高速銑削鋁合金時(shí)切削力和表面質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究

1 引言 
             高速銑削加工可獲得較高的金屬切除率、很高的加工精度和良好的加工表面質(zhì)量，因此在現(xiàn)代制造業(yè)中受到普遍重視，發(fā)展很快。高速銑削技術(shù)首先應(yīng)用于航空制造業(yè)。由于對(duì)高硬度材料進(jìn)行高速銑削加工可在一定程度上替代效率較低的電火花加工從而縮短模具制造周期，因此目前高速銑削技術(shù)在模具制造業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。
             在航空制造業(yè)中，高速銑削的主要加工對(duì)象為鋁合金構(gòu)件。為提高飛機(jī)性能，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量采用鋁合金整體框架和薄壁結(jié)構(gòu)，而鋁合金高速銑削技術(shù)使對(duì)此類構(gòu)件的高效加工成為可能，從而在一定程度上推動(dòng)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。高速銑削時(shí)，由于主軸轉(zhuǎn)速提高，在每齒進(jìn)給量不變的情況下，進(jìn)給速度會(huì)大幅增加，目前采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速銑床的進(jìn)給速度已達(dá)100m/min。因此，在規(guī)劃高速銑削的刀具軌跡時(shí)，必須考慮進(jìn)給方向改變時(shí)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)速度，以防止發(fā)生過(guò)切等現(xiàn)象。 針對(duì)典型鋁合金框架結(jié)構(gòu)的高速銑削工藝，本文通過(guò)切削試驗(yàn)研究了當(dāng)金屬去除率恒定時(shí)銑削工藝參數(shù)對(duì)銑削力和加工表面質(zhì)量的影響以及銑削圓角時(shí)的銑削力和表面粗糙度特征。
2 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法
1) 試驗(yàn)?zāi)康?nbsp;
                 通過(guò)切削試驗(yàn)，主要研究徑向切深ap、軸向切深ae對(duì)銑削力和加工表面粗糙度Ra的影響。銑削力取連續(xù)測(cè)量50點(diǎn)峰值的平均值，加工表面粗糙度Ra取三次測(cè)量的平均值。
2) 試驗(yàn)方法 
                 試驗(yàn)條件：試件材料為7075預(yù)拉伸鋁合金，試件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1；加工機(jī)床為MICRON UCP710五坐標(biāo)加工中心，主軸最大轉(zhuǎn)速18,00m/min，功率15kW，最大進(jìn)給速度20m/min；刀具選用f10mm超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金整體立銑刀，2齒，30°螺旋角，刀尖圓弧半徑R=1.5mm；所有銑削試驗(yàn)均采用油霧冷卻。 

                          圖1 7075鋁合金C型框銑削試件

            測(cè)量?jī)x器：采用Kistler9265B, 三向動(dòng)態(tài)壓電測(cè)力儀、5019A電荷放大器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量、記錄切削力；采用Mahr M1表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量加工表面粗糙度。
             銑削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速18000r/min，對(duì)應(yīng)銑削速度565m/min；為對(duì)比加工表面粗糙度，每齒進(jìn)給量fz分別取0.05mm和0.1mm；徑向切深ap和軸向切深ae的乘積恒定為2mm2。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析  
                加工圖1所示試件時(shí)，由于銑削進(jìn)給方向要發(fā)生改變，因此采用Fxy(Fx與Fy的合力)和Fz作為切削力評(píng)價(jià)參數(shù)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，切削過(guò)程中Fxy峰值切削力如圖2所示。Fz的峰值切削力變化趨勢(shì)與圖2類似，但Fz的大小僅為Fxy的1/3。 
(ap=2mm，ae=1mm，fz=0.1mm) 

                                 圖2 Fxy峰值切削力

1) ap對(duì)銑削力的影響 
               由圖2可見(jiàn)，當(dāng)?shù)毒邉偳腥朐嚰�拐角處時(shí)，切削力迅速增大到加工試件直邊時(shí)的約1.7倍，這主要是由于高速銑削中進(jìn)給方向發(fā)生變化時(shí)，為防止過(guò)切，機(jī)床進(jìn)給速度自動(dòng)降低，造成每齒進(jìn)給量(即切削厚度)下降；同時(shí)，在切削拐角處時(shí)，銑刀的切入角Yi增大(圖4所示的切入角Yi為負(fù)值)，每齒切削長(zhǎng)度增加，使尺寸效應(yīng)在拐角處加劇。以上兩種因素綜合作用的結(jié)果使銑刀在銑削試件拐角處時(shí)切屑平均厚度減小，由尺寸效應(yīng)引起銑削力急劇增大。 

                            表1 銑削試驗(yàn)切削力測(cè)量結(jié)果 
 
              根據(jù)表所列試驗(yàn)結(jié)果，得到銑削力Fxy、Fz與進(jìn)給量ap的關(guān)系(見(jiàn)圖3)以及加工試件直邊與拐角處時(shí)Fz的對(duì)比情況(見(jiàn)圖4)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)切深大于銑刀的刀尖圓弧半徑R時(shí)(f16mm銑刀R=1.5mm)，F(xiàn)xy變化不大，而Fz隨ap的增大而增大，圖中的Fz負(fù)值則表示刀具受拉力作用(切削試驗(yàn)中，當(dāng)ap=16mm時(shí)，加工至拐角處時(shí)f16mm立銑刀曾被折斷)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，刀具的夾緊力因受離心力影響而下降，當(dāng)切深較大時(shí)，在較大拉力作用下可能造成刀具夾緊力不足而發(fā)生拉刀現(xiàn)象。當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.05mm增大到0.10mm時(shí)，F(xiàn)xy僅增大約15%；而在相同切削面積和進(jìn)給量條件下(即金屬去除率恒定)，當(dāng)ap小于刀尖圓弧半徑時(shí)(ap<1.5mm)，切削力則迅速減小。該結(jié)果對(duì)于減小高速銑削時(shí)的加工變形具有一定指導(dǎo)意義。 

                         圖3 銑削力Fxy、Fz與進(jìn)給量ap的關(guān)系  

                        圖4 加工試件直邊與拐角處時(shí)Fz的對(duì)比

2) ap對(duì)加工表面粗糙度的影響 
              切削試驗(yàn)中分別采用了順銑和逆銑兩種銑削方式。由于逆銑時(shí)切屑厚度是由薄變厚，當(dāng)?shù)度袆偨佑|試件時(shí)，后刀面與試件之間摩擦較大，容易引起振動(dòng)；切削試件拐角處時(shí)，因切入角Yi和銑削長(zhǎng)度的增加(見(jiàn)圖5)，逆銑的摩擦效應(yīng)也會(huì)引起切削振動(dòng)，并在拐角處產(chǎn)生振紋。而順銑時(shí)則正好相反，雖然順銑時(shí)切削力稍大于逆銑，但順銑時(shí)切屑厚度是由厚變薄，刀具后刀面與試件之間摩擦效應(yīng)較小，在拐角處不易引起切削振動(dòng)。但由于順銑對(duì)工件和刀具的沖擊力均較大，因此加工時(shí)應(yīng)盡可能減小刀具懸伸長(zhǎng)度和增加工件剛性。  

                         圖5 銑削時(shí)的切入角Yi和切出角Yo

             試件加工表面粗糙度與ap的關(guān)系如圖6所示。測(cè)量結(jié)果表明，試件拐角處的表面粗糙度Ra值略高于試件直邊處的Ra值，逆銑時(shí)在試件拐角處出現(xiàn)了斜向振紋；但當(dāng)Ra=0.5mm時(shí)，試件拐角處的Ra值反而小于直邊處的Ra值，這是由于切削厚度變化引起的銑削力波動(dòng)會(huì)對(duì)加工表面粗糙度產(chǎn)生一定影響，當(dāng)軸向切深較小時(shí)，隨著銑削力的減小，銑削力波動(dòng)對(duì)加工表面粗糙度的影響也隨之減小，因此，隨著軸向切深的減小，表面粗糙度Ra值呈下降趨勢(shì)。 

          (a)每齒進(jìn)給量Ra=0.05mm                (b)每齒進(jìn)給量Ra=0.10mm 

                       圖6 試件加工表面粗糙度Ra與ap的關(guān)系

            當(dāng)采用較大進(jìn)給量ap進(jìn)行銑削加工時(shí)，工件直邊處出現(xiàn)垂直于進(jìn)給方向的振紋，但對(duì)表面粗糙度Ra影響不大(見(jiàn)圖7)。由于振紋處表面粗糙度曲線的峰間距基本上等于銑削時(shí)的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，因此可判定該振紋主要是由于刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡偏心量造成兩個(gè)刀齒的徑向尺寸產(chǎn)生偏差而引起的。 
(ap=6mm，ae=0.33mm，fz=0.1mm/z，順銑) 

                          圖7 振紋處的表面粗糙度測(cè)量曲線

           根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可知：使用圓柱銑刀對(duì)鋁合金材料進(jìn)行高速銑削時(shí)，應(yīng)選用較大的徑向切深量(約為刀具直徑的40%～80%)和較小的軸向切深量(小于刀具直徑的30%)。由于徑向加工余量較大，可在一定程度上增加工件剛性，加上徑向銑削力和加工表面粗糙度值均較小，因此加大徑向切深既能滿足加工工藝要求，又可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)最大限度地減小加工變形。
4 結(jié)論  
            高速銑削鋁合金材料時(shí)，在金屬去除率恒定的情況下，選用較小的軸向切深和較大的徑向切深比選用較大軸向切深和較小徑向切深更為有利。高速銑削鋁合金材料時(shí)，選用較小的軸向切深不僅可大幅度降低切削力，而且可獲得更好的表面加工質(zhì)量。 從減小切削變形的角度選擇切削用量時(shí)，選用較大的徑向切深不僅可降低切削力，而且可增加工件剛性。由切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在滿足加工要求和機(jī)床、刀具條件允許的前提下，還可進(jìn)一步增大進(jìn)給量和切削面積，以達(dá)到提高加工效率的目的。