壓鑄鋁合金用銑刀表面微織構(gòu)及切削特性研究

何利華，潘建峰，倪 敬，馮 凱，崔 智

(1. 杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 杭州 310018； 2. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 特種設(shè)備學(xué)院， 杭州 310018)

鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、易成型、抗腐蝕性強(qiáng)、成本較低等優(yōu)異的綜合性能，是當(dāng)前燃油型與新能源車輛輕量化設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的材料.壓鑄鋁合金的使用量占車用鋁的54%～70%，其應(yīng)用范圍涵蓋動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤總成等[1].但是，壓鑄鋁合金的銑削一直是制造行業(yè)的難題.由于壓鑄鋁合金熔點(diǎn)較低，溫升后其塑性很大，在切削加工過(guò)程中，受高溫高壓的影響，切屑底層和前刀面的摩擦較大，滯留現(xiàn)象嚴(yán)重，易產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致工件的精度降低，表面粗糙度增加[2].由于切削區(qū)域的高溫主要來(lái)源于切屑在刀具表面的滑動(dòng)摩擦，所以需要關(guān)注如何有效降低刀-屑接觸區(qū)域的摩擦.

從摩擦學(xué)的角度分析，光滑的摩擦副表面已經(jīng)不能滿足更好的減摩性能，而具有微織構(gòu)的摩擦副表面同時(shí)具有良好的減摩和耐磨性能.學(xué)者們通過(guò)觀察長(zhǎng)期生活在高磨損自然環(huán)境中的生物，如蜣螂、沙漠蜥蜴、潮間帶貝類、穿山甲等，發(fā)現(xiàn)其表面存在有一定幾何形狀規(guī)律的微型結(jié)構(gòu)，如鱗片形、凸包形、凹坑形、條形、網(wǎng)格形等[3].孫志宏等[4]在高速紡杯表面布置非光滑溝槽以獲得減黏降阻的特性.王春舉等[5]指出表面微織構(gòu)具有降低摩擦阻力且不需要再增加重量的優(yōu)點(diǎn).因此，可以通過(guò)在刀具表面增加微織構(gòu)的方法，減小切削過(guò)程中的切削力，減緩刀具磨損，提高刀具壽命，從而提高加工工件表面的質(zhì)量.Xie等[6]利用金剛石V型砂輪在平面車刀表面加工出不同深度和不同橫縱比的微槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)切削對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)平面車刀相比，前刀面上具有平行微槽結(jié)構(gòu)的車削刀可以將干切削的切削力降低32.7%.陳亞?wèn)|等[7]制備了具有平行和垂直于主切削刃的兩種長(zhǎng)條狀表面微織構(gòu)銑刀，并對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了端銑試驗(yàn).結(jié)果表明：相比于普通銑刀，兩種微織構(gòu)銑刀銑削的表面粗糙度均有不同程度的降低.但是，在金屬切削加工領(lǐng)域，表面微織構(gòu)的形貌研究主要集中于溝槽狀和凹坑狀，且多用于車削加工，在銑削加工中的應(yīng)用較少.

合適的微織構(gòu)是研究微織構(gòu)銑刀加工特性的前提.因此，本文針對(duì)壓鑄鋁合金材料的銑削加工，并圍繞表面微織構(gòu)的形貌，采用激光加工方法，分別在兩把三刃立銑刀前刀面的同一位置制備溝槽和V型陣列微織構(gòu)，將其與普通銑刀進(jìn)行銑削對(duì)比試驗(yàn)，研究不同微織構(gòu)對(duì)銑刀的負(fù)載和加工穩(wěn)定性以及加工質(zhì)量的影響.

1 銑削試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為FEELER VMP-23A精密立式加工中心，主要技術(shù)參數(shù)：主軸功率為7.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速為50～10 000 r/min，x、y和z軸行程分別為580、420、510 mm.采用Kistler 9119AA2力傳感器對(duì)銑削過(guò)程中的銑削力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣靈敏度為-26 pC/N (Fx、Fz方向)和-13 pC/N (Fy方向)，量程為 -4～4 kN.其中，F(xiàn)x、Fy和Fz分別為銑刀在x、y和z方向上的銑削力.該傳感器將采樣信號(hào)輸出至5090A型信號(hào)放大器，經(jīng)5697A1型數(shù)據(jù)采集儀輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)頻譜分析軟件DynoWare進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；采用SJ-210粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量工件表面輪廓曲線和表面粗糙度；采用KEYENCE VHX-5000 超精細(xì)數(shù)碼顯微系統(tǒng)拍攝工件表面形貌.銑削加工試驗(yàn)設(shè)備設(shè)置如圖1所示.

圖1 銑削加工試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment of milling

1.2 試驗(yàn)材料

銑削加工的工件材料為40 mm×30 mm×10 mm 的塊狀壓鑄鋁合金，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示.其中，σb為最大抗拉強(qiáng)度，δ為斷后伸長(zhǎng)率.試驗(yàn)所用銑刀為整體式非涂層三刃立銑刀，其具體幾何參數(shù)如表2所示.

表1 壓鑄鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能Tab.1 Chemical composition and mechanical properties of die-casting aluminum alloy

表2 刀具幾何參數(shù)Tab.2 Geometric parameters of cutter

采用大族K20-CS激光機(jī)在銑刀前刀面制備垂直于主切削刃的溝槽和V型陣列表面微織構(gòu)，其加工形貌如圖2所示.微織構(gòu)尺寸參數(shù)如下：溝槽型由4條溝槽陣列布置，V型由4條連續(xù)V型槽陣列布置，每條溝槽和V型槽的長(zhǎng)度均為1.5 mm，深度均為0.05 mm.

圖2 微織構(gòu)銑刀的3D模型(mm)Fig.2 A 3D model of micro-textured milling cutter (mm)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要探求不同表面微織構(gòu)銑刀對(duì)銑削加工特性的影響. 將普通銑刀與前刀面上分別刻有溝槽和V型陣列的表面微織構(gòu)銑刀進(jìn)行銑削試驗(yàn)對(duì)比，每種刀具銑削工件5次，共計(jì)15次.3種銑刀的主軸轉(zhuǎn)速均為 2 000 r/min，進(jìn)給速度均為200 mm/min，銑削深度均為2 mm.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面微織構(gòu)對(duì)銑削力的影響

基于相同銑削加工參數(shù)下測(cè)得的普通銑刀和微織構(gòu)銑刀銑削壓鑄鋁合金的銑削力數(shù)據(jù)，對(duì)加工過(guò)程中每一秒內(nèi)的銑削負(fù)載求平均值，其結(jié)果如圖3所示.圖中，t為加工時(shí)間.

圖3 表面微織構(gòu)銑刀對(duì)銑削力的影響Fig.3 Effect of surface micro-textured milling cutters on milling forces

圖3中，表面微織構(gòu)銑刀的Fx和Fz均明顯小于普通銑刀的Fx和Fz，且V型陣列銑刀的Fy最小，溝槽陣列銑刀和普通銑刀的Fy較為接近.

對(duì)銑削力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，3種不同銑刀的Fx、Fy和Fz的均值如表3所示.其中，ΔFx、ΔFy和ΔFz分別為相較于普通銑刀，微織構(gòu)銑刀的Fx均值、Fy均值和Fz均值的降低程度.可知在壓鑄鋁合金的銑削加工方面，相較于普通銑刀，微織構(gòu)銑刀，特別是V型陣列銑刀的銑削力明顯降低.這是由于在銑削過(guò)程中，刀-屑之間的摩擦阻力得到了相應(yīng)改善，其微織構(gòu)作用原理如圖4所示.其中，l1和l2分別為每條溝槽微織構(gòu)與切屑、每條V型微織構(gòu)與切屑的非接觸長(zhǎng)度，v為切屑滑動(dòng)的速度.

表3 銑削力均值Tab.3 Mean values of milling forces

圖4 微織構(gòu)銑刀的降載機(jī)理Fig.4 Mechanism of reducing cutting force of micro-textured milling cutter

根據(jù)斜角切削模型[8]，切削三向力可以表示為

(1)

式中：aw為切削寬度；lf為刀-屑接觸長(zhǎng)度；τc為前刀面平均剪切強(qiáng)度；γ0為刀具前角；β為摩擦角；Ψc為余偏角；Ψf為流屑角.

試驗(yàn)中的切削寬度、進(jìn)給量等切削參數(shù)和前角、余偏角等刀具角度為己知定量，而在刀具角度固定不變的條件下Ψf基本保持不變[9]，則由式(1)可知，F(xiàn)x、Fy和Fz均與lf成正比.從刀-屑接觸長(zhǎng)度分析，當(dāng)切屑與前刀面的實(shí)際接觸長(zhǎng)度縮短時(shí)，切削力相應(yīng)減小.沿切屑流動(dòng)方向在銑刀前刀面取一條采樣線以評(píng)估刀-屑接觸長(zhǎng)度(見(jiàn)圖4(a)).因?yàn)槲⒖棙?gòu)銑刀上的刻蝕槽寬度均為50 μm，所以l1=50 μm，l2=90 μm.對(duì)于普通銑刀，lf≈1 mm，當(dāng)將微織構(gòu)銑刀與普通銑刀在相等的長(zhǎng)度下進(jìn)行刀-屑接觸長(zhǎng)度的對(duì)比時(shí)，1 mm范圍內(nèi)最多可以產(chǎn)生3條微織構(gòu).因此在銑削過(guò)程中，相較于普通銑刀，溝槽陣列銑刀的刀-屑實(shí)際接觸長(zhǎng)度可以縮短15%，而V型陣列銑刀可以縮短27%.刀-屑實(shí)際接觸長(zhǎng)度的縮短可以減小銑刀前刀面與切屑之間的摩擦力，因此微織構(gòu)銑刀的切削力比普通銑刀的切削力小.本試驗(yàn)中，V型陣列銑刀的刀-屑接觸長(zhǎng)度最小，因此其切削力也最小.則3種不同類型銑刀減摩效果由好到差為V型陣列銑刀>溝槽陣列銑刀>普通銑刀.

根據(jù)戚寶運(yùn)[10]的研究，銑刀前刀面的微織構(gòu)不僅能夠縮短刀-屑接觸長(zhǎng)度，產(chǎn)生較好的減摩效果，而且還能夠在一定程度上增大刀-屑間的熱量流動(dòng)空間，增加熱傳導(dǎo)面積.試驗(yàn)中，在1 mm2區(qū)域內(nèi)溝槽微織構(gòu)的表面積增加了30%，V型微織構(gòu)的表面積增加了51%，因此V型銑刀的熱傳導(dǎo)效應(yīng)最佳.

從微觀角度分析，刀-屑之間的接觸主要為峰點(diǎn)接觸[11](見(jiàn)圖4(b)).在銑削過(guò)程中，接觸峰點(diǎn)在高溫下容易形成冷焊結(jié)，而破壞冷焊結(jié)會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦阻力.對(duì)此，可以采用微織構(gòu)銑刀進(jìn)行銑削加工.銑削過(guò)程分為以下兩個(gè)階段：

(1) 銑削初期，微織構(gòu)內(nèi)可以容納少量的工件殘留顆粒.同時(shí)，銑刀前刀面上的微織構(gòu)可以減小切屑與前刀面的接觸面積，提高熱傳導(dǎo)效應(yīng)，從而在一定程度上減少冷焊結(jié)的產(chǎn)生，減小銑削摩擦阻力.

(2) 銑削中后期，微織構(gòu)內(nèi)被大量工件殘留顆粒填覆.由于刀具材料采用線性膨脹系數(shù)為4.5×10-6/℃的硬質(zhì)合金，而工件材料采用線性膨脹系數(shù)為24.94×10-6/℃的壓鑄鋁合金，所以根據(jù)軟相承載機(jī)理[12]，微織構(gòu)中的壓鑄鋁合金殘余顆粒受切削高溫影響發(fā)生膨脹而凸出硬質(zhì)合金表面，部分殘留顆粒會(huì)在刀-屑相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中進(jìn)入銑削區(qū)域，并在部分峰點(diǎn)間起到承載作用，從而減小摩擦阻力.

相較于溝槽陣列銑刀，V型陣列銑刀的表面微織構(gòu)面積更大，即V型陣列微織構(gòu)能夠儲(chǔ)存更多的壓鑄鋁合金殘留物，使銑削過(guò)程中的銑削力進(jìn)一步減小，從而減少刀具磨損，延長(zhǎng)刀具使用壽命.

2.2 表面微織構(gòu)對(duì)加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響

在銑刀前刀面上加工微織構(gòu)通常會(huì)影響刀具表面的強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)改變銑刀的重心，從而影響銑削過(guò)程的強(qiáng)迫振動(dòng)，降低銑削穩(wěn)定性.在銑削過(guò)程中，切削力信號(hào)呈周期性變化，其變化頻率分為刀齒通過(guò)頻率(Tooth Passing Frequency，TPF)[13]和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(Spindle Frequency，SF)，分別用fTFP和fSF表示，計(jì)算公式[14]為

fTFP=NS/60

(2)

fSF=S/60

(3)

式中：N為刀齒數(shù)；S為主軸轉(zhuǎn)速.

根據(jù)Toh[15]的研究結(jié)果，本試驗(yàn)選擇x方向?yàn)檫M(jìn)給方向.由于Fx遠(yuǎn)大于Fy，y方向動(dòng)態(tài)切削力的阻尼比小于x方向，所以Fy對(duì)顫振檢測(cè)最敏感.在正常情況下，如果用Fy反映銑削過(guò)程中的振動(dòng)，則銑削力在fSF處均會(huì)出現(xiàn)幅值(FtA)，且FtA在fTFP處取得最大值.試驗(yàn)采用的銑刀齒數(shù)為3，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為 2 000 r/min.對(duì)試驗(yàn)中采集到的Fy相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，得到不同微織構(gòu)銑刀Fy的頻譜分析圖，如圖5所示.其中，f為振動(dòng)頻率，fSF=33.296 Hz,fTFP=99.990 Hz≈3fSF.

由圖5可知，表面微織構(gòu)銑刀在fSF處的FtA均大于普通銑刀的FtA，這是刀具表面的微織構(gòu)影響其表面強(qiáng)度和重心位置所造成的[11].同時(shí)，fSF整數(shù)倍處的FtA不同.在fTFP處，兩種微織構(gòu)銑刀的FtA略小于普通銑刀的FtA；在6fSF處，F(xiàn)tA存在以下大小關(guān)系：普通銑刀>溝槽陣列銑刀>V型陣列銑刀.

圖5 不同微織構(gòu)銑刀Fy頻譜分析Fig.5 Spectrum analysis of Fy of different micro-textured milling cutters

刀具表面微織構(gòu)的存在可以減小前刀面的摩擦，從而減弱振動(dòng)[16].因此，試驗(yàn)通過(guò)研究微織構(gòu)對(duì)摩擦的作用來(lái)反映微織構(gòu)刀具對(duì)振動(dòng)的影響.圖6為前刀面與切屑黏結(jié)面積示意圖.刀具在切削塑性金屬時(shí)，切屑與前刀面間產(chǎn)生高溫、高壓，導(dǎo)致切屑底層軟化并黏嵌在前刀面靠近刀尖處，切屑的底層黏結(jié)處與上層金屬之間產(chǎn)生相對(duì)剪切滑移，屬于內(nèi)摩擦；切屑在脫離前刀面之前，與前刀面存在一些突出點(diǎn)接觸的滑動(dòng)區(qū)，屬于外摩擦.根據(jù)Yan等[17]的研究，內(nèi)摩擦與材料的流動(dòng)應(yīng)力特性和黏結(jié)面積大小有關(guān)，且遠(yuǎn)大于外摩擦.而刀具表面的微織構(gòu)可以降低切屑與前刀面的接觸面積，使黏結(jié)的切屑在前刀面剪切滑移時(shí)更易從前刀面脫離，從而減少摩擦.

圖6 前刀面與切屑黏結(jié)面積示意圖Fig.6 Schematic diagram of unit contact area between front tool surface and built-up edge

在微織構(gòu)刀具的刀尖處截取單位面積以評(píng)估切屑與前刀面的黏結(jié)面積(見(jiàn)圖6).V型陣列銑刀與切屑的黏結(jié)面積最小，其減少的摩擦最多，振幅最小.由此可知，刀具表面的微織構(gòu)對(duì)切削加工穩(wěn)定性具有積極的影響，適當(dāng)?shù)奈⒖棙?gòu)能夠改善切削加工的穩(wěn)定性.

2.3 銑刀表面微織構(gòu)對(duì)加工表面粗糙度的影響

采用超精細(xì)數(shù)碼顯微系統(tǒng)拍攝3種不同類型銑刀加工后的工件表面形貌，如圖7(a)所示，藍(lán)色箭頭為粗糙度采樣方向；采用SJ-210表面粗糙度檢測(cè)儀對(duì)3種不同類型銑刀加工的工件表面進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖7(b)所示，Ra為表面粗糙度值.

圖7 不同微織構(gòu)銑刀銑削下工件表面質(zhì)量Fig.7 Surface quality of workpieces after milling with different micro-textured cutters

由圖7(a)可知，由普通銑刀加工的工件表面存在較多的燒蝕區(qū)域、犁溝和凹坑.在切削行進(jìn)過(guò)程中，燒蝕區(qū)域是由刀齒剝落的焊接在已加工表面上的高溫碎屑形成的；犁溝是黏附在刀尖上的積屑瘤或副切削刃擠壓著碎屑而產(chǎn)生的劃痕.而當(dāng)一些溫度相對(duì)較低的細(xì)小碎屑掉落在已加工表面上時(shí)，隨著切削的進(jìn)行，銑刀的副切削刃或副后刀面會(huì)將其壓進(jìn)底部已加工表面內(nèi)，當(dāng)下一刀齒旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)，又會(huì)將未完全壓入的碎屑剝離，使已加工表面形成凹坑[18].在圖7(b)中的1和2處，普通銑刀輪廓曲線的波峰與波谷差值較大，Ra為0.708 μm.相較于普通銑刀，由溝槽陣列銑刀加工后的工件表面沒(méi)有大面積的燒蝕區(qū)域，犁溝和凹坑明顯減少，如圖7(b)中3、4和5處，輪廓曲線的波峰與波谷差值減小，Ra為0.578 μm，表面均勻性顯著提高.由V型陣列銑刀加工后的工件表面存在少量且較為細(xì)膩的犁溝，凹坑比溝槽陣列銑刀的更淺.圖7(b)中6、7和8處的輪廓曲線雖然有小幅度的波動(dòng)，但是曲線整體較為平穩(wěn)，Ra為0.541 μm.

根據(jù)工件表面形貌和測(cè)得的粗糙度值可知，V型陣列銑刀的表面加工質(zhì)量最好.這是因?yàn)樵谇邢骷庸み^(guò)程中，銑刀表面的微織構(gòu)可以存儲(chǔ)刀具與切屑在接觸區(qū)域相對(duì)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的微小碎屑，使掉落在已加工表面的碎屑減少，從而減少燒蝕、犁溝和凹坑的形成，提升工件的表面完整性.V型陣列銑刀因其刻蝕槽整體空間尺寸大于溝槽陣列銑刀，所以存儲(chǔ)碎屑的能力也優(yōu)于溝槽陣列銑刀，即V型陣列銑刀加工的工件的表面質(zhì)量最佳.

3 結(jié)論

(1) 由銑削試驗(yàn)可知，溝槽和V型陣列微織構(gòu)均能夠減少刀屑間的摩擦，有效減小銑削力.相較于普通銑刀在Fx、Fy和Fz的均值，溝槽陣列銑刀的均值分別降低了3.8%、0.29%和11.7%，V型陣列銑刀的均值分別降低了8.5%、14.3%和12.4%.

(2) 由Fy時(shí)域數(shù)據(jù)的頻譜分析可知，表面微織構(gòu)能夠破壞刀具的重心，令具有表面微織構(gòu)的銑刀在fSF處的幅值均大于普通銑刀；但適當(dāng)?shù)奈⒖棙?gòu)能夠減小刀具前刀面與積屑瘤的黏結(jié)面積，使積屑瘤容易脫落，從而提高銑削穩(wěn)定性，即在fTFP處，微織構(gòu)銑刀的幅值略小于普通銑刀；在6fSF處，幅值的大小關(guān)系為普通銑刀>溝槽陣列銑刀>V型陣列銑刀.

(3) 采用普通銑刀加工的工件表面存在嚴(yán)重的燒蝕和凹坑缺陷；采用微織構(gòu)銑刀加工的工件表面無(wú)燒蝕區(qū)域，凹坑明顯減少，且V型陣列銑刀加工的工件具有最佳的表面質(zhì)量.