薄壁微細(xì)銑削參數(shù)與工藝試驗(yàn)研究

王 飛，程 祥，鄭光明，劉原勇

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

1 引言

隨著當(dāng)今機(jī)械裝置精密化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，微小型零件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。其中，微型薄壁由于體積小、質(zhì)量輕，被廣泛應(yīng)用于航空電子、醫(yī)療器械、國(guó)防等領(lǐng)域，且這些領(lǐng)域?qū)Ρ”诩庸さ某叽缇?、表面質(zhì)量等要求很高[2]。然而，薄壁因其結(jié)構(gòu)特征，加工過(guò)程極易受力變形，加工性較差。因此，微細(xì)加工領(lǐng)域具有加工過(guò)程受力小、加工材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的微細(xì)銑削技術(shù)，成為微型薄壁加工的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-4]。目前，針對(duì)微細(xì)銑削微型薄壁的研究正處于國(guó)際研究的前沿。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同材料的薄壁傳統(tǒng)銑削過(guò)程中的加工變形[5]、加工振動(dòng)[6]、銑削穩(wěn)定性、顫振[7]以及銑削參數(shù)等做了大量的研究，這些研究與微細(xì)銑削薄壁的研究存在共性，為微細(xì)銑削的研究奠定了基礎(chǔ)，但是不能算作嚴(yán)格意義上微細(xì)銑削薄壁研究。針對(duì)微細(xì)銑削薄壁的研究，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者把重點(diǎn)更多放在了銑削參數(shù)、銑削方式、加工工藝等對(duì)薄壁的加工質(zhì)量的影響上。文獻(xiàn)[8]對(duì)薄壁微細(xì)銑削的研究進(jìn)行了分類，一類是基于銑削力的研究，即間接的研究銑削參數(shù)與加工質(zhì)量之間的關(guān)系；另一種則是不基于銑削力的研究，即銑削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響不需要借助于銑削力而直接分析得到。同時(shí)，作者基于前一種研究方法，研究了薄壁厚度、銑削策略、刀具路徑等對(duì)薄壁加工質(zhì)量的影響[9]。文獻(xiàn)[10]采用有限元仿真建立了微型薄壁銑削過(guò)程中的變形預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，研究發(fā)現(xiàn)薄壁變形量隨著薄壁厚度的增加而減小。文獻(xiàn)[11]分析了大高厚比薄壁的加工性，探究了銑削力與加工穩(wěn)定性對(duì)薄壁變形的影響，并得到了關(guān)鍵銑削參數(shù)對(duì)加工變形的影響。文獻(xiàn)[12]針對(duì)黃銅和鋁合金兩種材料，研究了銑削路徑、加工參數(shù)對(duì)不同材料加工質(zhì)量的影響，并得到了兩種材料對(duì)應(yīng)的最優(yōu)的加工方式。文獻(xiàn)[13]通過(guò)仿真，研究了力與薄壁變形之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑削黃銅時(shí)，順銑得到的薄壁質(zhì)量要比逆銑好。文獻(xiàn)[14]采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，基于加工過(guò)程中的銑削力，研究了微細(xì)銑削薄壁過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)薄壁尺寸誤差的影響，發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑削薄壁時(shí)采用小進(jìn)給大切深微細(xì)銑削薄壁能夠獲得較小的尺寸誤差。

其他條件一定的情況下，薄壁的加工質(zhì)量主要受到參數(shù)與工藝的影響。軸向切深與走刀次數(shù)是一對(duì)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)與工藝因素，且這兩個(gè)因素對(duì)薄壁加工質(zhì)量有著不可忽視的影響。然而，基于此的研究幾乎沒有。因此，針對(duì)薄壁的尺寸誤差，展開了參數(shù)與工藝的試驗(yàn)研究。首先，通過(guò)單因素對(duì)比試驗(yàn)，探究了軸向切深對(duì)薄壁加工質(zhì)量以及走刀次數(shù)對(duì)銑削力、尺寸精度的影響；再次通過(guò)薄壁制造的定參數(shù)、定高度試驗(yàn)，揭示了走刀次數(shù)、銑削參數(shù)對(duì)薄壁尺寸誤差的影響規(guī)律。最后，獲得了具有一定高厚比且尺寸精度較高的微型薄壁。

2 試驗(yàn)材料

微細(xì)銑削薄壁試驗(yàn)所用機(jī)床為自主研發(fā)設(shè)計(jì)的微細(xì)加工數(shù)控機(jī)床3A-S100[15]，如圖1 所示。該機(jī)床的主軸為轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)的電主軸，最高轉(zhuǎn)速為每分鐘80，000 轉(zhuǎn)，機(jī)床的軸向跳動(dòng)與徑向跳動(dòng)均小于1μm。機(jī)床三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)為直線電機(jī)，運(yùn)動(dòng)分辨率為0.1μm。試驗(yàn)所用的測(cè)力裝置主要包括9257B 三向壓電原理測(cè)力儀、5070A10100 四通道電荷放大器。試驗(yàn)結(jié)束后，薄壁的尺寸測(cè)量采用掃描電子顯微鏡SEM 測(cè)量，如圖2 所示。試驗(yàn)采用的刀具為直徑0.5mm 的雙刃涂層硬質(zhì)合金立銑刀。工件材料為黃銅H59，試驗(yàn)樣本為長(zhǎng)12mm，寬10mm，高10mm 的長(zhǎng)方體黃銅條，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)將在其上銑削厚度為50μm，長(zhǎng)度為4mm 的薄壁特征。

圖1 微細(xì)加工機(jī)床Fig.1 Micromachining Machine Tool

圖2 掃描電子顯微鏡Fig.2 Scanning Electron Microscope

3 單因素對(duì)比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究軸向切深對(duì)薄壁加工質(zhì)量的影響，同時(shí)探究改變走刀次數(shù)時(shí)，不同走刀次數(shù)間銑削力的關(guān)系以及走刀次數(shù)對(duì)薄壁尺寸精度的影響。按照單因素試驗(yàn)原則，設(shè)計(jì)并展開了兩組改變軸向切深的微細(xì)銑削試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)的參數(shù)選擇，如表1 所示。

表1 兩組試驗(yàn)參數(shù)選擇Tab.1 Parameter Section for Two Group Experiments

兩組試驗(yàn)作為對(duì)照組，只有薄壁兩側(cè)的走刀次數(shù)不同。第一組試驗(yàn)中薄壁兩側(cè)一次走刀，即薄壁的高度與對(duì)應(yīng)的軸向切深相同；第二組試驗(yàn)中所有的薄壁高度均為60μm，即不同的軸向切深對(duì)應(yīng)的走刀次數(shù)不同。第一組試驗(yàn)旨在研究軸向切深對(duì)薄壁加工過(guò)程中銑削力以及薄壁尺寸誤差的影響，其中，銑削力為與薄壁垂直的X向銑削力，尺寸誤差指的是薄壁加工完后實(shí)際的厚度尺寸與理想厚度之間的絕對(duì)差值。作為第一組試驗(yàn)走刀次數(shù)不同的對(duì)照組，第二組試驗(yàn)進(jìn)行的目的有兩個(gè)：一是研究多次走刀時(shí)，銑削力是否有差距；二是探究微細(xì)銑削薄壁過(guò)程中多次走刀帶來(lái)的定位誤差的影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 試驗(yàn)銑削力

試驗(yàn)結(jié)束后，將穩(wěn)定銑削狀態(tài)下X向銑削力的數(shù)據(jù)導(dǎo)出求平均值，該平均值用于后續(xù)的分析。第一組試驗(yàn)中銑削力與軸向切深的關(guān)系，如圖3 所示。改變軸向切深時(shí)，銑削力隨著軸向切深的增加呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì)。

圖3 銑削力與軸向切深關(guān)系Fig.3 Milling Force vs. Axial Depth of Cut

表2 多次走刀銑削力的結(jié)果分析Tab.2 Result Analyses of Milling Force for Multiple Feed

第二組試驗(yàn)中，將對(duì)應(yīng)于不同軸向切深的每次走刀的X向銑削力導(dǎo)出，按照相同的處理計(jì)算方式，計(jì)算出平均值作為最終銑削力。為了更直觀的看到走刀次數(shù)對(duì)銑削力的影響，計(jì)算了銑削力方差。不同軸向切深對(duì)應(yīng)的銑削力的大小及相同參數(shù)下銑削力的均值、方差情況，如表2 所示。由表2 的結(jié)果分析可以得出結(jié)論：微細(xì)銑削黃銅軟材料薄壁過(guò)程中，小軸向切深多次走刀時(shí)，每刀的銑削力變化很小，即銑削參數(shù)相同時(shí)，適當(dāng)?shù)亩啻巫叩秾?duì)銑削力大小不會(huì)造成影響。

3.2.2 尺寸誤差

加工得到的薄壁采用SEM 測(cè)量實(shí)際尺寸時(shí)，為了減少測(cè)量誤差，每個(gè)薄壁選取8 個(gè)不同位置進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。第二組試驗(yàn)得到的薄壁，如圖4 所示。可以看到，采用軸向切深ap=15μm、走刀4 次獲得的薄壁b與采用軸向切深ap=20μm、走刀3次獲得的薄壁c 的實(shí)際尺寸均與理想尺寸很接近，而且這兩個(gè)薄壁兩側(cè)毛刺很少，表面光滑，加工質(zhì)量比較理想。第一組試驗(yàn)得到的薄壁，實(shí)際尺寸偏大且均大于薄壁的理想尺寸。將兩組試驗(yàn)獲得薄壁的實(shí)際尺寸和尺寸誤差繪制成折線圖，如圖5、圖6 所示。如圖5 所示，兩組試驗(yàn)的實(shí)際尺寸隨著軸向切深的增加呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢(shì)，且多次走刀時(shí)實(shí)際尺寸的變化幅度大于一次走刀時(shí)的變化范圍。具體的分析，相同參數(shù)縱向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)多次走刀的實(shí)際尺寸全部小于一次走刀的實(shí)際尺寸。這是由于多次走刀增大了定位誤差，導(dǎo)致實(shí)際尺寸減小。單個(gè)曲線橫向觀察，隨著軸向切深增大，銑削力增大，刀具偏移量增大，所加工薄壁的實(shí)際尺寸增大。尺寸誤差與軸向切深的關(guān)系，如圖6 所示?？梢钥吹?，隨著軸向切深的增加，一次走刀與多次走刀的尺寸誤差變化趨勢(shì)一致。尺寸誤差隨著軸向切深的增大先下降后上升，而且均在ap=15μm、ap=20μm 處發(fā)生了轉(zhuǎn)折。同時(shí)，多次走刀時(shí)的尺寸誤差均小于一次走刀的尺寸誤差，一次走刀尺寸誤差變化波動(dòng)較小，多次走刀尺寸誤差的變化范圍較大。實(shí)際尺寸在ap=20μm 之前小于理想尺寸，所以尺寸誤差會(huì)在軸向切深ap=15μm、ap=20μm 處取得極小值。這說(shuō)明一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大走刀次數(shù)可以減小尺寸誤差。

圖4 多次走刀時(shí)的薄壁特征（a）ap=10μm；（b）ap=15μm；（c）ap=20μm；（d）ap=30μmFig.4 Thin Walls Fabricated by Multiple Feed

圖5 實(shí)際尺寸與軸向切深的關(guān)系Fig.5 Actual Size vs. Axial Depth of Cut

圖6 尺寸誤差與軸向切深的關(guān)系Fig.6 Dimensional Error vs. Axial Depth of Cut

4 薄壁制造試驗(yàn)

基于以上的研究結(jié)果，為了更精確的得到走刀次數(shù)與尺寸誤差的關(guān)系，文章設(shè)計(jì)并進(jìn)行了具有一定高厚比薄壁的制造試驗(yàn)。該試驗(yàn)分為兩個(gè)部分，第一部分為定參數(shù)試驗(yàn)，即通過(guò)相同的加工參數(shù)依次增加走刀次數(shù)，探究走刀次數(shù)對(duì)尺寸誤差，以及參數(shù)對(duì)尺寸誤差的影響；第二部分為定高度試驗(yàn)，即預(yù)先設(shè)定好薄壁的高度，采用不同的走刀次數(shù)（選擇不同的軸向切深）加工高度相同的薄壁，探究是否存在適當(dāng)走刀次數(shù)以及不同高度的薄壁最佳走刀次數(shù)是否相同。

薄壁制造試驗(yàn)中不變參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量以及徑向切深）、所用刀具以及試驗(yàn)材料與單因素對(duì)比試驗(yàn)中保持一致。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

綜合考慮以上研究目的后，針對(duì)薄壁制造所做的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表3 所示。

表3 薄壁制造試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Thin-Wall Fabrication Experiments Design

定參數(shù)的試驗(yàn)中，軸向切深值設(shè)定為60μm、100μm 以及200μm，分別依次增加走刀次數(shù)，獲得高度不同的薄壁；而在定高度試驗(yàn)中，設(shè)定薄壁的最終高度分別為60μm、300μm 以及600μm，通過(guò)依次增加走刀次數(shù)，即采用對(duì)應(yīng)的軸向切深而獲得相應(yīng)高度的薄壁，如表3 所示。分別將試驗(yàn)結(jié)果，繪制成折線圖，如圖7、圖8 所示。如圖7 所示，相同參數(shù)多次走刀，依次增加薄壁高度，三條曲線的變化趨勢(shì)是一致的。即加工參數(shù)固定時(shí)，隨著走刀次數(shù)的增加（薄壁高度的增高），薄壁的尺寸誤差呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢(shì)。軸向切深ap=60μm 時(shí)，尺寸誤差的增長(zhǎng)幅度較?。欢鴄p=100μm 和ap=200μm 時(shí)，隨著走刀次數(shù)增加薄壁尺寸誤差急劇增加。軸向切深越大，薄壁尺寸誤差增長(zhǎng)幅度越大，這是因?yàn)槲⒓?xì)銑削過(guò)程中軸向切深越大，切削過(guò)程中薄壁受力越大，薄壁變形越大，每次走刀時(shí)對(duì)薄壁尺寸精度的影響越大。如圖8 所示，采用不同的走刀次數(shù)（軸向切深）加工高度相同的薄壁時(shí)，三條曲線都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)薄壁高度為60μm，隨著走刀次數(shù)的增加，薄壁的尺寸誤差先下降后上升，走刀次數(shù)為3 或4 時(shí)，尺寸誤差較小；當(dāng)薄壁高度為300μm 時(shí)，薄壁的尺寸誤差先下降后波動(dòng)變化；當(dāng)薄壁的高度為600μm 時(shí)，尺寸誤差隨著走刀次數(shù)的增加先下降后上升，并當(dāng)走刀次數(shù)3 或者4 時(shí)，薄壁尺寸精度較好。綜合分析可知，即對(duì)于定高度的薄壁，存在最佳的走刀次數(shù)使得薄壁的尺寸誤差最小。

圖7 定參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results for the Parameters-Constant Experiment

圖8 定高度試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results for the Height-Constant Experiment

4.2 薄壁特征

為了驗(yàn)證以上結(jié)論的準(zhǔn)確性，不改變?cè)囼?yàn)條件與銑削參數(shù)，加工得到了大高厚比的薄壁。針對(duì)尺寸誤差的測(cè)量方法與前面分析中不同，由于薄壁高度的增加，薄壁的實(shí)際尺寸為采用SEM 拍照的側(cè)視圖中的薄壁上端、中部以及底部的尺寸的平均值，尺寸誤差為該平均值與理想厚度50μm 的差值。采用軸向切深200μm，通過(guò)3 次走刀獲得了高厚比為12、尺寸誤差為7.2μm 的薄壁，如圖9（a）所示。采用軸向切深300μm，經(jīng)過(guò)3 次走刀獲得了高厚比為18、尺寸誤差為6.0μm 的薄壁，如圖9（b）所示。

圖9 微細(xì)銑削的薄壁特征Fig.9 Thin Walls by Micromilling

5 結(jié)論

探究了走刀次數(shù)以及銑削參數(shù)對(duì)薄壁加工尺寸精度的影響。單因素對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多次下刀對(duì)銑削力基本無(wú)影響，但是可以有限的減小薄壁的尺寸誤差。薄壁制造試驗(yàn)結(jié)果顯示，切削參數(shù)不變時(shí)，薄壁尺寸誤差隨著走刀次數(shù)增加而單調(diào)增大，而且軸向切深越大，上升幅度越明顯；當(dāng)薄壁高度一定時(shí)，存在最佳的走刀次數(shù)使得薄壁的尺寸誤差最小。這表明，薄壁的尺寸誤差受到銑削參數(shù)以及走刀次數(shù)的綜合影響，合適的銑削參數(shù)結(jié)合恰當(dāng)?shù)淖叩洞螖?shù)，能夠獲得較高的加工尺寸精度。因此，實(shí)際加工中，可以通過(guò)參數(shù)優(yōu)化以及走刀次數(shù)優(yōu)化來(lái)獲得尺寸精度較高的薄壁件。