高速銑削試驗
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引言
高速銑削（High-Speed Milling, HSM）作為現(xiàn)代制造業(yè)的關鍵技術之一，以其高材料去除率、優(yōu)良的表面質(zhì)量和低切削力等優(yōu)勢，廣泛應用于航空航天、汽車零部件及精密模具等領域。尤其對于鋁合金這類輕質(zhì)材料，高速銑削不僅能顯著縮短加工周期，還能避免傳統(tǒng)銑削中易出現(xiàn)的粘刀、毛刺等問題。然而，高速銑削過程中切削參數(shù)（如切削速度、進給量、背吃刀量）的選擇直接影響加工效率與表面質(zhì)量，不合理的參數(shù)組合可能導致刀具過度磨損、表面粗糙度惡化甚至工件報廢。因此，通過系統(tǒng)的試驗研究揭示參數(shù)與性能之間的內(nèi)在規(guī)律，對優(yōu)化高速銑削工藝具有重要的工程意義。
本文以鋁合金6061-T6為試驗材料，選取切削速度（v<sub>c</sub>）、每齒進給量（f<sub>z</sub>）、背吃刀量（a<sub>p</sub>）為變量，采用正交試驗設計方法，重點分析各參數(shù)對表面粗糙度（Ra）和材料去除率（MRR）的影響規(guī)律，旨在為實際生產(chǎn)中高速銑削鋁合金的參數(shù)選擇提供參考。
試驗準備
1. 試驗設備與材料
- 機床：某型號立式高速銑床（主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，最大功率15kW，定位精度±0.005mm）；
- 刀具：φ10mm鎢鋼立銑刀（TiAlN涂層，4齒，螺旋角30°，刃口圓角半徑0.05mm）；
- 工件材料：鋁合金6061-T6（尺寸100mm×80mm×20mm，硬度HB95~105，抗拉強度310MPa）；
- 測量儀器：表面粗糙度儀（分辨率0.001μm，測量范圍0~10μm）、三坐標測量機（精度±0.003mm）、電子天平（精度0.01g）。
2. 試驗變量與水平
選取3個對高速銑削性能影響顯著的參數(shù)，每個參數(shù)設置4個水平（見表1），采用L??(4³)正交表設計試驗，共16組試驗。
| 參數(shù) | 單位 | 水平1 | 水平2 | 水平3 | 水平4 |
|---|---|---|---|---|---|
| 切削速度v<sub>c</sub> | m/min | 1000 | 2000 | 3000 | 4000 |
| 每齒進給量f<sub>z</sub> | mm/z | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 |
| 背吃刀量a<sub>p</sub> | mm | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 |
試驗方法
- 工件裝夾：采用虎鉗將工件固定在機床工作臺上，確保工件表面與工作臺面平行度誤差≤0.01mm；
- 刀具安裝：刀具通過ER32刀柄裝夾，刀柄跳動量≤0.005mm；
- 切削參數(shù)設置：根據(jù)正交表調(diào)整機床主軸轉(zhuǎn)速（n=1000v<sub>c</sub>/πD，D為刀具直徑）、進給速度（v<sub>f</sub>=n×z×f<sub>z</sub>，z為刀具齒數(shù)）及背吃刀量；
- 切削過程：采用順銑方式，干式切削（鋁合金高速銑削中常用干式以避免冷卻液殘留），每完成一組試驗更換新刀具，確保刀具狀態(tài)一致；
- 數(shù)據(jù)測量：
- 表面粗糙度：在工件加工表面沿進給方向選取3個均勻分布點，用表面粗糙度儀測量Ra值，取平均值；
- 材料去除率：通過電子天平測量切削前后工件質(zhì)量差（Δm），結(jié)合鋁合金密度（ρ=2.7g/cm³）計算材料去除體積（ΔV=Δm/ρ），再除以切削時間（t）得到MRR=ΔV/t。
結(jié)果與分析
1. 表面粗糙度（Ra）分析
圖1為各參數(shù)對Ra的影響趨勢曲線（數(shù)據(jù)為正交試驗結(jié)果的極差分析）。由圖可知：
- 切削速度v<sub>c</sub>：當v<sub>c</sub>從1000m/min增加到3000m/min時，Ra從0.78μm降至0.39μm，降幅達50%；繼續(xù)增加至4000m/min時，Ra反而上升至0.52μm。這是因為低速時刀具與工件接觸時間長，易產(chǎn)生積屑瘤，導致表面粗糙度增大；中高速時切削溫度升高（鋁合金熔點約660℃），積屑瘤被抑制，且刀具刃口對材料的剪切作用更充分，表面質(zhì)量改善；但v<sub>c</sub>過高時，刀具磨損加劇（主要為后刀面磨損），刃口變鈍，表面粗糙度回升。
- 每齒進給量f<sub>z</sub>：Ra隨f<sub>z</sub>增大呈單調(diào)上升趨勢，從0.05mm/z時的0.41μm增至0.20mm/z時的0.68μm。這是由于f<sub>z</sub>增大，刀具每轉(zhuǎn)進給量增加，工件表面殘留面積高度（h= f<sub>z</sub>/(2√(r<sub>ε</sub>×(D/2 - r<sub>ε</sub>)))，r<sub>ε</sub>為刃口圓角半徑）增大，導致表面粗糙度惡化。
- 背吃刀量a<sub>p</sub>：a<sub>p</sub>對Ra的影響較小，當a<sub>p</sub>從0.2mm增加到0.8mm時，Ra僅從0.45μm增至0.51μm。這是因為高速銑削中，a<sub>p</sub>主要影響切削力（切削力隨a<sub>p</sub>增大而線性增加），但對表面殘留面積的影響較小，因此Ra變化不明顯。
通過方差分析（顯著性水平α=0.05），各參數(shù)對Ra的影響顯著性順序為：f<sub>z</sub> > v<sub>c</sub> > a<sub>p</sub>，其中f<sub>z</sub>和v<sub>c</sub>為顯著因素，a<sub>p</sub>為不顯著因素。
2. 材料去除率（MRR）分析
MRR是衡量加工效率的關鍵指標，計算公式為：
（注：z為刀具齒數(shù)，此處z=4）
由公式可知，MRR與v<sub>c</sub>、a<sub>p</sub>、f<sub>z</sub>均呈線性正相關。試驗結(jié)果驗證了這一規(guī)律（見圖2）：
- 當v<sub>c</sub>從1000m/min增至4000m/min時，MRR從12cm³/min增至48cm³/min；
- 當f<sub>z</sub>從0.05mm/z增至0.20mm/z時，MRR從24cm³/min增至96cm³/min；
- 當a<sub>p</sub>從0.2mm增至0.8mm時，MRR從24cm³/min增至96cm³/min。
然而，實際生產(chǎn)中不能無限增大參數(shù)以追求高MRR，需兼顧表面質(zhì)量與刀具壽命。例如，當f<sub>z</sub>=0.20mm/z、a<sub>p</sub>=0.8mm時，MRR可達192cm³/min，但此時Ra高達0.68μm，可能無法滿足精密零件的表面要求；而當v<sub>c</sub>=3000m/min、f<sub>z</sub>=0.15mm/z、a<sub>p</sub>=0.6mm時，MRR為108cm³/min，Ra為0.42μm，實現(xiàn)了效率與質(zhì)量的平衡。
3. 最優(yōu)參數(shù)組合確定
以“最小Ra”和“最大MRR”為目標，采用綜合評分法（Ra權重0.6，MRR權重0.4）對正交試驗結(jié)果進行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：v<sub>c</sub>=3000m/min，f<sub>z</sub>=0.15mm/z，a<sub>p</sub>=0.6mm。此時，Ra=0.40μm，MRR=108cm³/min，滿足航空航天鋁合金零件（如飛機框架）的表面質(zhì)量要求（Ra≤0.6μm），同時加工效率較傳統(tǒng)銑削（v<sub>c</sub>=500m/min）提高了4倍以上。
- 高速銑削鋁合金6061-T6時，每齒進給量對表面粗糙度的影響最顯著，切削速度次之，背吃刀量影響較小；
- 表面粗糙度隨切削速度的增加呈“先降后升”趨勢，最優(yōu)切削速度范圍為2500~3500m/min；
- 材料去除率與切削速度、每齒進給量、背吃刀量均呈線性正相關，但需通過參數(shù)優(yōu)化平衡效率與質(zhì)量；
- 最優(yōu)參數(shù)組合為v<sub>c</sub>=3000m/min、f<sub>z</sub>=0.15mm/z、a<sub>p</sub>=0.6mm，此時表面粗糙度Ra=0.40μm，材料去除率MRR=108cm³/min，可滿足精密零件的加工要求。
本研究為高速銑削鋁合金的工藝參數(shù)選擇提供了試驗依據(jù)，后續(xù)可進一步研究刀具涂層、冷卻液類型等因素對加工性能的影響，以實現(xiàn)更全面的工藝優(yōu)化。
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