低溫裝夾對(duì)錫鉍合金銑削過程切削力的影響

李占杰，郝尚東，靳 剛，陳達(dá)任，盧振豐

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津九鵬汽車裝備技術(shù)有限公司，天津 300300；3.天津鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，天津 300300）

錫鉍合金是一種具有低熔點(diǎn)、密度高、滲透性強(qiáng)等物理特點(diǎn)的環(huán)保合金，廣泛應(yīng)用于模具制造、醫(yī)療、首飾工藝品等領(lǐng)域[1-2]。目前，錫鉍合金產(chǎn)品制作過程存在周期長(zhǎng)、精度低等問題，而高速銑削加工技術(shù)相對(duì)比較成熟，可以加工出精度高、質(zhì)量好的產(chǎn)品[3]。低溫加工是一種廣泛采用的可提高工件加工質(zhì)量、減少刀具磨損的方法。其中常用低溫加工方法主要有向切削區(qū)噴射干冰或液氮、低溫冷風(fēng)以及低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑等[4]。Huang等[5]發(fā)現(xiàn)低溫冷卻可以大幅提高端銑的穩(wěn)定極限，顯著降低切削力；Dhar等[6]對(duì)不同鋼材進(jìn)行了低溫切削，發(fā)現(xiàn)刀具磨損降低、刀具壽命得到延長(zhǎng)，同時(shí)尺寸精度和表面質(zhì)量也得到提高；萬光珉等[7]利用高錳鋼低溫變脆的特點(diǎn)，使用液氮對(duì)其進(jìn)行了冷凍，處理后的材料可切削性顯著提高；李占杰等[1]采用冰凍夾具對(duì)工件施加低溫進(jìn)行銑削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工件在低溫下的切削溫度和粗糙度明顯優(yōu)于室溫條件下。目前，關(guān)于低溫加工對(duì)錫鉍合金銑削過程切削力的研究文獻(xiàn)較少。冰凍夾具作為一種新型裝夾方法具有速凍速融、高效環(huán)保、安全可靠、無應(yīng)力以及輔助支撐作用等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，本文利用冰凍夾具對(duì)錫鉍合金工件進(jìn)行低溫裝夾，并開展高速切削實(shí)驗(yàn)研究，探索通過對(duì)工件施加低溫冷卻改善材料加工性能的可行性，揭示低溫加工對(duì)錫鉍合金切削力的影響機(jī)制，為后續(xù)相關(guān)研究提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)規(guī)劃

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的錫鉍合金材料尺寸為15 mm×15 mm×200 mm（錫含量為58%，鉍含量為42%，硬度為16.2，熔點(diǎn)為138℃）。銑削方向?yàn)閱蝹?cè)順銑，測(cè)力儀型號(hào)為9257B三向測(cè)力儀，數(shù)控機(jī)床型號(hào)為Carver400TE_AUH，三軸行程為400 mm×400 mm×350 mm，采用8 mm兩齒立銑刀。

工件的低溫加工，采用冰凍盤冷卻法，低溫裝夾條件下錫鉍合金高速銑削試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 低溫裝夾條件下錫鉍合金高速銑削試驗(yàn)示意圖

對(duì)比其他低溫加工方法，一方面，冰凍盤冷卻方式是由工件與冰凍盤接觸部分通過工件的內(nèi)部傳導(dǎo)到待加工表面，可以克服外冷式加工工件內(nèi)部達(dá)不到低溫的缺點(diǎn)；另一方面，水體可在較低溫度范圍和能耗下實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)換，成本低，無需回收利用。

試驗(yàn)采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)制冷的GF-150M型號(hào)冰凍盤，其冰凍曲線如圖2所示。測(cè)試時(shí)的室溫為18.5℃，經(jīng)過60 s后降到了-0.8℃，當(dāng)時(shí)間到150 s時(shí)溫度已經(jīng)下降到-9.1℃，這一溫度時(shí)冰凍工件已經(jīng)牢固。在150～240 s時(shí)間內(nèi)溫度下降比較緩慢并逐漸趨于平緩。

圖2 冰凍曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了銑削參數(shù)的單因素影響試驗(yàn)，此外為了經(jīng)濟(jì)、高效地獲得較為精確的試驗(yàn)規(guī)律[8-9]，設(shè)計(jì)了各銑削參數(shù)對(duì)銑削力影響的正交試驗(yàn)。通過對(duì)比2種溫度下的高速銑削錫鉍合金試驗(yàn)，分析銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度的試驗(yàn)參數(shù)分別如表1、表2、表3所示，固定其中2個(gè)參數(shù)值，變化第3個(gè)參數(shù)。正交試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表1 主軸轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)參數(shù)

表2 進(jìn)給量的試驗(yàn)參數(shù)

表3 切削深度的試驗(yàn)參數(shù)

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)三因素-四水平的正交試驗(yàn)法，在相同的參數(shù)條件下使用室溫和低溫2種加工方式分別進(jìn)行試驗(yàn)，用測(cè)力儀測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行極差分析[10]，以3個(gè)方向的銑削分力FX、FY、FZ為考察目標(biāo)，其值為所在數(shù)據(jù)段內(nèi)平均值，室溫和低溫條件下錫鉍合金的高速銑削正交試驗(yàn)表分別如表5和表6所示。

2.1 室溫條件下銑削參數(shù)對(duì)切削力的影響

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可獲得在室溫情況下高速銑削錫鉍合金銑削分力的優(yōu)水平和優(yōu)組合，并得出室溫極差分析，如表7所示。

表5 室溫條件下錫鉍合金的高速銑削正交試驗(yàn)表

表6 低溫條件下錫鉍合金的高速銑削正交試驗(yàn)表

表7 室溫極差分析

由極差分析法[11]可知，若某因素極差值越大，表示該因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)變化時(shí)使考察指標(biāo)數(shù)值的變化最大，即對(duì)考察目標(biāo)的影響程度越大。

工件在室溫加工條件下，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)X向銑削力FX影響最大（極差值11.71），切削深度次之（極差值10.45），進(jìn)給量影響最小（極差值1.4），銑削參數(shù)對(duì)Z向銑削力FZ的影響次序與FX相同，而對(duì)Y向銑削力FY影響的次序?yàn)榍邢魃疃茸畲螅O差值3.22）、主軸轉(zhuǎn)速次之（極差值1.5）、進(jìn)給量為最?。O差值1.07）。所以，在室溫情況下對(duì)錫鉍合金進(jìn)行加工應(yīng)該選取小主軸轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給量和小切削深度的加工方式。

2.2 低溫條件下銑削參數(shù)對(duì)切削力的影響

低溫極差分析如表8所示。從表8可以看出，工件在低溫加工條件下，對(duì)于3個(gè)方向銑削力都呈現(xiàn)出切削深度影響最大，主軸轉(zhuǎn)速次之，進(jìn)給量影響最小。所以，在工件低溫情況下對(duì)錫鉍合金進(jìn)行加工應(yīng)該選取較低的主軸轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給量和小切削深度的加工方式。

表8 低溫極差分析

2.3 室溫與低溫2種不同加工條件對(duì)銑削力的影響

2.3.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響

根據(jù)單因素試驗(yàn)法，使進(jìn)給量為0.01 mm/z、切削深度為1.5 mm保持不變，工件在室溫和低溫加工條件下銑削力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況如圖3所示。

圖3 室溫和低溫加工條件下銑削力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況

從圖3中可以看出，室溫條件下FX、FY、FZ均先逐漸增加，到達(dá)臨界值之后再減小。其中，F(xiàn)Z的變化幅度最大，F(xiàn)X，F(xiàn)Y的變化幅度很小；在低溫條件下，F(xiàn)Z隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高先增加再減小，在10 000 r/min時(shí)到達(dá)臨界值，且臨界值的銑削力比室溫條件下降低了41%，但FZ到達(dá)臨界值時(shí)的轉(zhuǎn)速比在室溫條件下提前。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在主軸轉(zhuǎn)速較小時(shí)，室溫與低溫2種不同條件下產(chǎn)生的銑削力相差不大；但在大轉(zhuǎn)速時(shí)，室溫與低溫2種不同條件下，低溫銑削力顯著小于工件室溫下加工產(chǎn)生的銑削力，這表明錫鉍合金采用低溫、高轉(zhuǎn)速加工更適合。因此，在實(shí)際加工中，對(duì)主軸轉(zhuǎn)速這一因素的選擇上，工件低溫加工有降低銑削力的效果，且應(yīng)選擇大轉(zhuǎn)速。

在室溫條件下，主軸轉(zhuǎn)速在小于16 000 r/min的階段，3個(gè)方向上的銑削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，其中Z向銑削力FZ的變化幅度最大。從切削機(jī)理看，此階段主軸轉(zhuǎn)速增大時(shí)，沖擊力頻率也隨之增高，從而增大了銑削力；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于16 000 r/min時(shí)，3個(gè)方向上的銑削力隨著主軸轉(zhuǎn)速增大都呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，此階段切削溫度對(duì)切削界面的影響開始變大，切削區(qū)溫度升高使得刀-屑之間的摩擦系數(shù)和變形系數(shù)減小，所以銑削力出現(xiàn)下降趨勢(shì)[12]。在低溫條件下，材料的性質(zhì)可能發(fā)生改變，使在相對(duì)于室溫加工更低的切削速度下達(dá)到了臨界切削速度。

2.3.2 進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響

根據(jù)單因素試驗(yàn)法，使主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min、切削深度1.5 mm保持不變，工件在室溫和低溫加工條件下銑削力隨進(jìn)給量的變化情況如圖4所示。

圖4 室溫和低溫加工條件下銑削力隨進(jìn)給量的變化情況

由圖 4 知，在室溫和低溫加工條件下，F(xiàn)X、FY、FZ都隨著進(jìn)給量的增加逐漸增加，但二者增加的幅度不一樣，且在0.02 mm/z后，增加速度緩慢，其中對(duì)FZ的影響最大，F(xiàn)X、FY出現(xiàn)較小的增幅。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下三向的銑削力整體小于室溫加工，銑削力減小了50%～60%。工件在室溫和低溫加工條件下，銑削力隨著進(jìn)給量的增加而增加，二者增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，說明進(jìn)給量對(duì)工件低溫和室溫加工影響趨勢(shì)基本形同。

2.3.3 切削深度對(duì)銑削力的影響

根據(jù)單因素試驗(yàn)法，使主軸轉(zhuǎn)速15 000 r/min、進(jìn)給量0.01 mm/z保持不變，工件在室溫和低溫加工條件下銑削力隨切削深度的變化情況如圖5所示。

圖5 室溫和低溫加工條件下銑削力隨切削深度的變化情況

由圖5知，在室溫條件下，F(xiàn)X、FY隨著切削深度的增大而逐漸增大，F(xiàn)Z隨切削深度的增大明顯變大。在低溫條件下，F(xiàn)X、FY、FZ的變化趨勢(shì)和室溫條件下相同，但是在低溫條件下整體的銑削力都小于室溫條件下的銑削力。通過對(duì)比分析可知，在切削深度較大時(shí)，低溫加工下的銑削力增大速度小于室溫加工下的銑削力，這說明采用低溫裝夾方法時(shí)高速加工過程更穩(wěn)定，同時(shí)采用較大的切削深度也有利于提高加工效率。

工件在室溫和低溫2種加工條件下，3個(gè)方向的銑削力都隨著切削深度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。從切削機(jī)理角度講，主要是因?yàn)楫?dāng)切削深度變大時(shí)，剪切面也隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致剪切力增大，同時(shí)也增加了圓周刃同試樣的接觸長(zhǎng)度以及切屑同銑刀螺旋面的接觸面積，使摩擦力增大[13]。但它們之間并不會(huì)呈現(xiàn)出線性關(guān)系，而是一開始銑削力的增大速度比較快，之后銑削力增大速度較慢。這主要是因?yàn)殡S著切削深度的增大，切削溫度隨之升高，導(dǎo)致切削區(qū)材料軟化而使銑削力增大變緩慢。

3 工件室溫與低溫狀況銑削力建模

本次試驗(yàn)涉及3個(gè)加工參數(shù)，采用正交回歸實(shí)驗(yàn)通用模型，通用模型可以確定2個(gè)或2個(gè)以上變量之間的關(guān)系。金屬切削過程中切削力和切削參數(shù)之間通常有著復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系[14]。銑削力建模的通用模型為

式中：Ck為系數(shù)，代表加工的材料和切削條件；n為主軸轉(zhuǎn)速；f為進(jìn)給量；ap為切削深度[15-16]。

對(duì)表6中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理，可以求出式（1）中各銑削參數(shù)的指數(shù)值和系數(shù)值，從而建立工件在室溫加工條件下的銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?/p>

對(duì)表7中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理，可以求出式（1）中各銑削參數(shù)的指數(shù)值和系數(shù)值，從而建立工件在低溫加工條件下的銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?/p>

4 結(jié)論

本文針對(duì)錫鉍合金產(chǎn)品制作過程中周期長(zhǎng)、精度低等問題，利用高速銑削加工和新型冰凍裝夾技術(shù)，設(shè)計(jì)了銑削參數(shù)的單因素影響試驗(yàn)和各銑削參數(shù)對(duì)銑削力影響的正交試驗(yàn)，得出了各銑削參數(shù)對(duì)銑削力影響的大小次序，同時(shí)將銑削力在室溫和低溫2種條件下的變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，為錫鉍合金的高效高精加工提供了重要參考作用，研究結(jié)論如下。

（1）工件在室溫和低溫裝夾2種不同條件下，單因素主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響都呈現(xiàn)出2個(gè)階段，即先隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，到達(dá)某個(gè)臨界點(diǎn)隨后又減?。粏我蛩剡M(jìn)給量對(duì)銑削力的影響2種溫度條件下都呈現(xiàn)出單一緩慢上升的趨勢(shì)；單因素切削深度對(duì)銑削力的影響呈現(xiàn)出較大上升趨勢(shì)。

（2）由極差分析法可以得出，工件在室溫加工條件下，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)X向銑削力FX影響最大（極差值11.71），切削深度次之（極差值10.45），進(jìn)給量影響最小（極差值1.4），銑削參數(shù)對(duì)Z向銑削力FZ的影響次序與FX相同，而對(duì)Y向銑削力FY影響的次序?yàn)榍邢魃疃茸畲螅O差值3.22），主軸轉(zhuǎn)速次之（極差值1.5），進(jìn)給量為最?。O差值1.07），即在室溫情況下對(duì)錫鉍合金進(jìn)行加工應(yīng)該選取小主軸轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給量和小切削深度的加工方式；工件在低溫加工條件下，對(duì)于3個(gè)方向銑削力都呈現(xiàn)出切削深度影響最大，主軸轉(zhuǎn)速次之，進(jìn)給量影響最小，即在低溫情況下對(duì)錫鉍合金進(jìn)行加工應(yīng)該選取較低的主軸轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給量和小切削深度的加工方式。

（3）在相同銑削參數(shù)下，對(duì)比室溫加工和低溫加工2種方式對(duì)銑削力的影響，發(fā)現(xiàn)在低溫條件下銑削力顯著減小50%～60%。

（4）通過實(shí)驗(yàn)獲得各方向銑削力，利用線性回歸方法得出工件在室溫和低溫條件下的X、Y、Z三個(gè)方向的銑削分力模型。

（5）冰凍吸盤低溫裝夾方法速凍速融、綠色環(huán)保，對(duì)低熔點(diǎn)金屬的高效高精加工具有較高的應(yīng)用價(jià)值。