Al6061鋁合金微細(xì)銑削微毛刺的產(chǎn)生與信號(hào)特征相關(guān)性研究

廖璘志,陳琪,伍倪燕

1宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2韓國(guó)培材大學(xué)

1 引言

近年來(lái),隨著電子、醫(yī)療、光學(xué)、顯示器以及燃料電池等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對(duì)微小型精密零件的需求不斷增加,進(jìn)而衍生出各種微加工方法。與其他微加工方法不同,微細(xì)銑削是一種典型的微加工方法,具有諸多明顯優(yōu)勢(shì):能適應(yīng)金屬、陶瓷以及復(fù)合材料等多種工程材料加工;具備較強(qiáng)的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工能力;加工精度高,加工成本低;具有較高的材料去除率等[1,2]。但是在加工過(guò)程中很容易產(chǎn)生微毛刺,易造成零件的尺寸誤差及表面粗糙。與一般毛刺不同,微毛刺的去毛刺工序難度更大,增加了加工成本,在自動(dòng)化過(guò)程中難以管理。

目前,一般去毛刺方法包括使用振動(dòng)、噴砂、滾筒等機(jī)械去毛刺方法以及使用蝕刻等化學(xué)反應(yīng)方法[3,4]。Gillespie L.K.[5]指出,微小型精密零件的去毛刺工序的成本在精密零件加工中占總工藝成本的 30% 以上,并且存在因加工時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致生產(chǎn)率降低的問(wèn)題。據(jù)文獻(xiàn)[6,7]統(tǒng)計(jì),在金屬零部件的加工過(guò)程中,去毛刺費(fèi)用占零件制造成本的10%左右,上世紀(jì)末,美國(guó)每年用于去毛刺的費(fèi)用就高達(dá)數(shù)十億美元。因此,開(kāi)展關(guān)于監(jiān)控加工切削條件以減少微毛刺產(chǎn)生的研究尤為重要。

在前期研究中,利用聲發(fā)射(AE)信號(hào)的均方根值(RMS)可以預(yù)測(cè)表面粗糙度,并且證實(shí)了切削力和聲發(fā)射信號(hào)的均方根值趨于相似[8,9]。本文通過(guò)對(duì)Al6061鋁合金進(jìn)行微細(xì)銑削加工實(shí)驗(yàn),使用測(cè)力儀和聲發(fā)射傳感器在加工過(guò)程中獲取不同切削條件下的切削力和聲發(fā)射信號(hào),提取和計(jì)算信號(hào)特征值來(lái)衡量切削過(guò)程的穩(wěn)定性,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出切削條件與微毛刺大小的關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)控制微小型零件表面質(zhì)量及尺寸精度提供了新的參考依據(jù),該方法具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值[10]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,采用Makino V55高速加工中心,加工范圍為900mm×500mm×450mm,工作臺(tái)尺寸為460mm×1000mm,主軸上安裝轉(zhuǎn)速高達(dá)80000r/min的空氣渦輪主軸,可以通過(guò)氣壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。在工作臺(tái)上安裝Kistler 9257B三向測(cè)力儀以測(cè)量切削力信號(hào),并在加工工件側(cè)面安裝一個(gè)4357 Pico型聲發(fā)射信號(hào)(AE)傳感器以獲得AE信號(hào)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用工件材料為Al6061鋁合金,刀具為直徑200μm的C-CES 2002-0040雙刃微型立銑刀,如圖2所示。在微銑削加工實(shí)驗(yàn)中,在不同切削參數(shù)下(見(jiàn)表1)進(jìn)行切槽加工,獲得加工過(guò)程中切削力信號(hào),計(jì)算出切削合力的平均值,并對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行均方根計(jì)算,利用電子顯微鏡測(cè)量加工表面微毛刺(見(jiàn)圖3)。

表1 模態(tài)頻率與振幅

圖2 微細(xì)銑削刀具

圖3 零件表面微毛刺形貌

切削參數(shù)選擇為主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、切削深度,主軸轉(zhuǎn)速為60000r/min,65000r/min,70000r/min,每齒進(jìn)給量為0.5μm/z,1.0μm/z,1.5μm/z,切削深度為20μm,30μm,40μm,主軸的旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)給方向如圖3p所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 切削力及AE RMS對(duì)微毛刺的影響

根據(jù)表1數(shù)據(jù)選擇不同切削參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并記錄了切削力和AE RMS值的變化情況(見(jiàn)圖4)。同時(shí),通過(guò)電子顯微鏡測(cè)量了15種條件下的微毛刺長(zhǎng)度(見(jiàn)表2及圖5)。

表2 微毛刺長(zhǎng)度 (μm)

圖4 切削力與聲發(fā)射均方根值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 微毛刺長(zhǎng)度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在切削力和AE RMS值較大的加工條件下,微毛刺的長(zhǎng)度較長(zhǎng)且數(shù)量較多。因此,切削力和AE RMS值的大小與微毛刺的產(chǎn)生存在一定相關(guān)性,這也證明了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)在提高零件表面質(zhì)量上的有效性。

3.2 AE RMS的變化對(duì)微毛刺的影響

實(shí)驗(yàn)選取序號(hào)1,4,6,9的切削條件進(jìn)行研究,通過(guò)計(jì)算AE信號(hào)的特征參數(shù)RMS值發(fā)現(xiàn),聲發(fā)射均方根值的振幅與微毛刺之間存在關(guān)聯(lián)(見(jiàn)圖6)。

圖6 聲發(fā)射均方根值變化趨勢(shì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在微細(xì)銑削加工中,AE RMS值與微毛刺的大小之間存在一定的相關(guān)性,AE RMS值的變化趨勢(shì)能夠反映微毛刺的狀態(tài)。當(dāng)AE RMS值具有較大的振幅和不穩(wěn)定性時(shí),微毛刺的長(zhǎng)度較長(zhǎng),數(shù)量較多;而當(dāng)AE RMS值具有較小的振幅且相對(duì)穩(wěn)定時(shí),微毛刺的長(zhǎng)度較短,數(shù)量較少。較大且不穩(wěn)定的AE RMS值可能預(yù)示著微毛刺的產(chǎn)生和較長(zhǎng)的長(zhǎng)度,而較小且相對(duì)穩(wěn)定的AE RMS值則可能預(yù)示著較短的微毛刺或較少的毛刺數(shù)量。

綜上所述,AE RMS值在微細(xì)銑削加工中與微毛刺的大小和狀態(tài)密切相關(guān)。通過(guò)監(jiān)測(cè)AE RMS值的變化,可以有效預(yù)測(cè)微毛刺的產(chǎn)生和控制微毛刺的大小,為提高零件表面質(zhì)量和減少微毛刺產(chǎn)生提供了一種有效的方法。

3.3 進(jìn)給量對(duì)AE RMS、切削力及微毛刺長(zhǎng)度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖7～圖9),在恒定主軸轉(zhuǎn)速下,隨著每齒進(jìn)給量的增加,AE RMS值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這表明在微細(xì)銑削加工過(guò)程中,隨著進(jìn)給量的增加,產(chǎn)生了更多的聲發(fā)射信號(hào),可能是因?yàn)榍邢髁Φ淖兓瘜?dǎo)致微小振動(dòng)的增加,從而產(chǎn)生更多的聲發(fā)射事件,切削力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是由于每齒進(jìn)給量的增加導(dǎo)致了更多的材料被切削移除,因此切削力也隨之增大;微毛刺的長(zhǎng)度也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),這意味著進(jìn)給量的增加會(huì)導(dǎo)致加工表面的不平整性增加,從而產(chǎn)生更大尺寸的微毛刺。

(a)60000r/min

(a)60000r/min

(a)60000r/min

綜上所述,進(jìn)給量是影響AE RMS值、切削力以及微毛刺長(zhǎng)度的重要因素。較大的進(jìn)給量可能會(huì)導(dǎo)致更多的聲發(fā)射信號(hào)、較大的切削力和更長(zhǎng)的微毛刺長(zhǎng)度。因此,在微細(xì)銑削加工中,合理地控制進(jìn)給量是減少微毛刺產(chǎn)生、提高表面質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一。

3.4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)AE RMS、切削力及微毛刺長(zhǎng)度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖10和圖11),在每齒進(jìn)給量恒定的情況下,隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化,AE RMS值的變化不明顯。這表明在微細(xì)銑削加工過(guò)程中,主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生沒(méi)有明顯的影響;切削力對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的變化響應(yīng)較大:實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,切削力呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。主軸轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增加,進(jìn)而導(dǎo)致切削力的增加。

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

微毛刺長(zhǎng)度對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的變化不敏感:根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)和描述可以看出,在進(jìn)給量相同的情況下,主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)微毛刺的長(zhǎng)度沒(méi)有明顯的影響。

綜上所述,主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)AE RMS值的影響不大,但對(duì)切削力有明顯的影響。然而,主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)微毛刺的長(zhǎng)度沒(méi)有明顯的影響。因此,在微細(xì)銑削加工中,調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速可能會(huì)對(duì)切削力產(chǎn)生影響,但對(duì)微毛刺的形成沒(méi)有顯著效果。在控制微毛刺長(zhǎng)度方面,可能需要更多地關(guān)注其他切削參數(shù),如切削深度和進(jìn)給量。

3.5 切削深度對(duì)AE RMS、切削力及微毛刺長(zhǎng)度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖12～圖14),隨著切削深度的增加,AE RMS值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這表明在微細(xì)銑削加工過(guò)程中,隨著切削深度的增加,產(chǎn)生了更多的聲發(fā)射信號(hào)。切削深度增加可能導(dǎo)致刀具與工件接觸面積增加,進(jìn)而引起更多的切削力和微小振動(dòng),從而產(chǎn)生更多的聲發(fā)射;切削力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是由于切削深度的增加導(dǎo)致切削量增加,更多的材料被切削移除,因此切削力也隨之增大。

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)和圖14的結(jié)果可以看出,隨著切削深度的增加,微毛刺的長(zhǎng)度也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這意味著切削深度的增加會(huì)導(dǎo)致加工表面的不平整性增加,從而產(chǎn)生更大尺寸的微毛刺。

綜上所述,切削深度是影響AE RMS值、切削力以及微毛刺長(zhǎng)度的重要因素。較大的切削深度可能會(huì)導(dǎo)致更多的聲發(fā)射信號(hào)、較大的切削力和更長(zhǎng)的微毛刺長(zhǎng)度。因此,在微細(xì)銑削加工中,合理地控制切削深度是減少微毛刺產(chǎn)生、提高表面質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)研究了在不同切削參數(shù)下對(duì)Al6061鋁合金微細(xì)銑削加工中微毛刺的大小與切削用量、AE RMS值及切削力之間的相關(guān)性。

(1)隨著切削深度的增加,微毛刺的長(zhǎng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。同時(shí),切削深度的增加會(huì)導(dǎo)致切削力增加,并且聲發(fā)射信號(hào)(AE RMS值)的振幅也增大。因此,切削深度是影響微毛刺大小和形成的重要因素。

(2)隨著每齒進(jìn)給量的增加,聲發(fā)射信號(hào)(AE RMS值)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檫M(jìn)給量的增加導(dǎo)致了更多的材料被切削移除,從而引起更多的切削力和微小振動(dòng),產(chǎn)生更多的聲發(fā)射事件。因此,合理地控制進(jìn)給量是減少微毛刺產(chǎn)生的關(guān)鍵措施之一。

(3)在每齒進(jìn)給量恒定的情況下,主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)聲發(fā)射信號(hào)(AE RMS值)的影響不大。但是,主軸轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致切削力增加。然而,主軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)微毛刺的長(zhǎng)度沒(méi)有明顯的影響。

總的來(lái)說(shuō),為了提高微細(xì)銑削加工中的零件表面質(zhì)量并減少微毛刺的產(chǎn)生,可以通過(guò)合理控制切削深度和進(jìn)給量來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí),聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)AE RMS值也可用于預(yù)測(cè)微毛刺的產(chǎn)生和控制微毛刺的大小,為微細(xì)銑削加工過(guò)程中切削用量的選擇提供了參考依據(jù)。這項(xiàng)研究為微細(xì)銑削加工表面質(zhì)量控制和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究提供了新的方向和理論基礎(chǔ)。