王瑩，王鵬，白敬彬，曹鵬飛，王晉鵬，魏海濤，楊昆明，李阿為

(1. 西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710077；2. 航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089；3. 西安興航航空制造有限公司，陜西 西安 710003)

0 引言

航空鋁合金具有強(qiáng)度和硬度較高、導(dǎo)熱系數(shù)高、切削溫度有限、化學(xué)磨損小等特性[1]，是航空航天制造業(yè)常采用的材料之一。雖然鋁合金材料本身易于加工，但航空航天工業(yè)所要達(dá)到的高精密度和高質(zhì)量[2]，顯然用普通的加工方法來(lái)加工鋁合金零件是不夠的。傳統(tǒng)銑加工的側(cè)銑具有高效率、高精度等優(yōu)點(diǎn)[3]，而且可實(shí)現(xiàn)熱變形零件加工以及復(fù)雜材料加工[4]。但高速側(cè)銑受到切削參數(shù)的影響較多，目前還未建立完整的側(cè)銑加工體系。

表面粗糙度是評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的因素之一[5]，不同工藝加工的零件表面形貌存在結(jié)構(gòu)性差異。正確選用評(píng)定參數(shù)對(duì)定量表征加工表面質(zhì)量，從而進(jìn)一步指導(dǎo)加工工藝的改進(jìn)具有重要意義[6]。在不考慮機(jī)床及刀具本身剛性的情況下，切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度有很大的影響[7]。由于加工表面的粗糙程度較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維輪廓已不能全面表征出表面質(zhì)量。因此，將三維參數(shù)用于評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)表面質(zhì)量備受學(xué)者們關(guān)注[6，8-9]。李晟等[6]通過隨機(jī)森林算法，篩選出用于評(píng)定鈦材加工表面質(zhì)量的參數(shù)集，發(fā)現(xiàn)由算術(shù)平均高度、方均根高度及偏斜度組成的參數(shù)集具有表征表面質(zhì)量的最高重要性，并可精準(zhǔn)區(qū)分不同加工表面。李文琴等[8]提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)度的三維表征表面粗糙度檢測(cè)指標(biāo)，并用該檢測(cè)指標(biāo)驗(yàn)證了最優(yōu)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度和表面異常特征最小化的目的。安琪等[9]對(duì)實(shí)測(cè)車削表面形貌的采集信號(hào)進(jìn)行頻譜分析處理，提出了一種基于少量參數(shù)的車削表面形貌的仿真方法，并且得到了加工過程中各影響參數(shù)對(duì)表面形貌形成的影響規(guī)律。

三維參數(shù)表征具有更明確的表征指標(biāo)，然而，除了表面粗糙度的預(yù)測(cè)方法不同之外，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性更需要與實(shí)際加工過程相對(duì)應(yīng)。因此，本文通過研究航空鋁合金高速銑削加工中主軸轉(zhuǎn)速、銑削進(jìn)給速度、徑向銑削深度等切削參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響，采用灰度分析和分形維數(shù)作為表征表面粗糙度的一種新方法，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證，目的在于為優(yōu)化高速側(cè)銑加工工藝提供有力的參考依據(jù)。

1 高速側(cè)銑航空鋁合金7050-T7451實(shí)驗(yàn)

1.1 材料選擇

本文選擇的航空鋁合金為7050-T7451，用于板材類零件，在航空制造中常用于飛機(jī)機(jī)翼以及飛機(jī)大梁材料。7050-T7451材料的組成成分及力學(xué)性能如表1、表2所示[10-11]。

表1 7050-T7451鋁合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表2 7系鋁合金力學(xué)性能

1.2 銑削參數(shù)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用VC-4016G龍門銑機(jī)床，加工刀具為φ16R0和φ10R1兩種硬質(zhì)合金刀。主要切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速、徑向切深和銑削進(jìn)給速度。銑削方式為：順銑和逆銑。本文主要研究表3中的加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量及微觀組織的影響規(guī)律。

表3 側(cè)銑加工參數(shù)

切削進(jìn)給方向如圖1所示。高速銑削前、后零件表面外觀如圖2所示。

圖1 切削進(jìn)給方向

圖2 7050-T7451鋁合金零件

表面粗糙度測(cè)量采用TIME3221便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)x。為了減小誤差，每個(gè)試樣的表面粗糙度取3次測(cè)量的平均值。儀器參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 儀器測(cè)量參數(shù)

采用WMJ-9635金相顯微鏡觀察7050-T7451鋁合金表面微觀形貌，并和模擬表面形貌進(jìn)行對(duì)比。

2 單一銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

試樣除主軸轉(zhuǎn)速不同外，其余加工參數(shù)均相同，具體參數(shù)如表5所示。試樣表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

表5 側(cè)銑加工參數(shù)

圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速表面粗糙度對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，表面粗糙度和主軸轉(zhuǎn)速增加并沒有直接關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到9 000 r/min時(shí)，表面粗糙度最低，為0.169μm。隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，表面粗糙度僅略微升高。分析可能由以下原因造成：1)在高速切削中，機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，切削產(chǎn)生大量熱量，但大部分由切屑帶走，所以傳遞給加工表面的熱量并不多，導(dǎo)致切削表面的溫升并不是很大；2)高速切削時(shí)的塑性變形很小，使得加工表面的缺陷減少；3)隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增高，引起的刀具振動(dòng)也逐漸劇烈，刀具磨損加速，從而導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速升高到一定數(shù)值后，表面粗糙度僅略微增高。并且，從圖3可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，不論是順銑或逆銑，其變化趨勢(shì)均相同，均呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，在9 000 r/min時(shí)為最低值，且順銑的表面粗糙度總體較逆銑更低。參照金屬切削原理，在機(jī)床特征和刀具幾何參數(shù)確定的前提條件下，切削力與切削參數(shù)之間經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式為[12]

Fθ=CFθvxFθapyFθf(wàn)mFθawnFθd

(1)

式中：CFθ和加工材料、切削條件相關(guān)，工件為7050-T7451鋁合金，刀具材料為合金鋼；ap為銑削深度；v為銑削進(jìn)給速度；f為進(jìn)給量；aw為銑削寬度；d為刀具直徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)，可計(jì)算出x、y、z向切削力，由于y向計(jì)算值平均誤差最小[13]，故本文主要對(duì)比y方向切削力Fy，下同。經(jīng)計(jì)算，切削力分別為75.42N、50.71 N、38.26 N，表明隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力逐漸減小。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，主軸轉(zhuǎn)速使切削熱、刀具振動(dòng)以及塑性變形等影響因素增多，切削力增加不一定會(huì)降低表面粗糙度值。

2.2 徑向銑削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響

試樣除徑向切削深度不同外，其余加工參數(shù)均相同，側(cè)銑加工參數(shù)見表6。測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

表6 側(cè)銑加工參數(shù)

圖4 不同徑向銑削深度表面粗糙度

由圖4分析可知，表面粗糙度隨徑向切深的增大而增加，當(dāng)徑向切深為0.5mm時(shí)，表面粗糙度最低。由于主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，徑向切深增加，切削面積增大，導(dǎo)致切削力增加，經(jīng)計(jì)算可知切削力分別為20.24N、38.26N、72.35N，同時(shí)刀具振動(dòng)變大，故而導(dǎo)致工件表面粗糙度增加。

2.3 銑削進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

試樣除銑削加工速度不同外，其余加工參數(shù)均相同，側(cè)銑加工參數(shù)如表7所示。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

表7 側(cè)銑加工參數(shù)

圖5 不同銑削進(jìn)給速度表面粗糙度

由圖5分析可知，隨著銑削進(jìn)給速度的增加，無(wú)論逆銑或順銑，表面粗糙度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。整體來(lái)說順銑更低。在1 150m/min時(shí)，工件表面最為平滑。切削力經(jīng)式(1)計(jì)算分別為51.65N、48.24N、44.76N。分析主要是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的振動(dòng)加劇，引起刀具振動(dòng)，然而銑削進(jìn)給速度過大時(shí)也會(huì)導(dǎo)致刀具的溫度增加，造成切削變形。因此隨著切削速度增加，切削力雖有略微下降，但是仍然造成粗糙度略微增加。

2.4 刀具對(duì)表面粗糙度的影響

本小節(jié)主要探討刀具對(duì)表面粗糙度的影響。側(cè)銑刀具均為硬質(zhì)合金刀，直徑分別為φ16R0和φ10R1。加工參數(shù)如表6所示，加工方式為順銑。

由圖6可知，當(dāng)徑向切深<1mm時(shí)，兩種刀具加工出的表面粗糙度基本一致。然而，當(dāng)切削深度達(dá)到2mm時(shí)，φ16刀具加工的表面粗糙度明顯低于φ10，經(jīng)計(jì)算切削力如表8所示。

圖6 φ16R0和φ10R1順銑不同徑向切深表面粗糙度對(duì)比

表8 φ16及φ10切削力比較

從表8可知，φ16刀具的切削力明顯高于φ10，表明φ16刀具有更大的切削力以及切削強(qiáng)度，同時(shí)隨著徑向切深的明顯增加，φ16刀具加工出的表面粗糙度更低。

3 表面粗糙度與表面形貌的關(guān)系

根據(jù)前面的分析可知，順銑加工表面粗糙度優(yōu)于逆銑。這是由于順銑加工作用在工件上的垂直切削分力總是壓在工件上，有利于工件的緊固，不容易引起振動(dòng)；而逆銑加工則恰恰相反，不利于工件的緊固，容易引起振動(dòng)。同時(shí)在逆銑時(shí)，每個(gè)切削刃的切削厚度是從零逐漸增加至最大，而且切削刃并不是絕對(duì)鋒利，因此在銑削過程中容易在工件表面上產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而影響表面粗糙度。

研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，基于工程粗糙表面的微觀形貌具有統(tǒng)計(jì)自相似分形的特征，分形幾何學(xué)也可運(yùn)用于金屬材料表面的形貌研究[14]。同時(shí)，粗糙表面的分形參數(shù)與加工條件密切相關(guān)。

為了進(jìn)一步討論表面粗糙度和表面形貌的關(guān)系，將順銑和逆銑后工件的原始表面拍攝微觀照片，如圖7所示。

圖7 逆銑和順銑表面微觀形貌

由圖7(a)、圖7(b)分析可知，逆銑工件的表面波紋歪曲，波紋寬度約500μm，并且波紋間有明顯凸起的棱邊；而順銑工件的表面波紋較平直，間隔明顯變窄，平均寬度約89.5μm。從圖7(c)、圖7(d)可知，順銑工件的晶粒組織分布更加均勻、整齊，并且其中黑色的彌散相分布也更加均勻和統(tǒng)一。表明順銑加工出的工件微觀組織更好。

圖8展示出了逆銑和順銑的圖像灰度。從圖中可以看出，逆銑加工的表面尖峰有明顯的高低差異，在整個(gè)平面上某些固定間距的位置峰值明顯偏高，而其余位置由于峰谷較低所以未顯示出明顯粗糙表面。而順銑加工的表面，表面峰尖基本處于同一位置，表明整個(gè)表面粗糙情況基本一致，并且整體峰值偏低，故而說明順銑加工表面粗糙度更低。

圖8 逆銑及順銑加工表面圖像灰度值及盒維數(shù)

為了進(jìn)一步說明表面粗糙的程度，對(duì)順銑及逆銑圖像進(jìn)行灰度分析，即：把圖像放在在xOy平面上，像素的灰度值作為z軸上的值?；叶戎的軌蝮w現(xiàn)出加工表面的粗糙情況，不過曲面的復(fù)雜程度仍未能體現(xiàn)出來(lái)，由于這些灰度峰體現(xiàn)出分形結(jié)構(gòu)的自相似性，因此可以采用分形維數(shù)來(lái)衡量圖像灰度的復(fù)雜程度，也就是圖像灰度曲面的復(fù)雜性分形維數(shù)越高代表曲面越復(fù)雜，圖像也越粗糙。公式(2)為分形維數(shù)的計(jì)算公式[15]。

(2)

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞主軸轉(zhuǎn)速、徑向銑削深度、銑削進(jìn)給速度以及刀具參數(shù)、加工方式等切削參數(shù)分析了不同參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并對(duì)比了順銑和逆銑加工件的表面形貌及表面灰度。主要結(jié)論如下：

1)表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，主軸轉(zhuǎn)速為9 000 r/min時(shí)，Ra最低為0.169μm；表面粗糙度隨徑向切深的增加而降低，切深0.5mm時(shí)，Ra最低為0.155μm；隨著切削進(jìn)給速度的增加，切削力的波動(dòng)造成表面粗糙度變化趨勢(shì)不穩(wěn)定，進(jìn)給速度為1 150m/min時(shí)，Ra最低，為0.17μm；

2)僅考慮刀具時(shí)，φ16刀具的切削力明顯高于φ10的，且切削強(qiáng)度和徑向切深更大，切深1.0mm以下時(shí)兩者表面粗糙度基本一致，切深2.0mm時(shí)φ16加工表面粗糙度最低，為0.401μm；

3)通過對(duì)被加工件表面形貌和表面灰度的分析可知，逆銑和順銑的分形維數(shù)分別為2.440 7和2.417 5，即逆銑加工的曲面更為復(fù)雜，順銑表面更平滑，其結(jié)論和表面粗糙度的實(shí)測(cè)值完全一致。