7075鋁合金銑削參數與表面粗糙度探究

齊 萌

（開封技師學院 機械工程系，河南 開封 475000）

0 引言

7075鋁合金具有強度高、比重小以及耐磨性好等特性，廣泛應用于飛機結構和發動機等航空航天領域的精密機械和零部件制造［1］。在進行精密加工過程中，如果其切削工藝參數選擇不當，就會對機床上刀具的耐磨性能和工件的表面質量產生直接影響［2］。若進給量過大，工件表面就會出現嚴重的隆起和凹坑，切削力同時增大，會發生嚴重塑性變形［3］。若主軸轉速選取不當，就易產生積屑瘤，使工件和刀具之間的摩擦系數增大，影響刀具使用壽命［4］。所以，合理選擇加工工藝參數是保證鋁合金精密件加工質量的重要前提。

本文采用Φ20三刃硬質合金立銑刀，銑削7075高強度航空鋁合金。刀具幾何結構為：前角19°，后角10°，刀尖圓弧半徑1mm。工件加工為平面，采用順銑的加工方式，加工環境為干式切削。結合銑削試驗，利用日本三豐公司Mitutoyo工具顯微鏡觀察其微觀形貌，分析主軸轉速、進給速度、側吃刀量和背吃刀量對7075鋁合金表面粗糙度的影響規律，揭示工藝參數與銑削表面質量的內在映射規律，建立適用于工程應用的預測模型，為實際需求提供數據支撐。

1 實驗裝置及方案設計

1.1 試驗方案

本試驗材料選用航空鋁合金，牌號為7075-T6510，其長、寬、高結構尺寸分別為100 mm、100 mm、50 mm。具體材料含量見表1。

表1 7075-T6510鋁合金化學含量

本試驗在大連機床生產的VDL-800四軸加工中心上進行。采用便攜式粗糙度儀，對加工工件進行表面粗糙度測量。采用工具顯微鏡觀察其微觀形貌。如圖1所示。

圖1 試驗平臺

1.2 試驗設計及結果

為了充分體現工藝參數對銑削表面粗糙度Ra的影響，以工件表面粗糙度為試驗指標，以主軸轉速n，進給量vf，背吃刀量ap和側吃刀量ae為影響因素，設計試驗，其試驗參數見表2。同時，對工件表面粗糙度進行測量，其結果見表3。

表2 試驗參數

表3 試驗結果

2 工藝參數對表面質量的影響

2.1 工藝參數對表面粗糙度的影響

根據表3表面粗糙度試驗結果，采用方差分析法進行工藝參數對表面粗糙度影響分析，如圖2所示。

圖2 工藝參數對表面粗糙度的影響

如圖2所示，隨著主軸轉速的增大，表面粗糙度呈減小趨勢，而隨著進給速度和背吃刀量的增大，表面粗糙度均呈惡化趨勢，并且進給速度最為顯著，側吃刀量對表面粗糙度影響不明顯。因此，在實際加工中，建議選擇較高的主軸轉速、較低的進給速度和較小的背吃刀量，以及刀具壽命允許范圍內的大的側吃刀量。

2.2 工藝參數對表面形貌的影響

圖3為不同主軸轉速下表面微觀形貌。從圖中可見，隨著主軸轉速的提高，加工表面的溝壑和隆起逐漸減少。7075鋁合金是典型的塑形材料，在低轉速銑削加工中容易產生“粘刀”現象，這增加了切屑與刀具的摩擦，容易形成積屑瘤，導致工件表面切削深度不均衡，加工質量惡化。在加工過程中，適當增加主軸轉速，使工件與切削分離比較完全，可以遏制“粘刀”現象的產生，使已加工表面均衡平滑，刀痕不明顯。

圖3 不同主軸轉速下加工表面的形貌

圖4為不同進給速度下加工表面的形貌。從圖中可見，在給定的銑削參數內，隨著進給速度的增加，表面粗糙度呈增大趨勢，然而，隨著主軸轉速的提高，進給速度影響下的表面粗糙度增大的趨勢逐漸減緩，這進一步說明主軸轉速對表面粗糙度的影響比進給速度顯著。另一方面，增大進給速度雖然有利于提高金屬切除率，但是也使單位長度的切削紋理周期數逐漸減少，波峰和波谷不均勻。由此可見，進給量越大，表面紋理越粗，表面粗糙度值越大；反之，表面粗糙度值越小。

圖4 不同進給速度下加工表面的形貌

3 表面粗糙度預測模型

3.1 模型的建立

表面粗糙度是衡量切削加工質量的重要性能指標之一，而切削用量的選擇直接影響表面粗糙度。目前，切削用量的選擇通常是通過切削手冊查詢來進行，或是技術工人憑借經驗來確定。憑借經驗確定的切削參數，其使用范圍較窄；通過切削手冊查詢的數值，僅僅表明一個范圍；靠切削試驗確定的參數，又具有局限性和復雜性。因此，建立表面粗糙度預測模型，對表面粗糙度進行預測，顯得尤為重要。

根據表面粗糙度經驗模型［5］：

其中，b0，b1，b2，b3，b4為待定系數。

使用 matlab 軟件中的 stepwise 命令進行逐步回歸，求出 b0，b1，b2，b3，b4，即：

對上述模型進行顯著性檢驗，可得：擬合度 R2＝0.8297，顯著性檢驗 F＝26.7977＞0，說明該模型擬合效果良好。但是，與顯著性相關的P＝0.0895＞0.05，說明回歸方程中的有些變量可以考慮剔除。

3.2 模型驗證與分析

圖5為試驗值與預測值對比結果。從圖中可以看出，預測模型計算值與試驗值匹配度較高。因此可以說，預測模型具有較高的匹配度。根據F可得，各個銑削參數對表面粗糙度的顯著影響排序為：每齒進給量＞切削速度＞軸向切削深度＞徑向切削深度。

圖5 試驗值與預測值對比

4 結論

7075鋁合金質量輕、強度大，廣泛應用于高端精密制造業。在7075鋁合金零件加工中，隨著主軸轉速的增大，表面粗糙度減小，隨著進給速度、背吃刀量和側吃刀量的增大，表面粗糙度增大。主軸轉速對表面粗糙度具有最大的正效應影響，而進給速度對表面粗糙度具有較大的負效應影響，側吃刀量次之，背吃刀量影響最小。