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以鋁合金A16061-T6為研究對象，采用單因素試驗方法，利用MIKRONUCP800五軸聯(lián)動加工中心進行了微銑槽試驗，研究了主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和進給速度對頂部毛刺尺寸的影響，初步揭示了上述切削參數(shù)對頂部毛刺尺寸的影響規(guī)律，為主動控制微銑加工過程中的毛刺尺寸提供依據(jù)。
金屬切削毛刺的尺寸和形狀直接影響工件的尺寸和形位精度，甚至影響其使用性能和壽命等。相關(guān)文獻指出，精密零部件的后續(xù)去毛刺難以實現(xiàn)自動化，且已經(jīng)成為生產(chǎn)線加工中的一個瓶頸。相關(guān)文獻將加工后的毛刺劃分為四種不同類型：泊松型、翻卷型、撕裂型和切斷型，并從理論上解釋了毛刺形成的機理。相關(guān)文獻基于車削加工中毛刺形成的數(shù)學(xué)—力學(xué)模型提出了一次毛刺和二次毛刺的形態(tài)轉(zhuǎn)換條件，認(rèn)為工件端部材料的塑性剪切滑移和彎曲變形是形成該過程毛刺的主要原因。相關(guān)文獻在奧氏體不銹鋼X5CrNi18-10上進行微銑槽試驗，研究了切削參數(shù)、刀具幾何形狀、潤滑方式和銑削方式等對毛刺形成的影響，揭示出其對微銑槽后頂部毛刺尺寸的影響規(guī)律。相關(guān)文獻使用掃描電子顯微鏡(SEM)對毛刺形成機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削刀具接近工件的端部時，伴隨著負(fù)剪切角和塑性鉸鏈的出現(xiàn)而形成了負(fù)剪切變形區(qū)域，該區(qū)域的塑性彎曲和剪切的綜合作用最終導(dǎo)致毛刺的形成。相關(guān)文獻以微細銑削鉛黃銅為研究內(nèi)容，采用灰色理論和累加生成算法，建立了能夠預(yù)測微銑削中毛刺尺寸的模型，實現(xiàn)了對微銑削中毛刺尺寸的主動控制目的。為研究微細毛刺，相關(guān)文獻分別建立了棱錐體和棱柱體的加工模型，分析了切出方向毛刺和頂部毛刺的形成機理以及工件端部材料的斷裂對毛刺尺寸的影響。相關(guān)文獻綜合考慮微銑加工過程中刀具的余擺線軌跡以及刀具安裝誤差和主軸旋轉(zhuǎn)時的跳動誤差，推導(dǎo)出了能夠適用于任意齒數(shù)銑刀的瞬時切削層厚度的數(shù)學(xué)公式。
上述文獻雖然從多個角度對微細銑削加工過程中的毛刺問題進行了研究，然而對于其中涉及到的切削參數(shù)以何種方式影響頂部毛刺尺寸問題，并沒有統(tǒng)一而明確的結(jié)論，因此有必要對該問題進一步深入研究。
1、試驗條件和方法
1.1 試驗設(shè)備
在MIKRON UCP800五軸聯(lián)動高速加工中心上進行微銑削試驗。機床主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，X、Y、Z三個方向的行程分別為800mm、650mm、500mm。微銑刀選用細晶粒硬質(zhì)合金材料，型號為GM-2ES-D0.5，螺旋角30°，前角10°，后角5°，刃部直徑0.5mm，切削刃圓弧半徑3μm。為避免工件表面氧化層對測量結(jié)果造成干擾，提前對試驗表面精銑。測量儀器為OLYMPUS光學(xué)顯微鏡，取穩(wěn)定銑削狀態(tài)下棱邊毛刺高度的最大值作為測量值。圖1和圖2分別為試驗中用到的微銑刀以及測量儀器與設(shè)備。
圖2 測量儀器與設(shè)備
1.2 試驗方案
首先設(shè)定一組基準(zhǔn)參數(shù)值，采用單因素試驗方法，研究毛刺高度值在不同切削參數(shù)條件下的變化規(guī)律。試驗中切削參數(shù)的設(shè)定如表1所示。
2、試驗結(jié)果與分析
2.1 試驗結(jié)果
圖3為微銑削加工后的Al6061-T6鋁合金件，微銑槽底部顯微放大后的效果如圖4所示。
圖3 微銑削后工件
圖4 頂部毛刺顯微圖
圖5 主軸轉(zhuǎn)速對頂部毛刺高度的影響
2.2 主軸轉(zhuǎn)速對毛刺尺寸的影響
圖5為銑削深度40μm、每齒進給量4μm時槽頂部毛刺高度尺寸值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢。
由圖5可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，頂部毛刺高度尺寸整體呈現(xiàn)增大的趨勢。在7500r/min-10500r/min范圍時，毛刺尺寸增加趨勢并不明顯。主要原因是增加主軸轉(zhuǎn)速，相同時間內(nèi)會導(dǎo)致材料的切除率增加。由于微銑刀容屑槽小，若被切除的材料不能及時排出，會在槽兩側(cè)頂部被推擠而卷曲最終形成頂部毛刺。同時，切削速度的增加會使被切除材料的變形速度加快，刀具與工件材料的接觸時間縮短，致使銑削力下降，被切削材料的變形量減小，因此綜合作用下該范圍內(nèi)高度值的增加趨勢不明顯。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，材料的切除率快速增加并占據(jù)了主導(dǎo)地位，使頂部毛刺尺寸增加趨勢較前階段更明顯。
2.3 進給速度對毛刺尺寸的影響
圖6為主軸轉(zhuǎn)速10500r/min、銑削深度40μm時頂部毛刺高度尺寸隨進給速度的變化趨勢圖。
結(jié)合圖6可以看到，進給速度為最小值時，銑削層厚度接近極限切削厚度，這種情形下刀具的切削和耕犁同時作用于加工表面。切削層材料受銑刀前刀面的擠壓作用而向前流動，前刀面出現(xiàn)材料堆積現(xiàn)象，此時便會產(chǎn)生尺寸較大的毛刺高度值；超過臨界銑削厚度時，耕犁作用不再起主導(dǎo)地位，頂部毛刺高度值減??；隨著進給量繼續(xù)升高，切削厚度增大，毛刺高度也會相應(yīng)增加。由于銑刀的切削刃隨銑削加工過程的進行發(fā)生磨損，在其和耕犁效應(yīng)的綜合作用下，頂部毛刺尺寸會呈現(xiàn)進一步增加的趨勢。
圖7 銑削深度對頂部毛刺高度的影響
2.4 銑削深度對毛刺尺寸的影響
圖7為每齒進給量4μm、主軸轉(zhuǎn)速10500r/min的條件下微銑槽頂部毛刺尺寸值隨切削深度的變化趨勢。
由圖7得知，頂部毛刺尺寸對軸向銑削深度的變化較敏感。銑削深度的增加使得相同時間內(nèi)被去除材料的體積增加，工件與銑刀之間的接觸面積增加，從而使得兩者間的摩擦力和銑刀刀齒的磨損量相應(yīng)增加，引起微銑加工中的尺寸效應(yīng)。銑削深度進一步增加時，受限于自身的幾何尺寸，當(dāng)容屑槽不能容納大量的切屑，在未變形切屑的推擠作用下，導(dǎo)致了較厚的切屑產(chǎn)生，諸個因素綜合作用使得毛刺向上卷曲而成為翻卷狀毛刺，出現(xiàn)如圖所示的頂部毛刺尺寸隨切削深度的增加而呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。同時，隨著加工過程的進行，銑刀切削刃的磨損量變大，切削刃變鈍，致使逆銑側(cè)頂部毛刺高度尺寸大于順銑側(cè)頂部毛刺高度尺寸。
2.5 刃圓半徑對毛刺尺寸的影響
與常規(guī)銑削加工過程相比而言，微細銑削中微銑刀切削刃的磨損量、每齒進給量以及切削深度大致處于同一數(shù)量級，切削刃圓弧半徑不僅對銑削后的切屑形狀、已加工工件的表面質(zhì)量以及尺寸精度產(chǎn)生重要的影響，對頂部毛刺尺寸的影響也十分顯著。
圖8為三把不同磨損量的銑刀切削刃顯微放大圖及其所對應(yīng)的微銑槽頂部毛刺的顯微放大圖。圖中對應(yīng)的切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速10500r/min，每齒進給量4μm，切削深度40μm。
(a)1號銑刀
(b)頂部毛刺
(c)2號銑刀
(d)頂部毛刺
(e)3號銑刀
(f)頂部毛刺
圖8 不同磨損程度銑刀及對應(yīng)毛刺顯微圖
圖8a、圖8c、圖8e分別為1、2、3號刀具，其切削刃磨損量依次增大。由圖8b、圖8d、圖8f可以看出，在相同的切削條件下，不同切削刃磨損量的微銑刀加工后的微槽頂部毛刺尺寸和形狀會有明顯差異。1號刀具最鋒利，其微銑加工后的槽頂部毛刺不僅尺寸最小而且形狀規(guī)則，分布均勻；2號刀具切削刃有輕微的磨損，微銑加工后頂部毛刺尺寸相對增加，形狀不規(guī)則而且毛刺的分布不均勻；3號銑刀切削刃磨損后的圓弧半徑最大，該銑刀加工出來的微槽頂部毛刺尺寸最大，形狀最不規(guī)則，位置分布凌亂對后續(xù)的去毛刺處理造成干擾。
3、小結(jié)
通過微銑槽試驗，分析了切削參數(shù)對毛刺高度尺寸影響的基本規(guī)律，結(jié)論如下：
1.當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在7500r/min-10500r/min范圍內(nèi)增加時，頂部毛刺尺寸略微增加；超出10500r/min轉(zhuǎn)速時，頂部毛刺尺寸增加的趨勢十分顯著。同時，存在使頂部毛刺尺寸最小化的臨界切削速度值。
2.隨著進給速度的增加，微銑槽的頂部毛刺尺寸整體呈現(xiàn)增大的趨勢；存在臨界進給速度值1μm/z，使得此時的頂部毛刺尺寸數(shù)值最小；進給量由1μm/z增加至2μm/z時，頂部毛刺尺寸的增加量十分明顯。
3.銑削深度對頂部毛刺尺寸的影響較為明顯，隨著銑削深度的增大，頂部毛刺尺寸明顯增加。因此，在滿足生產(chǎn)效率的前提下，應(yīng)該選用較小的銑削深度以實現(xiàn)主動控制毛刺尺寸的目的。通過合理地選擇切削用量以及規(guī)劃刀具路徑，可以達到主動控制和有效減小毛刺尺寸的目的，從而提高工件的加工質(zhì)量，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。此外，試驗未考慮主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給量和切削刃圓弧半徑之間的交互作用。刀具幾何尺寸、刀具材料以及工件材料和刀具銑削路徑均有可能影響微銑毛刺尺寸，仍需進一步深入研究。
來源：全球數(shù)控刀具網(wǎng)
