6061鋁合金切削工藝參數(shù)對(duì)材料去除率影響分析

吳明明，楊之政

(安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230061)

工業(yè)生產(chǎn)通過(guò)選擇合適的材料和工藝方法來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量，以滿(mǎn)足越來(lái)越高的應(yīng)用要求。鋁是一種輕質(zhì)材料，具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐熱性和機(jī)械性能，在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域中取代了鋼材，如汽車(chē)和航空航天部件、導(dǎo)彈部件、存儲(chǔ)容器、海洋應(yīng)用等[1]。6061鋁合金是一種可熱處理的重要材料，研究人員已經(jīng)多次嘗試通過(guò)改進(jìn)材料的組成或選擇合適的加工工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化制造工藝過(guò)程。可加工性是材料加工的容易性，其性能指標(biāo)包括材料去除率(MRR)、特定能耗、表面粗糙度、工具壽命等。在制造過(guò)程中，當(dāng)工件表面粗糙度達(dá)到工藝要求，則希望通過(guò)增加MRR來(lái)提高生產(chǎn)率[2]。鑒于這些因素，本文以提高材料去除率(MRR)為研究目標(biāo)，通過(guò)分析切削三要素對(duì)材料去除率的影響，為實(shí)現(xiàn)材料切削過(guò)程經(jīng)濟(jì)性的提高提供理論基礎(chǔ)。

1 車(chē)削實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

機(jī)床：選擇來(lái)自南京某機(jī)床廠(chǎng)家生產(chǎn)的CJK6130型數(shù)控車(chē)床，該數(shù)控車(chē)床屬于經(jīng)濟(jì)型機(jī)床，加工精度中等，最大加工回轉(zhuǎn)半徑300mm，數(shù)控系統(tǒng)為華中世紀(jì)星21T系統(tǒng)，最大主軸轉(zhuǎn)速3000r/min。

工件：6061鋁合金含有95%的鋁，以及其他元素，如鐵、硅、銅、錳、鎂、鎂、鉻等，該材料具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能和耐腐蝕性，同時(shí)也具有良好的可焊性，因此得到廣泛的應(yīng)用，本研究選擇毛坯尺寸為Φ40×150mm。

刀具：碳化硅刀具，刀尖圓角半徑0.4mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 切削參數(shù)

根據(jù)6061鋁合金材料特性和長(zhǎng)徑比，結(jié)合《金屬切削手冊(cè)》推薦切削參數(shù)范圍，綜合考慮刀具、機(jī)床因素，對(duì)切削三要素設(shè)置三個(gè)因素水平，選擇6061鋁合金切削參數(shù)水平如表1所示[3]。

表1 6061鋁合金切削參數(shù)水平表

1.2.2 田口實(shí)驗(yàn)

在本實(shí)驗(yàn)中，主要分析切削三個(gè)因素(切削速度v、進(jìn)給速度f(wàn)、切削深度ap)對(duì)加工材料去除率的影響。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次，取兩組實(shí)驗(yàn)的平均值計(jì)入實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，為減少加工過(guò)程中切削熱、干摩擦等現(xiàn)象對(duì)材料去除率影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用SAE40冷卻液進(jìn)行切削冷卻。

田口方法要一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法，它強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量或效率的提升不是通過(guò)檢驗(yàn)，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。田口方法的優(yōu)勢(shì)在于以最小的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得最理想的實(shí)驗(yàn)效果。本研究實(shí)驗(yàn)采用田口方法，對(duì)于本研究三因素三水平的實(shí)驗(yàn)方案，確定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案為L(zhǎng)9正交數(shù)組，三個(gè)因素分別用“A”—切削深度、“B”—切削速度、“C”—進(jìn)給速度表示，每個(gè)因素有三個(gè)水平，分別用“1”、“2”、“3”表示，其中“1”為最低水平，“3”為最高水平。材料去除率(MRR)計(jì)算通過(guò)重量損失法確定[4]，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)材料去除率的影響

本研究圍繞切削速度、進(jìn)給速度、切削深度等切削工藝參數(shù)對(duì)材料去除率(MRR)的影響進(jìn)行分析。為了評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可變性，本研究采用信噪比計(jì)算不同因素水平的影響[5]。

信噪比是指一個(gè)電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲的比例，通常情況下信噪比值越高越好。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用信噪比分析是日本科學(xué)家田口玄一在1957年提出的，經(jīng)過(guò)多年的科學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，已被廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)結(jié)果分析。在本研究中，每個(gè)因素(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度)對(duì)響應(yīng)(材料去除率)的影響也在同一表中以變化量Δ的形式顯示。根據(jù)變化量Δ值大小，將因素水平按其影響的升序排列，如表3所示。在選擇的切削參數(shù)(切削速度、進(jìn)給速度、切削深度)中，進(jìn)給速度因子具有最大的信噪比，這說(shuō)明進(jìn)給速度是切削加工中對(duì)材料去除率影響最大的工藝參數(shù)，其次是切削深度和切削速度。由于三個(gè)切削參數(shù)對(duì)材料去除率均有較為明顯的影響，因此當(dāng)三個(gè)切削參數(shù)均在“水平3”時(shí)，材料去除率達(dá)到最大。

表3 三因素信噪比平均值

圖1顯示了切削三要素——切削速度、進(jìn)給速度、切削深度對(duì)材料去除率信噪比平均值的主效應(yīng)圖。從圖中可以看出，當(dāng)切削速度為 429m/min、進(jìn)給速度為0.15mm/rev、切削深度2mm時(shí)，取得較大的材料去除率(MRR)。由于這種工藝參數(shù)組合會(huì)產(chǎn)生最大的信噪比，因此這些設(shè)置可以被視為工藝參數(shù)的最佳設(shè)置。

圖1 三個(gè)因素參數(shù)對(duì)材料去除率MRR影響

方差分析又稱(chēng)F值檢驗(yàn)，常用于兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)，其分析方法是將全部數(shù)據(jù)關(guān)于總平均值的方差分解成幾個(gè)部分，每一部分表示方差的一種來(lái)源，將各種來(lái)源方差進(jìn)行比較，從而判斷實(shí)驗(yàn)各有關(guān)因素(切削速度、切削深度、進(jìn)給速度)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響大小。表4顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析情況。在95%的置信水平下，采用方差分析(F檢驗(yàn))來(lái)評(píng)估每個(gè)因素影響的顯著性。通過(guò)表4參數(shù)可以看出，所有選擇工藝參數(shù)的F值高于標(biāo)準(zhǔn)表的 F臨界值。因此，所有選擇的工藝參數(shù)都是影響顯著工藝參數(shù)，都對(duì)材料去除率都有一定的影響，其中進(jìn)給速度因子的影響最為顯著[6]。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以上方差分析完成了6061鋁合金切削參數(shù)三因素(切削速度、切削深度、進(jìn)給速度)中單一因素分別對(duì)材料去除率(MRR)的影響。但切削加工過(guò)程中，多個(gè)切削因素會(huì)相互影響，為此，本研究還對(duì)切削三因素兩兩因素復(fù)合對(duì)材料去除率(MRR)的影響。圖2至圖4顯示了組合兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的復(fù)合影響。

圖2 進(jìn)給速度和切削速度對(duì)MRR的影響

圖3 進(jìn)給速度和切削深度對(duì)MRR的影響

圖4 切削深度和切削速度對(duì)MRR的影響

圖2所示為進(jìn)給速度和切削速度對(duì)MRR的復(fù)合影響情況。從圖2中可知，在第3級(jí)水平進(jìn)給速度和切削速度的情況下，產(chǎn)生更高的材料去除率，并且隨著這兩參數(shù)的進(jìn)一步增加，材料去除率數(shù)值幾乎呈線(xiàn)性增加。相比之下，進(jìn)給速度的影響明顯大于切削速度影響。圖3所示為進(jìn)給速度和切削深度對(duì)材料去除率的復(fù)合影響情況。從圖3中可知，在較高的進(jìn)給速度情況下，材料去除率會(huì)隨著切割深度的增加而略有增加，但不論處于何種切削深度水平，進(jìn)給速度的對(duì)材料去除率的影響都很顯著。圖4所示為切削速度和切削深度對(duì)材料去除率的復(fù)合影響情況。從圖4中可知，材料去除率在切削深度和切削速度方面表現(xiàn)出更為復(fù)雜的關(guān)系。在第2級(jí)水平的切削深度情況下，第3 級(jí)水平的切削速度表現(xiàn)出更好的材料去除率。這表明，增加切削深度并不能保證材料去除率(MRR)的增加。上述現(xiàn)象出現(xiàn)主要有以下原因：在較高的切削速度下，工件獲得更多的應(yīng)變能，導(dǎo)致材料能夠被快速、連續(xù)的去除，從而產(chǎn)生更高的材料去除率。但切削深度的增加可能會(huì)導(dǎo)致工件的抖動(dòng)，從而降低材料去除率。較高的進(jìn)給速度促進(jìn)了刀具的軸向運(yùn)動(dòng)，刀具以更快的速度移動(dòng)到新的位置，從而增加了材料去除率，但它產(chǎn)生了更粗糙的加工表面。更大的切削深度會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生更高的反作用力，從而使刀具沿徑向外推，刀具將從工件中退出來(lái)，導(dǎo)致振動(dòng)，從而導(dǎo)致材料去除率的減小[7]。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究得出的結(jié)論，根據(jù)主效應(yīng)和信噪比分析，對(duì)最佳切削參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。所得結(jié)果如表5所示。對(duì)比表2、表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)使用最佳切削參數(shù)時(shí)，材料去除率(MRR)值達(dá)到最大[8]，符合理論分析結(jié)果。

表5 最優(yōu)MRR參數(shù)實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文以6061鋁合金為研究對(duì)象，利用田口實(shí)驗(yàn)及信噪比分析方法討論了切削工藝參數(shù)(切削速度、切削深度、進(jìn)給速度)對(duì)材料去除率的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果，得到以下結(jié)論。

(1)進(jìn)給速率是6061鋁合金切削時(shí)影響材料去除率(MRR)最大的工藝參數(shù)，其次是切削深度和切削速度[9]。

(2)進(jìn)給速度和切削速度、進(jìn)給速度和切削深度的復(fù)合效應(yīng)表明，這些因素水平等級(jí)最高時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大材料去除率。另一方面，切削深度和切削速度的復(fù)合效應(yīng)表明，2級(jí)水平的切削深度和3級(jí)水平的切削速度具有更好的材料去除率。這說(shuō)明切削深度并不是材料去除率增加的主要因素，進(jìn)給速度才是控制材料去除率的關(guān)鍵因素[10]。