微細銑削不銹鋼微型薄壁試驗研究*

王 飛，程 祥，鄭光明，楊先海，李學(xué)偉

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

0 引言

微型薄壁是指厚度小于100μm，高厚比大于10的懸臂結(jié)構(gòu)[1]。薄壁件因其質(zhì)量輕，體積小等特點，在微型燃料電池、芯片上的微通道，電火花加工電極，航空航天薄壁零件等場合的應(yīng)用占據(jù)不可取代的地位[2]。薄壁零件因其結(jié)構(gòu)特點，剛性差、強度低，一般的傳統(tǒng)加工難以滿足其加工要求。微細高速銑削具有加工銑削力小、精度高、可加工材料范圍廣等優(yōu)點[3-4]。因此，微細銑削加工成為加工薄壁的必要手段，針對這方面的研究也具有一定的實際意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對薄壁銑削過程中銑削參數(shù)、銑削方式、走刀路徑等對薄壁加工變形、加工質(zhì)量的影響做了大量的研究。顏建[5]發(fā)現(xiàn)，銑削薄壁采用對稱銑削的方式可以減小薄壁的變形量。黃炳譽[6]研究了銑削參數(shù)對薄壁加工變形的影響情況，并且加工出了高厚比為250的厚度為0.1mm的石墨薄壁特征。劉宇等[7]針對紫銅材料，對薄壁加工過程中的受力及變形關(guān)系進行了有限元仿真以及預(yù)測。Popov K等[8]研究發(fā)現(xiàn)，實際加工薄壁件時，針對不同的材料應(yīng)該選用不同的走刀路徑以及銑削參數(shù)來保證加工質(zhì)量。Llanos等[9]針對黃銅、鋁合金材料，研究了微細銑削薄壁過程中走刀路徑、銑削參數(shù)等加工質(zhì)量的影響。M Annoni等[10]研究了薄壁厚度、銑削策略、刀具路徑對C40材料微細加工的影響，并發(fā)現(xiàn)可以通過控制切削力來減小加工誤差。

由文獻可知，針對不銹鋼材料的微細銑削薄壁特征的研究很少。同時，針對表面質(zhì)量以及尺寸精度進行研究的也很少。因此，針對50μm厚度的不銹鋼薄壁特征加工過程中的切削力、尺寸誤差以及表面質(zhì)量，本文展開微細銑削參數(shù)及工藝試驗研究。首先，通過正交試驗研究關(guān)鍵銑削參數(shù)對各個指標(biāo)的影響規(guī)律及主次，獲得能夠加工出尺寸精度高、表面質(zhì)量好的薄壁特征的最優(yōu)參數(shù)組合。然后通過優(yōu)化試驗得到具有一定高厚比的不銹鋼薄壁特征，驗證正交試驗的結(jié)果正確性，并探究多次走刀對薄壁尺寸誤差的影響。

1 試驗材料及準(zhǔn)備

1.1 試驗裝置

微細銑削不銹鋼薄壁試驗所采用的機床為自主研發(fā)的數(shù)控機床3A-S100[11]，如圖1所示。切削力測量裝置主要包括9257B三向壓電原理測力儀、5070A10100四通道電荷放大器。切削力在加工過程中直接測量，尺寸誤差在試驗結(jié)束之后采用掃描電子顯微鏡拍照測量，表面粗糙度的測量采用一種金剛石觸頭式的表面粗糙度儀，該儀器的分辨力為0.01μm。

試驗刀具為涂層硬質(zhì)合金雙刃立銑刀，刀具直徑500μm，銑刀刃前角為15°，刃后角為10°，刃口半徑為5μm[12]。試驗工件為不銹鋼材料，其具有良好的耐腐蝕、高強度、高延性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種微型零件。

圖1 微細銑削試驗裝置

1.2 試驗設(shè)計

正交試驗的目的是通過盡可能少的試驗次數(shù)獲得微細銑削50μm厚度薄壁的優(yōu)化參數(shù)以及探究3個銑削參數(shù)對薄壁加工質(zhì)量的影響主次。微細銑削參數(shù)每齒進給量、軸向切深和徑向切深為正交試驗中的3個因素，切削力、薄壁的表面粗糙度以及尺寸誤差為3個研究指標(biāo)。

根據(jù)先前的研究，正交試驗因素水平選擇如表1所示。正交試驗設(shè)計如表2所示。試驗樣本為10mm ×10mm ×16mm的不銹鋼長方體條。按照正交試驗的試驗設(shè)計，將在其上依次加工厚度為50μm的薄壁特征，每個薄壁的高度與試驗中相對應(yīng)的軸向切深相等。正交試驗中主軸轉(zhuǎn)速為60000 min-1，銑削方式為順銑。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗設(shè)計

2 正交優(yōu)化試驗

2.1 數(shù)據(jù)處理及測量方法

試驗中所采用的測力裝置的采樣率為20000Hz，圖2為試驗過程中3個方向切削力的實時記錄，從中可以明顯的看出薄壁銑削過程中兩側(cè)走刀時3個方向切削力的平穩(wěn)變化。數(shù)據(jù)處理時，將薄壁垂直方向的X向切削力去除失效值后取平均值，該平均值作為試驗切削力[10]。

圖2 試驗切削力記錄

每組試驗中各個參數(shù)對應(yīng)的薄壁側(cè)壁，進行8次測量并記錄測量值，后期處理數(shù)據(jù)時，將多次測量得到的數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，將該平均值作為對應(yīng)參數(shù)下的薄壁側(cè)壁的表面粗糙度。每個薄壁取8個不同的位置測量薄壁的實際尺寸，每個參數(shù)下測量得到的多個尺寸數(shù)值取平均，將平均值作為該參數(shù)下薄壁的實際厚度。本文中尺寸誤差指的是薄壁實際尺寸與理想尺寸差值，理想尺寸即薄壁的理想厚度50μm。

2.2 結(jié)果分析

正交試驗切削力、薄壁的表面粗糙度以及尺寸誤差的結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗三個指標(biāo)結(jié)果

按照正交實驗極差分析法，對3個指標(biāo)的結(jié)果進行極差分析，并繪制各個指標(biāo)在3因素下的趨勢圖。

2.2.1 切削力

切削力的極差分析及優(yōu)化參數(shù)選擇結(jié)果如表4所示，銑削力平均值的變化趨勢如圖3所示。

表4 切削力分析結(jié)果

圖3 銑削力平均值變化趨勢

根據(jù)表4中的切削力分析結(jié)果可知，3個因素對切削力的影響主次為：徑向切深、每齒進給量、軸向切深；單獨參考切削力所確定的最優(yōu)參數(shù)組合(由圖3中3個因素下切削力平均值的變化幅度可以直觀判斷)為：ap=18μm，ae=40μm，fz=0.5μm/z。3個銑削因素為銑削力的主要影響因素，且無交互作用。由圖3可以看到切削力隨著3個因素的增加均呈現(xiàn)先減后增的變化。

2.2.2 表面粗糙度

表面粗糙度的極差分析及優(yōu)化參數(shù)選擇結(jié)果如表5所示，表面粗糙度平均值的變化趨勢如圖4所示。

表5 表面粗糙度分析結(jié)果

圖4 表面粗糙度平均值變化趨勢

根據(jù)表5中表面粗糙度分析結(jié)果，可知3個因素對表面粗糙度的影響主次為：軸向切深、徑向切深、每齒進給量；由指標(biāo)表面粗糙度確定的優(yōu)方案參數(shù)組合為：ap=20μm，ae=40μm，fz=0.5μm/z。另外，表5中空白列的極差大于3個因素所在列的極差，這表明微細銑削不銹鋼薄壁試驗中，除了每齒進給量、軸向切深、徑向切深對表面粗糙度有影響，主軸轉(zhuǎn)速[13]等其他因素對表面粗糙度的影響不可忽略。如圖4所示，表面粗糙度隨著3個因素均呈現(xiàn)先減后增的波動變化。

2.2.3 尺寸誤差

尺寸誤差的極差分析及優(yōu)化參數(shù)選擇結(jié)果如表6所示，尺寸誤差平均值的變化趨勢如圖5所示。

表6 尺寸誤差分析結(jié)果

圖5 尺寸誤差平均值變化趨勢

根據(jù)表6中尺寸誤差的分析結(jié)果，可知3個因素對尺寸誤差影響主次為：每齒進給量、軸向切深、徑向切深；由尺寸誤差確定的優(yōu)方案參數(shù)組合為：ap=18μm，ae=50μm，fz=0.5μm/z?？瞻琢械臉O差小于其他列的極差，說明3個銑削因素為薄壁尺寸誤差的主要影響因素，且三者之間無交互作用。如圖5所示，隨著軸向切深增大，尺寸誤差增大；隨著徑向切深增大，尺寸誤差反而減??；隨著每齒進給量的增加，尺寸誤差先減后增。

按照綜合平衡分析法，發(fā)現(xiàn)3個指標(biāo)對應(yīng)的每齒進給量的最佳水平相同，其他因素的最佳水平不同。3個指標(biāo)中，切削力為過程指標(biāo)，尺寸誤差與表面粗糙度為反應(yīng)加工質(zhì)量的結(jié)果性指標(biāo)。同時，針對表面粗糙度的結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)，3個因素并非最主要的影響因素。因此，尺寸誤差指標(biāo)作為確定優(yōu)方案的主要依據(jù)，最終確定的能夠保證不銹鋼薄壁微細銑削加工質(zhì)量的最優(yōu)參數(shù)組合為：ap=18μm，ae=50μm，fz=0.5μm/z。

3 驗證試驗

為了驗證正交試驗中所得最優(yōu)方案的準(zhǔn)確性，并獲得具有一定高度的薄壁特征，分別選用了最優(yōu)參數(shù)組合以及表3中以尺寸誤差為指標(biāo)的最佳試驗組的參數(shù)組合進行了進一步的優(yōu)化驗證試驗。

3.1 試驗結(jié)果

優(yōu)化試驗中加工了9組具有一定高厚比的薄壁件，試驗結(jié)果如表7所示。部分薄壁特征如圖6所示。

表7 優(yōu)化試驗結(jié)果

優(yōu)化試驗中前7組試驗，采用的參數(shù)為正交試驗所得到的最優(yōu)方案參數(shù)組合，后兩組試驗采用的參數(shù)為正交實驗中以尺寸誤差為指標(biāo)時的最佳試驗組，即表3中的第5組試驗。表7中的第1組試驗，薄壁的高厚比接近2，尺寸誤差為2.162μm。薄壁的高度為36μm，實際加工需要兩次走刀，此時的實際尺寸是大于理想尺寸的。采用優(yōu)化參數(shù)進行4次下刀，使薄壁的高度達到72μm，這樣的薄壁共加工了3組，即表7中的第2、3、4組試驗。此時薄壁的實際尺寸小于理想尺寸，尺寸誤差平均值為6.937μm，3組當(dāng)中最理想的薄壁的尺寸誤差為5.676μm，該結(jié)果遠小于文獻[14]中的結(jié)果。第5、6、7組試驗采用優(yōu)化參數(shù)5次走刀，使薄壁高度達到90μm。此時的實際尺寸小于理想尺寸，尺寸誤差也較大。其中第7組試驗最理想，尺寸誤差為7.838μm。最后兩組試驗分別進行了4次和5次下刀，可以看到，尺寸誤差相對比采用優(yōu)化參數(shù)進行的試驗結(jié)果偏大。優(yōu)化參數(shù)的結(jié)果優(yōu)于正交組中最佳試驗組的結(jié)果，這表明了正交試驗所選擇的優(yōu)方案的正確性。

(a) No. 2; (b) No. 3; (c) No. 4; (d) No. 7; (e) No. 9; (f) No. 6; (g) No. 1圖6 微細銑削的薄壁特征

3.2 試驗結(jié)果分析

微細銑削過程中，微徑銑刀的剛度小，容易受力變形，引起退刀量，從而影響工件的尺寸精度。薄壁加工過程中尺寸誤差主要受到切削力的影響，由于不銹鋼為難加工材料，微細加工中較小的切削力能夠引起微細刀具的較大的退刀量。正交試驗中，薄壁的實際尺寸均大于理性尺寸，且尺寸誤差較大。優(yōu)化試驗中，適當(dāng)增加了下刀次數(shù)，薄壁的尺寸誤差大幅度減小，而且，隨著重復(fù)定位次數(shù)的繼續(xù)增加，實際尺寸越來越小，尺寸誤差開始增大。這說明，重復(fù)定位對尺寸誤差的影響可以在一定程度上抵消刀具退刀量對尺寸誤差的影響。因此，實際加工中，可以利用這一點來制衡切削力的影響，從而減小尺寸誤差。

4 結(jié)論

本文以微細銑削不銹鋼薄壁過程中的切削力、表面質(zhì)量以及尺寸精度為指標(biāo)，進行了正交優(yōu)化試驗研究。結(jié)果分析表明，3個關(guān)鍵微細銑削因素對切削力的影響主次為：ae、fz、ap；對尺寸誤差的影響主次為：fz、ap、ae；對表面粗糙度的影響主次：ap、ae、fz。優(yōu)化驗證試驗結(jié)果顯示，采用優(yōu)化參數(shù)多次下刀加工具有一定高度薄壁時，重復(fù)定位誤差對尺寸誤差的影響可以抵消刀具退刀量對尺寸誤差的影響，使得最終的尺寸誤差減小。這表明，微細銑削不銹鋼薄壁特征時，選擇合適的銑削參數(shù)、適當(dāng)?shù)南碌洞螖?shù)，既能通過控制切削力來保證表面質(zhì)量，又能保證尺寸精度。