.2 研究對象

為了保證裝夾精度及其表面的平面度，對錫鉍合金塊進(jìn)行拋光處理，切割成15 mm×40 mm× 10 mm的長方體塊。然后，利用順銑方式在合金表面銑削槽狀結(jié)構(gòu)，每組實(shí)驗(yàn)銑削距離為40 mm。加工過程不使用冷卻液，對工件進(jìn)行干切。選擇已銑削加工的溝槽表面粗糙度Ra 作為研究對象。錫鉍合金的材料參數(shù)如下：錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%，鉍的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%，硬度HB16.2，熔點(diǎn)為138 ℃。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)法（Design of experiment, DOE）直接決定了研究因素對研究目標(biāo)的影響趨勢和變化規(guī)律的準(zhǔn)確性。采用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)法可用少量的試驗(yàn)次數(shù)分析正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)際工程問題中，常用正交試驗(yàn)法作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法[4-5]，這是一種利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來安排和分析多因子多水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，能夠利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較全面的試驗(yàn)情況，從而確定多種影響因素下的最優(yōu)方案。

通常銑削加工生產(chǎn)中的機(jī)床、冷卻潤滑液、工件材料等相對固定，而可控制的因素主要為銑削工藝參數(shù)：主軸速度n、進(jìn)給速度f、銑削寬度ae和銑削深度ap。利用正交試驗(yàn)方法研究銑削工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響規(guī)律，分析影響工件表面粗糙度各因素所占的權(quán)重。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了四因子三水平正交試驗(yàn)表L9（34），其中四個(gè)因素分別為主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度、進(jìn)給速度以及銑削寬度，并根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)每個(gè)因素的三個(gè)水平值，見表1 。

表1 正交試驗(yàn)方案

2 結(jié)果及分析

2.1 工件表面形貌特征

經(jīng)銑削可得到錫鉍合金的已加工溝槽形貌。在轉(zhuǎn)速為5000 r/min、切削深度為1 mm、進(jìn)給速度為720 mm/min、銑削寬度為2 mm 條件下錫鉍合金加工表面形貌如圖2 所示。通過超景深三維顯微鏡將工件表面形貌放大（200 倍），可以發(fā)現(xiàn)工件表面形貌由許多同方向的圓弧形條紋組成。主要原因是銑削加工時(shí)，銑刀刀齒的軌跡是一條次擺線，刀具每齒進(jìn)給后在加工表面產(chǎn)生圓弧條紋。

圖2 錫鉍合金加工表面形貌

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)直槽兩側(cè)的毛刺（見圖3）數(shù)量較少，且高度較低，說明在該銑削參數(shù)下已加工表面質(zhì)量較好。主要是在順銑加工的整個(gè)過程中，振動(dòng)現(xiàn)象不突出，切削細(xì)小，切削沖擊力小，切削過程平穩(wěn)，因此Ra 較小。其他工藝參數(shù)下的已加工表面形貌與上述描述類似，充分說明了錫鉍合金具有良好的可加工性。

圖3 直槽側(cè)面毛刺形貌

2.2 切屑形態(tài)特征

切屑的形態(tài)隨銑削條件變化而呈現(xiàn)不同形態(tài)。一般情況下，切削加工性越好，則加工過程中切屑越易卷斷，排屑越容易。在錫鉍合金實(shí)際加工過程中，銑刀刀齒前面的擠壓使被切削層產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，直至最后形成切屑。切屑在銑刀旋轉(zhuǎn)慣性力作用下，主要沿刀具前面被輕易排出。

轉(zhuǎn)速為5000 r/min、切削深度為1 mm、進(jìn)給速度為720 mm/min、銑削寬度為2mm 條件下，錫鉍合金的切屑形態(tài)如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)切屑細(xì)碎，尺寸均勻，其形態(tài)特征主要是針形薄屑，并伴有少量螺旋屑。主要原因是在高速銑削實(shí)驗(yàn)中，刀具與材料進(jìn)行干涉，不斷摩擦，在刀具-材料接觸局部區(qū)域產(chǎn)生切削熱，導(dǎo)致錫、鉍低熔點(diǎn)相融化，加速了合金切屑斷裂，并細(xì)化了合金的切屑，大大減少了銑刀排屑槽內(nèi)殘留金屬和纏刀現(xiàn)象，錫鉍合金銑削過程平穩(wěn)，合金已加工表面光潔。其他工況的切屑形態(tài)也與上述描述類似，因此，錫鉍合金具有良好加工性能，適合在數(shù)控機(jī)床或加工中心上進(jìn)行批量切削加工。

圖4 錫鉍合金的切屑形態(tài)

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用MITUTOYO 粗糙度測量儀對表1 中實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行了合理的測量，為了提高統(tǒng)計(jì)分析的可靠性和精確性，對測量結(jié)果進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，見表2。在進(jìn)行試驗(yàn)測量時(shí)，將同一條件下試驗(yàn)重復(fù)若干次，從而得到相同條件下響應(yīng)數(shù)據(jù)Y1和Y2。測量具體內(nèi)容如下：測量粗糙度過程中，利用測量儀的觸針劃過工件已加工表面，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動(dòng)，測得粗糙度。其中測量每個(gè)工件表面粗糙度時(shí)，采樣長度為2.5 mm，取樣3 次，得到粗糙度值，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 次取均值。另外，測量儀分辨率為0.001 μm，測量時(shí)將檢測器平行于測量面，以確保探針正確的接觸測量面，并在測量中確保工件不發(fā)生偏移。

表2 重復(fù)試驗(yàn)的正交設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

結(jié)合粗糙度測量數(shù)據(jù)，利用方差分析（ANOVA）方法分別對相應(yīng)因素與錫鉍合金銑削表面粗糙度的影響程度進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 表面粗糙度的方差分析

通過分析ANOVA 結(jié)果F 值和P 值（顯著性水平，當(dāng)P＜0.05 時(shí)，存在顯著性）發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速A、進(jìn)給速度C 以及銑削寬度D 對表面粗糙度有顯著性意義，而銑削深度B 對表面粗糙度影響不明顯。另外，發(fā)現(xiàn)影響因素與響應(yīng)回歸模型的Rsq值與Rsq（調(diào)整）值相近，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)對表面粗糙度的擬合具有很高的可靠性。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及分析

為了在實(shí)際銑削加工中得到良好的加工表面質(zhì)量，需要分析銑削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，以及通過優(yōu)化得到最優(yōu)的銑削工藝參數(shù)組合。

3.1 銑削工藝參數(shù)分析

利用田口方法（Taguchi Methods）對銑削工藝參數(shù)進(jìn)行分析及優(yōu)化。田口設(shè)計(jì)也稱為穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)（Robust Parameter Design）[6-8]，是田口方法核心思想。其本質(zhì)是在參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，引入信噪比（S/N）作為穩(wěn)定性評判指標(biāo)評價(jià)參數(shù)組合優(yōu)劣的測度，進(jìn)而通過較少實(shí)驗(yàn)次數(shù)（正交試驗(yàn)）準(zhǔn)確獲得最佳的參數(shù)組合。田口方法中期望目標(biāo)信噪比（S/N）具有三種形式：望目特性、望大特性以及望小特性[7-10]。其中，望目特性的目標(biāo)控制傾向于接近理想目標(biāo)，而望小、望大特性的目標(biāo)控制期望分別傾向于更小、更大。

為了得到好的表面質(zhì)量，對于表面粗糙度的期望傾向更小，因此本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中要引入具有望小特性的信噪比，見式（1）。

式中：n 為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，yi為響應(yīng)值。

經(jīng)田口方法計(jì)算分析得到表2 正交試驗(yàn)的均值響應(yīng)表，其結(jié)果見表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，銑削工藝參數(shù)對于表面粗糙度的影響程度大小順序?yàn)椋褐鬏S轉(zhuǎn)速A＞進(jìn)給速度C＞銑削寬度D＞銑削深度B。說明主軸轉(zhuǎn)速是影響表面粗糙度的最關(guān)鍵因素，而銑削深度對表面粗糙度的影響是最小的。

表4 表面粗糙度均值響應(yīng)

均值的響應(yīng)值表顯示出工藝參數(shù)因子如何影響表面粗糙度的均值。通過表4 分析工藝參數(shù)與表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1）加工表面質(zhì)量不隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而單調(diào)變化。在一定范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度逐漸減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到6000 r/min 時(shí)，表面質(zhì)量最佳。若主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，表面質(zhì)量有降低的趨勢。這是因?yàn)殡S著銑削速度的增大，切削熱隨著增大，使得刀具與材料接觸局部區(qū)域的低熔點(diǎn)相融化，熔融狀態(tài)的錫鉍材料成為了銑刀與合金表面以及切屑間的潤滑劑，減小兩者之間的摩擦參數(shù)，降低了切削力，而且還降低了產(chǎn)生積屑瘤的可能性。隨著銑削速度繼續(xù)增大，導(dǎo)致銑削溫度持續(xù)上升，加大了接觸域的材料熔融程度，使得刀具與加工表面產(chǎn)生粘結(jié)，不僅加劇了刀具的磨損（見圖5），而且會導(dǎo)致銑刀與工件之間的振動(dòng)加劇，增大了表面粗糙度，使得加工表面質(zhì)量下降。

圖5 銑刀刀尖區(qū)域磨損形貌

2）隨著進(jìn)給速度的增大，加工表面質(zhì)量明顯變差。主要原因是在一定范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給速度的增大，每齒進(jìn)給量也越大，而較大的進(jìn)給量導(dǎo)致銑刀的徑向力增大，使得銑刀對合金材料沖擊力不斷加大，進(jìn)而引起加工過程中銑刀振動(dòng)加劇，迫使銑刀軸向方向與被加工表面深度不一致，最終導(dǎo)致加工表面質(zhì)量變差。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給速度為600 mm/min 時(shí)，加工表面粗糙度最小，其值為0.327 μm；而當(dāng)進(jìn)給速度為840 mm/min 時(shí)，表面粗糙度達(dá)到0.442 μm。因此，在銑削合金時(shí)為了保證加工表面質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)減小進(jìn)給量。

3）隨著銑削寬度的增大，表面粗糙度具有增大的趨勢。當(dāng)銑削寬度從2 mm 增大到3 mm 時(shí)，表面粗糙度由0.351 μm 增大到0.361 μm；而當(dāng)銑削寬度從3 mm 變化到4 mm 時(shí)，表面粗糙度急劇增大，由0.361 μm 增大0.460 μm。這是因?yàn)檩^大銑削寬度會使得銑削力增大，進(jìn)而使得銑削溫度增大，容易導(dǎo)致銑刀與合金工件的接觸域產(chǎn)生鱗刺，給錫鉍合金的加工質(zhì)量帶來不利的影響。

4）銑削深度對加工表面質(zhì)量影響不大。分析發(fā)現(xiàn)，隨著銑削深度變大，加工表面粗糙度略微減小，隨后略微增大。說明銑削深度在一定范圍內(nèi)，已加工表面粗糙度變化平穩(wěn)。

表面粗糙度平均信噪比如圖6 所示，顯示了工藝參數(shù)因子影響表面粗糙度的程度。S/N 值越大，則該參數(shù)水平下的產(chǎn)品質(zhì)量與性能越佳、越穩(wěn)定[6-8]。因此基于田口方法參數(shù)設(shè)計(jì)可認(rèn)為是一種目標(biāo)函數(shù)為信噪比的優(yōu)化過程。分析圖6 發(fā)現(xiàn)，獲得表面粗糙度的最佳銑削工藝參數(shù)組合為A1B2C3D4。根據(jù)表4 表面粗糙度均值響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，最佳銑削工藝參數(shù)也為A1B2C3D4組合。綜合分析發(fā)現(xiàn)，因子B 屬于次要因子，雖然銑削深度對表面粗糙度影響很小，但過大銑削深度對刀具壽命有一定影響，而較小的銑削深度又對降低銑削效率，因此B 應(yīng)取一個(gè)適中的水平B2。綜合考慮，確定各因子水平最佳組合為A1B2C3D4。

3.2 優(yōu)化結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于田口方法對最佳銑削參數(shù)A1B2C3D4進(jìn)行預(yù)估，得到響應(yīng)結(jié)果，并對此工藝參數(shù)再次進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表5。通過對比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)估數(shù)據(jù)吻合，說明A1B2C3D4組合為最佳工藝參數(shù)，在該工藝參數(shù)下可得到錫鉍合金表面粗糙度最小值。表明田口方法可用于錫鉍合金最優(yōu)加工工藝參數(shù)的優(yōu)化。

圖6 表面粗糙度平均信噪比

表5 最佳銑削參數(shù)及其響應(yīng)

4 結(jié)論

文中針對主軸轉(zhuǎn)速n、銑削深度ap、進(jìn)給速度f以及銑削寬度ae四個(gè)銑削工藝參數(shù)對銑削加工錫鉍合金表面粗糙度Ra 的影響進(jìn)行了研究與分析，主要結(jié)論如下所述。

1）利用極差與方差分析法得到銑削工藝參數(shù)對于表面粗糙度影響程度最大的因素為主軸轉(zhuǎn)速，其次為進(jìn)給速度，再次為銑削寬度，而銑削深度對表面粗糙度影響最小。

2）在加工精度與銑刀壽命允許的條件下，從降低表面粗糙度值角度出發(fā)，應(yīng)采用較高的主軸轉(zhuǎn)速、較低的進(jìn)給速度、較小的銑削寬度以及適中的軸向切深。在本次實(shí)驗(yàn)條件下，銑削錫鉍合金的最優(yōu)組合為A1B2C3D4。

3）基于田口方法對最佳銑削工藝參數(shù)A1B2C3D4進(jìn)行預(yù)估，得到加工表面粗糙度為0.235μm，并對此工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到錫鉍合金銑削粗糙度為0.233 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)估結(jié)果吻合。