微細(xì)銑削毛刺形成影響因素試驗(yàn)研究

楊衍帥，魏偉，劉宇

1機(jī)械科學(xué)研究總院青島分院有限公司；2東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

1 引言

機(jī)械制造行業(yè)對(duì)高質(zhì)量、小尺寸和復(fù)雜特征等零部件的需求逐漸增加。微細(xì)銑削技術(shù)是成本較低的切削加工技術(shù)，可以直接加工出微小零部件或微小特征[1]。微細(xì)銑削加工時(shí)，由于刀具尺寸和加工特征較小，加工表面出現(xiàn)毛刺是影響表面質(zhì)量的主要因素之一。

微細(xì)加工中的毛刺尺寸通常在微米量級(jí)，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)加工中的毛刺尺寸，但會(huì)影響工件后期的檢測(cè)和裝配等工序，手工去除毛刺需要在顯微鏡下進(jìn)行，操作繁瑣且容易劃傷零件表面，應(yīng)盡可能在加工過程中減少毛刺的數(shù)量和尺寸。因此，研究微細(xì)銑削毛刺形成的影響因素有非常重要意義。Lee K.等[2]通過試驗(yàn)研究了不同加工條件下微細(xì)銑削加工時(shí)的毛刺形貌。曹自洋等[3]研究了不同刀具材料對(duì)毛刺形成的影響。楊凱等[4]利用有限元?jiǎng)討B(tài)模擬了微細(xì)銑削加工時(shí)加工參數(shù)對(duì)毛刺形成的影響。孫秋蓮等[5]以毛刺寬度為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)對(duì)微細(xì)銑削中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。張志陽等[6]通過刀具路徑規(guī)劃提出了可以有效減小毛刺尺寸的方法。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微細(xì)銑削加工中毛刺的形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行了廣泛研究。但通過分析加工參數(shù)對(duì)毛刺形成的影響并進(jìn)一步研究刀刃半徑對(duì)微細(xì)銑削毛刺形成影響的文獻(xiàn)很少。本文采用硬質(zhì)合金刀具微細(xì)銑削Al7075，通過試驗(yàn)研究不同加工參數(shù)和刀具磨損對(duì)毛刺形成的影響，并進(jìn)一步分析刀刃半徑對(duì)毛刺形成的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析微細(xì)銑削中不同加工參數(shù)對(duì)毛刺形成的影響，選用不同加工參數(shù)在MMT-50X微細(xì)銑削試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行切削試驗(yàn)。選用直徑為0.5mm的雙刃硬質(zhì)合金立銑刀，以Al7075作為被切削材料，每次切削深度0.04mm，按表1中的加工參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，以工件頂部毛刺寬度作為評(píng)價(jià)毛刺尺寸大小的指標(biāo)，觀察并測(cè)量不同加工條件下的毛刺尺寸(見圖1)。

圖1 銑削加工

表1 加工參數(shù)

2.1 加工參數(shù)對(duì)毛刺的影響

在微細(xì)銑削中，加工參數(shù)直接影響毛刺的形成[7]，而主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度是影響毛刺形成的主要參數(shù)[8]。

通過對(duì)表1中的1#、2#和3#試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別測(cè)量5處最為明顯的毛刺寬度并計(jì)算平均毛刺寬度，測(cè)量結(jié)果見圖2。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，毛刺寬度減小。

圖2 不同主軸轉(zhuǎn)速時(shí)的毛刺尺寸

采用不同進(jìn)給速度(序號(hào)2、4、5、6、7、8、9和10)進(jìn)行切削時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。當(dāng)進(jìn)給速度小于1mm/s，平均毛刺寬度隨進(jìn)給速度的增大而增大；當(dāng)進(jìn)給速度大于1mm/s，平均毛刺尺寸隨進(jìn)給速度的增大而減小；當(dāng)進(jìn)給速度大于2mm/s時(shí)，毛刺尺寸不再有明顯變化。

圖3 不同進(jìn)給速度的毛刺尺寸

為了進(jìn)一步研究毛刺尺寸的影響因素，將轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度換算成每齒進(jìn)給量，分析切削過程中每齒進(jìn)給量對(duì)毛刺形成的影響(見圖4)。

圖4 毛刺尺寸和每齒進(jìn)給量的關(guān)系

每齒進(jìn)給量小于1.5μm/z時(shí)，每齒進(jìn)給量增加，毛刺最大寬度增加；當(dāng)每齒進(jìn)給量大于1.5μm/z時(shí)，每齒進(jìn)給量增加，毛刺尺寸減小。經(jīng)測(cè)量，刀具初始刀刃半徑為1～2μm，可以發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑削加工時(shí)，毛刺的形成與刀刃半徑和尺寸效應(yīng)的作用有關(guān)。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)：微細(xì)加工中，當(dāng)每齒進(jìn)給量小于微銑刀刀刃半徑時(shí)，加工表面毛刺尺寸隨每齒進(jìn)給量的增大而增大；當(dāng)每齒進(jìn)給量大于微銑刀刀刃半徑時(shí)，毛刺尺寸隨每齒進(jìn)給量的增大而減?。划?dāng)每齒進(jìn)給量超過刀刃半徑的兩倍時(shí)，可獲得較小的毛刺尺寸。

2.2 走刀方向?qū)γ痰挠绊?/h3>

試驗(yàn)11和試驗(yàn)12的加工表面形貌見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，逆銑時(shí)毛刺數(shù)量和尺寸小于順銑，但相差不大。原因?yàn)槟驺姇r(shí)瞬時(shí)切削厚度由零開始增大，以較大的切削厚度切出；而順銑時(shí)瞬時(shí)切削厚度從較大值開始減小到零。由于刀刃半徑的存在，以較小的切削厚度切出時(shí)，在犁耕力的作用下，切屑被擠壓，無法完全被切斷，從而形成毛刺。

圖5 走刀方向?qū)γ绦纬傻挠绊?/p>

2.3 刀具磨損對(duì)毛刺的影響

微細(xì)銑削時(shí)后刀刃半徑因刀具磨損會(huì)增大[9]，尺寸效應(yīng)影響增大，對(duì)加工過程中的切削力、振動(dòng)等影響較大[10]。為了研究刀具磨損對(duì)毛刺形成的影響，選用不同磨損程度的刀具，以相同的加工參數(shù)進(jìn)行切削，并測(cè)量頂部毛刺寬度尺寸，其中，以刀刃半徑值re作為刀具磨損程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，加工參數(shù)見表2。試驗(yàn)中切削時(shí)間很短，可忽略切削時(shí)刀具磨損的影響。

表2 加工參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果見圖5和圖6，刀具磨損會(huì)明顯增大毛刺尺寸和毛刺數(shù)量，毛剌尺寸與刀具磨損關(guān)系見圖7。

圖6 刀具磨損對(duì)毛刺形成的影響

圖7 毛刺尺寸與刀具磨損的關(guān)系

由圖8可知，刀刃半徑的存在是微細(xì)銑削加工中毛刺形成的關(guān)鍵因素，加工參數(shù)、走刀方向和刀具磨損對(duì)毛刺形成影響的根本原因都在于刀刃半徑的存在。

圖8 刀刃半徑

在傳統(tǒng)銑削加工中，由于加工尺寸遠(yuǎn)大于刀刃半徑尺寸，刀刃半徑對(duì)加工的影響常被忽略，但由于微細(xì)銑削加工尺寸通常在微米級(jí)，每齒切削量與刀具刀刃半徑尺寸在同一數(shù)量級(jí)，刀刃半徑對(duì)加工影響顯著。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究了不同加工條件對(duì)微槽加工中毛刺形成的影響，發(fā)現(xiàn)使用硬質(zhì)合金刀具微細(xì)銑削Al7075時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、走刀方向和刀具磨損均會(huì)對(duì)毛刺的形成產(chǎn)生影響。其中刀具磨損和進(jìn)給速度對(duì)微槽加工中毛刺形成的影響最為顯著。刀具磨損后，加工表面毛刺明顯增多。

在實(shí)際加工中，應(yīng)采用較小刀刃半徑的刀具進(jìn)行切削，或在加工時(shí)令每齒進(jìn)給量大于刀刃半徑的兩倍，以盡可能地減小毛刺尺寸。