陰曉銘，于化東，許金凱，黃 飛，廉中旭

（長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，長春 130022）

高速精密微銑削Ti-6Al-4V表面質(zhì)量影響因素試驗研究*

陰曉銘，于化東，許金凱，黃 飛，廉中旭

（長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，長春 130022）

采用小型高速精密微銑床在Ti-6Al-4V合金工件表面加工微溝槽，研究了高速精密微銑床加工過程中影響表面質(zhì)量的幾個參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削深度及刀具懸伸量，通過單因素試驗和正交試驗分析了加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響關(guān)系，試驗結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度影響最為顯著。綜合考慮加工效率和加工表面質(zhì)量的因素、極差分析，最優(yōu)參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速40000r/min，切削深度0.05mm，進給速度90mm/min，刀具懸伸量14mm，此時Ra值為0.057μm，Rz值為0.672μm。為高速精密微銑床加工Ti-6Al-4V合金提供了理論參考。

精密微銑削；表面質(zhì)量；影響因素

0 引言

欽合金擁有密度相對較小、耐腐蝕性較強、比強較高、耐高低溫等眾多優(yōu)良的性能，成為現(xiàn)代機械微制造業(yè)重要材料，尤其在精密儀器儀表等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。隨著現(xiàn)代科技高速進步，在精密儀器儀表、武器裝備、航空航天等領(lǐng)域精密微小零件應(yīng)用越來越廣泛［3-4］，對微小零件形狀復(fù)雜程度、尺寸精度、表面質(zhì)量及加工效率要求不斷提高，但精密微銑削技術(shù)受到表面質(zhì)量、尺寸精度等因素制約，使其加工效率比常規(guī)切削低［5］。

DH Kim［6］等人系統(tǒng)研究了主軸轉(zhuǎn)速和每齒進給量對微銑削欽合金表面質(zhì)量影響；何寧［7］、牟濤［8］等人主要研究了高速切削欽合金的機理等問題；彎艷玲［9］等人對高速微銑削鋁合金做了深入研究；楊舒［10］等人對高速微銑削工程陶瓷做了深入研究。但針對高速精密微銑削Ti-6Al-4V尤其是加工表面質(zhì)量影響因素方面的研究還比較少。

為提高微小零件加工效率和推動Ti-6Al-4V高速精密微切削技術(shù)發(fā)展，本文主要通過高速精密微銑削Ti-6Al-4V單因素和正交試驗，驗證Ti-6Al-4V高速精密微切削可行性，利用極差分析法分析主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度和刀具懸伸量這四個切削因素對表面質(zhì)量的影響規(guī)律和程度，對加工參數(shù)進行優(yōu)化匹配，得出Ti-6Al-4V高速精密微銑削最優(yōu)切削參數(shù)。

1 試驗系統(tǒng)的搭建

1.1 試驗系統(tǒng)

本文應(yīng)用自主研發(fā)的小型精密微銑床進行加工試驗（圖1），該小型精密微銑床的尺寸大小為400mm x 400mm x 400mm，三軸運動尺寸為150mm x 150mm x 150mm，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 自主研制的精密微銑床

表1 機床主要參數(shù)表

1.2 試驗方法

Ti-6Al-4V高速精密微銑削試驗，采用的φ2mm整體微徑端銑刀銑削出基準(zhǔn)面，再用φ1mm的硬質(zhì)合金涂層的雙刃整體微徑端銑刀在基準(zhǔn)面上銑削出微溝槽（銑削過程如圖2所示），利用MarSurf LD120表面輪廓測量儀對已加工微溝槽測量、評價得到表面粗糙度Ra、Rz值。

圖2 Ti-6Al-4V高速精密微銑削示意圖

試驗分為兩部分：單因素試驗和正交試驗，試驗流程如圖3所示。

圖3 高速精密微銑削試驗流程圖

為了考量各組切削參數(shù)對表面粗糙度Ra值的影響，首先設(shè)定各個切削參數(shù)的基準(zhǔn)量：主軸轉(zhuǎn)速n= 15000r/min，切削深度ap=0.05mm，進給速度vf=60 mm/min，刀具懸伸量L=14mm，調(diào)整切削參數(shù)的目標(biāo)量（見表2），得出每個切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。

表2 切削參數(shù)的目標(biāo)量的選取

在單因素試驗研究的基礎(chǔ)上，為了對以后的試驗、加工以及生產(chǎn)起到一定的參考作用，研究Ti-6Al-4V高速精密微銑削加工中各因素和表面粗糙度Ra、Rz值的關(guān)系，并對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。試驗選擇主軸轉(zhuǎn)速（n）、進給速度（vf）、切削深度（ap）和刀具懸伸量（L）四個切削因素作為試驗因素，根據(jù)查閱大量文獻和前期試驗總結(jié)安排其水平值（見表3），選擇四因素四水平標(biāo)準(zhǔn)正交試驗表，安排正交試驗（見表4）。試驗把表面粗糙度（Ra、Rz）作為正交試驗的主要衡量指標(biāo)。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，正交優(yōu)化試驗采用切削、測量均為多次取平均值的方法。

表3 Ti-6Al-4V高速精密微銑削加工正交試驗因素水平值

表4 Ti-6Al-4V合金表面粗糙度的正交試驗表

2 單因素試驗結(jié)果及分析

2.1主軸轉(zhuǎn)速的影響

由表5、圖4可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化，Ti-6Al-4V合金表面粗糙度呈現(xiàn)二次曲線變化趨勢，小于15000r/min的時，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大；大于15000r/min時，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。原因是由于在主軸轉(zhuǎn)速的接近15000r/mim時，主軸轉(zhuǎn)動以及切削力的變化引起的激振接近切削系統(tǒng)的固有頻率，使得振動變大，使得表面粗糙度增大；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大的時候，切削力變小，表面粗糙度變小，使已加工表面質(zhì)量變好，與劉維偉，葉貴根等研究結(jié)果相符［11-12］。

表5 主軸轉(zhuǎn)速單因素試驗表面粗糙度測量值

圖4 表面粗糙度與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系

2.2 進給速度的影響

由表6、圖5可知，隨著進給速度的增加，表面粗糙度增大，這是由于在高速銑微銑削Ti-6Al-4V合金過程中，增大進給速度提高加工效率的同時增加了表面殘留面積的高度［9，13］，使表面粗糙度增大。在高速微切削中采用較小的進給速度能獲得比較好的表面加工質(zhì)量，但不是越小越好，當(dāng)進給速度小于90 mm/min時，表面粗糙度變大說明這一點。這是由于進給速度太小時，切屑不能及時排除，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。

表6 進給速度單因素試驗表面粗糙度測量值

圖5 表面粗糙度與進給速度關(guān)系

2.3 切削深度的影響

由表7、圖6可知，切削深度對表面粗糙度影響呈二次曲線變化趨勢，切削深度為0.08mm時，呈現(xiàn)最優(yōu)的加工質(zhì)量，原因是Ti-6Al-4V高速精密當(dāng)切削深度過小會出現(xiàn)尺寸效應(yīng)，微銑刀在切削材料的時候由于經(jīng)歷擠壓，劃擦，犁耕等作用［14-15］，在切除材料的過程中會出現(xiàn)“擠”材料的現(xiàn)象，影響表面加工質(zhì)量；當(dāng)切削深度過大時，切削力變大，表面粗糙度變大，加工表面質(zhì)量下降。

表7 切削深度單因素試驗表面粗糙度測量值

圖6 表面粗糙度與切削深度關(guān)系的曲線圖

2.4 刀具懸伸量的影響

由表8、圖7可知，隨著刀具懸伸量的變化，表面粗糙度呈現(xiàn)二次曲線變化趨勢。在刀具懸伸量為14mm時，表面粗糙度最小，呈現(xiàn)最優(yōu)表面質(zhì)量；在遠(yuǎn)離14mm的刀具懸伸量時，表面粗糙度變大，表面質(zhì)量下降。原因是由于刀具懸伸長度影響了刀具的固有頻率，刀具的懸伸量也不是越小越好，刀具懸伸量為14mm是最佳的，而增大或者減小都會造成表面粗糙度增大，使表面質(zhì)量變差［16-17］。

表8 刀具懸伸量單因素試驗表面粗糙度測量值

圖7 表面粗糙度與刀具懸伸量關(guān)系的曲線圖

3 高速精密微銑削Ti-6Al-4V正交試驗結(jié)果分析

在經(jīng)過試驗之后，利用表面輪廓測量儀測量數(shù)據(jù)得到表9中的表面粗糙度Ra、Rz數(shù)值，用于下面的結(jié)果分析。利用極差分析得到分析結(jié)果表10，根據(jù)表10分析結(jié)果，繪制各切削因素對表面粗糙度Ra、Rz值影響曲線圖8。

表9 表面粗糙度測量數(shù)值表

由圖8a可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，Ra、R z值都呈現(xiàn)變小的趨勢；由圖8b可知，切削深度對于Rz值影響是呈線性增大的趨勢和進給速度（圖8c）呈現(xiàn)的趨勢基本一致，這是由于進給速度和切削深度的改變都影響了表面殘留面積的高度進而影響了Rz值。由圖8d可知在刀具懸伸量14mm時，Ra、Rz值最小，這就進一步驗證了單因素試驗的正確性。

圖8 高速精密微銑削Ti-6Al-4V表面粗糙度與切削因素的關(guān)系曲線圖

由表10中計算結(jié)果，利用極差分析法［10］的分析得：主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度Ra值影響最大，刀具懸伸量次之、進給速度最?。槐砻娲植诙萊z值影響最大是主軸轉(zhuǎn)速，其次是刀具懸伸量，影響最小的是切削深度。

根據(jù) Ra值分析，正交試驗的最優(yōu)組合為A4B3C3D2，即主軸轉(zhuǎn)速為40000r/min，切削深度為0.1mm，進給速度為120 mm/min，刀具懸伸量為14mm；根據(jù) Rz分析，正交試驗的最優(yōu)組合是A4B1C1D2，主軸轉(zhuǎn)速為 40000r/min，切削深度為0.05mm，進給速度為60 mm/min，刀具懸伸量為14mm；由于進給速度對Ra值的影響最小，切削深度對Rz值影響最小，考慮到加工效率和加工質(zhì)量的關(guān)系，得出試驗最優(yōu)組合A4B1C2D2即主軸轉(zhuǎn)速為40000 r/min，切削深度0.05mm，進給速度90 mm/min，刀具懸伸量14mm。利用優(yōu)化之后參數(shù)組合加工微型方柱體陣列樣件如圖9所示，此時樣件底面表面粗糙度Ra值為0.057μm，Rz值為0.672μm。

圖9 微型方柱體樣件

表10 Ti-6Al-4V合金表面粗糙度的正交試驗測量結(jié)果數(shù)據(jù)極差分析表

4 總結(jié)

通過Ti-6Al-4V高速精密微銑削加工的單因素試驗和正交優(yōu)化試驗得到以下結(jié)論：

（1）在高速精密微銑削Ti-6Al-4V合金的單因素試驗中，主軸轉(zhuǎn)速與表面粗糙度Ra值基本呈現(xiàn)拋物線的變化趨勢，在主軸轉(zhuǎn)速大于15000r/min，隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，表面粗糙度Ra值變?。贿M給速度的影響是在90 mm/min至120 mm/min時呈現(xiàn)最佳切削質(zhì)量這時表面粗糙度Ra值是最小且變化平穩(wěn)；切削深度在0.1mm時表面粗糙度Ra值最??；刀具懸伸量在14mm時表面粗糙度Ra值最小。

（2）通過正交優(yōu)化試驗得到主軸轉(zhuǎn)速對于Ra值、Rz值最大，刀具懸伸量對于Ra值、Rz值影響次之，進給速度對Ra值的影響最小，切削深度對于Rz值的影響最小。

（3）通過正交試驗中Ra值、Rz值的最優(yōu)組合，綜合考慮加工效率和加工表面質(zhì)量的因素，最后得到高速精密微銑削Ti-6Al-4V合金最優(yōu)加工參數(shù)是A4B1C2D2即主軸轉(zhuǎn)速40000r/min，切削深度0.05mm，進給速度90mm/min，刀具懸伸量14mm。

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（編輯 趙蓉）

Experimental Study on Influence Factors to High-speed Precision Micro-milling Ti-6Al-4V Surface Quality

YIN Xiao-ming，YU Hua-dong，XU Jin-kai，HUANG Fei，LIAN Zhong-xu
（Electromechanical Engineering College，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Using high-speed precision micro-milling machine to process micro-machining grooves on the surface of Ti-6A l-4V alloy，having studied several parameters that affect the surface quality in the process of high-speed precision micro-milling machine operation：spindle speed，feed rate，cutting depth and tool overhang.Using single factor and orthogonal experiments to analyze how processing parameters affect the quality of surface and the test results show that spindle speed has the most significant influence on surface roughness.In consideration of factors on processing efficiency and surface quality，the optimal parameters are：Spindle speed 40000r/m in，cutting depth 0.05mm，feed rate 90mm/m in，tool overhang 14mm，at this point，Ra is0.057μm and Rz is0.672μm，which have offered theoretical reference to high-speed precision micro-milling machine′process on Ti-6Al-4V alloy.

precision micro-milling；surface quality；influence factors

TH16；TG506

A

1001-2265（2015）10-0056-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.016

2014-11-20；

2014-12-23

國家自然基金項目（51275056）

陰曉銘（1986—），男，山東肥城人，長春理工大學(xué)碩士研究生，研究方向高速微切削加工，（E-mail）yinxiaoming19@126.com；于化東（1961—），男，吉林松原人，長春理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為精密超精密加工、微細(xì)切削加工與微機械制造、高速切削加工技術(shù)，（E-mail）yuhuadong@cust.edu.cn。