微細銑削毛刺形成影響因素試驗研究

楊衍帥，魏偉，劉宇

1機械科學研究總院青島分院有限公司；2東北大學機械工程與自動化學院

1 引言

機械制造行業對高質量、小尺寸和復雜特征等零部件的需求逐漸增加。微細銑削技術是成本較低的切削加工技術，可以直接加工出微小零部件或微小特征[1]。微細銑削加工時，由于刀具尺寸和加工特征較小，加工表面出現毛刺是影響表面質量的主要因素之一。

微細加工中的毛刺尺寸通常在微米量級，遠小于傳統加工中的毛刺尺寸，但會影響工件后期的檢測和裝配等工序，手工去除毛刺需要在顯微鏡下進行，操作繁瑣且容易劃傷零件表面，應盡可能在加工過程中減少毛刺的數量和尺寸。因此，研究微細銑削毛刺形成的影響因素有非常重要意義。Lee K.等[2]通過試驗研究了不同加工條件下微細銑削加工時的毛刺形貌。曹自洋等[3]研究了不同刀具材料對毛刺形成的影響。楊凱等[4]利用有限元動態模擬了微細銑削加工時加工參數對毛刺形成的影響。孫秋蓮等[5]以毛刺寬度為指標，采用正交試驗對微細銑削中的關鍵參數進行了優化研究。張志陽等[6]通過刀具路徑規劃提出了可以有效減小毛刺尺寸的方法。

國內外學者對微細銑削加工中毛刺的形成機理及影響因素進行了廣泛研究。但通過分析加工參數對毛刺形成的影響并進一步研究刀刃半徑對微細銑削毛刺形成影響的文獻很少。本文采用硬質合金刀具微細銑削Al7075，通過試驗研究不同加工參數和刀具磨損對毛刺形成的影響，并進一步分析刀刃半徑對毛刺形成的影響。

2 試驗設計

為了分析微細銑削中不同加工參數對毛刺形成的影響，選用不同加工參數在MMT-50X微細銑削試驗平臺上進行切削試驗。選用直徑為0.5mm的雙刃硬質合金立銑刀，以Al7075作為被切削材料，每次切削深度0.04mm，按表1中的加工參數進行切削試驗，以工件頂部毛刺寬度作為評價毛刺尺寸大小的指標，觀察并測量不同加工條件下的毛刺尺寸(見圖1)。

圖1 銑削加工

表1 加工參數

2.1 加工參數對毛刺的影響

在微細銑削中，加工參數直接影響毛刺的形成[7]，而主軸轉速和進給速度是影響毛刺形成的主要參數[8]。

通過對表1中的1#、2#和3#試驗結果進行分析，分別測量5處最為明顯的毛刺寬度并計算平均毛刺寬度，測量結果見圖2。隨著主軸轉速的增大，毛刺寬度減小。

圖2 不同主軸轉速時的毛刺尺寸

采用不同進給速度(序號2、4、5、6、7、8、9和10)進行切削時，試驗結果見圖3。當進給速度小于1mm/s，平均毛刺寬度隨進給速度的增大而增大；當進給速度大于1mm/s，平均毛刺尺寸隨進給速度的增大而減??；當進給速度大于2mm/s時，毛刺尺寸不再有明顯變化。

圖3 不同進給速度的毛刺尺寸

為了進一步研究毛刺尺寸的影響因素，將轉速和進給速度換算成每齒進給量，分析切削過程中每齒進給量對毛刺形成的影響(見圖4)。

圖4 毛刺尺寸和每齒進給量的關系

每齒進給量小于1.5μm/z時，每齒進給量增加，毛刺最大寬度增加；當每齒進給量大于1.5μm/z時，每齒進給量增加，毛刺尺寸減小。經測量，刀具初始刀刃半徑為1～2μm，可以發現微細銑削加工時，毛刺的形成與刀刃半徑和尺寸效應的作用有關。

通過對試驗結果的分析可以發現：微細加工中，當每齒進給量小于微銑刀刀刃半徑時，加工表面毛刺尺寸隨每齒進給量的增大而增大；當每齒進給量大于微銑刀刀刃半徑時，毛刺尺寸隨每齒進給量的增大而減??；當每齒進給量超過刀刃半徑的兩倍時，可獲得較小的毛刺尺寸。

2.2 走刀方向對毛刺的影響

試驗11和試驗12的加工表面形貌見圖5?？梢园l現，逆銑時毛刺數量和尺寸小于順銑，但相差不大。原因為逆銑時瞬時切削厚度由零開始增大，以較大的切削厚度切出；而順銑時瞬時切削厚度從較大值開始減小到零。由于刀刃半徑的存在，以較小的切削厚度切出時，在犁耕力的作用下，切屑被擠壓，無法完全被切斷，從而形成毛刺。

圖5 走刀方向對毛刺形成的影響

2.3 刀具磨損對毛刺的影響

微細銑削時后刀刃半徑因刀具磨損會增大[9]，尺寸效應影響增大，對加工過程中的切削力、振動等影響較大[10]。為了研究刀具磨損對毛刺形成的影響，選用不同磨損程度的刀具，以相同的加工參數進行切削，并測量頂部毛刺寬度尺寸，其中，以刀刃半徑值re作為刀具磨損程度的評價指標，加工參數見表2。試驗中切削時間很短，可忽略切削時刀具磨損的影響。

表2 加工參數

試驗結果見圖5和圖6，刀具磨損會明顯增大毛刺尺寸和毛刺數量，毛剌尺寸與刀具磨損關系見圖7。

圖6 刀具磨損對毛刺形成的影響

圖7 毛刺尺寸與刀具磨損的關系

由圖8可知，刀刃半徑的存在是微細銑削加工中毛刺形成的關鍵因素，加工參數、走刀方向和刀具磨損對毛刺形成影響的根本原因都在于刀刃半徑的存在。

圖8 刀刃半徑

在傳統銑削加工中，由于加工尺寸遠大于刀刃半徑尺寸，刀刃半徑對加工的影響常被忽略，但由于微細銑削加工尺寸通常在微米級，每齒切削量與刀具刀刃半徑尺寸在同一數量級，刀刃半徑對加工影響顯著。

3 結語

通過試驗研究了不同加工條件對微槽加工中毛刺形成的影響，發現使用硬質合金刀具微細銑削Al7075時，主軸轉速、進給速度、走刀方向和刀具磨損均會對毛刺的形成產生影響。其中刀具磨損和進給速度對微槽加工中毛刺形成的影響最為顯著。刀具磨損后，加工表面毛刺明顯增多。

在實際加工中，應采用較小刀刃半徑的刀具進行切削，或在加工時令每齒進給量大于刀刃半徑的兩倍，以盡可能地減小毛刺尺寸。