高速銑削鋁合金葉片表面質(zhì)量的試驗研究

1、2007年第41卷l1221高速銑削鋁合金葉片表面質(zhì)量的試驗研究*張樹森1 劉世成1 布光斌2 馮明軍3遼寧工程技術(shù)大學(xué)2南京航空航天大學(xué)3黑龍江科技學(xué)院摘 要:使用硬質(zhì)合金球頭銑刀對鋁合金葉輪葉片進(jìn)行了高速銑削試驗。研究了切削速度和進(jìn)給量對加工表面粗糙度的影響。試驗結(jié)果表明:在高速加工中,每齒進(jìn)給量比銑削行距對加工表面質(zhì)量的影響更大;提高切削速度和減少每齒進(jìn)給量有利于降低加工表面粗糙度。但當(dāng)切削速度超過某一范圍后,進(jìn)一步提高速度對降低表面粗糙度的作用并不明顯;每齒進(jìn)給量減小到一定范圍后,表面粗糙度反而會有所增加;對于鋁合金葉片曲面的加工,合理選擇切削速度、進(jìn)給量和行距可獲得較低的表面粗糙度值

2、和較高的加工效率。關(guān)鍵詞:鋁合金, 葉片, 高速銑削, 表面粗糙度, 切削速度, 進(jìn)給量, 行距ExperimentalResearchonSurfaceRoughnessofAluminumAlloyBladeinHSMZhangShushen LiuShicheng BuGuangbin etalAbstract:AHSMtestforaluminumalloyimpeller.sbladewithcarbideball-endcutterwascarriedout.Theinfluenceofcuttingspeedandfeedrateonthesurfaceroughnessofma

3、chinedbladewasinvestigated.Theexperimentresultsshowthatthein-fluenceoffeedpertoothonsurfacequalityislargerthanthatofpath-intervalinthehigh-speedmachining;thehighqualitysur-facecanbeobtainedeasilybyincreasingthecuttingspeedanddecreasingthefeedengagement;butoncethecuttingspeedexcessacriticalrange,thed

4、ecreaseofsurfaceroughnessasincreasingofcuttingspeedwasnotobvious;whilethefeedengagementde-creasedtoaverysmallvalue,theroughnessincreasedalittle.ItisexpectedthatthelowersurfaceroughnessandhighermachiningefficiencycanbeobtainedbyselectingtheappropriatecuttingspeedandfeedrateinHSMforaluminumalloyblades

5、.Keywords:aluminumalloy,blade,highspeedmilling(HSM),surfaceroughness,cuttingspeed,feedrate,path-interval1 概述高速(超高速)切削加工是一種熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場制造工藝1。作為一種先進(jìn)加工技術(shù),高速(超高速)切削給傳統(tǒng)的金屬切削理論及加工方式帶來了深刻變化,其技術(shù)研究近十年來在國內(nèi)外均取得了較大進(jìn)展。如今,高速切削作為終加工工序已在模具制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用高速切削技術(shù)時,加工表面質(zhì)量分析與控制是需要解決的一個重要問題。刀具材料與工件材料的匹配以及切削速度、進(jìn)給量、銑削行距等切削

6、參數(shù)對加工表面質(zhì)量都有重要影響。表面粗糙度是衡量加工表面質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo),它對工件的使用性能(如接觸剛度、密封性、耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強(qiáng)度等4)影響很大。例如,壓氣機(jī)葉輪葉片的表面粗糙度將直接影響氣流的進(jìn)出,從而影響壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的工作效率。本文通過對鋁合金(2A70)葉輪葉片的高速銑削加工試驗,研究了切削速度、進(jìn)給量等切削參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響,并優(yōu)選出可獲得高質(zhì)量加工表面的工藝參數(shù)。*2 高速銑削加工表面質(zhì)量的影響因素(1)高速切削理論基礎(chǔ)高速切削理論是1931年4月由德國切削物理學(xué)家Carl.J.Salomon博士提出的,他給出了著名的薩洛蒙曲線(切削溫度與切削速度關(guān)系曲線)。如圖1所

7、示,在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)(圖1中的A區(qū)),切削溫度隨切削速度的提高而升高。對于每一種工件材料,都存在一個速度范圍,在該范圍內(nèi),由于切削溫度過高,刀具材料無法承受,使切削加工無法進(jìn)行,該區(qū)被稱為/死谷0(圖1中的B區(qū))。但當(dāng)切削速度提高到某一定值后,切削溫度不但不再升高,反而有所降低,且該切削速度與工件材料種類有關(guān)。如能越過/死谷0,在高速區(qū)(圖1中C區(qū))進(jìn)行切削,切削溫度與常規(guī)切削基本相同,而高速切削可以大2,3黑龍江省振興老工業(yè)基地教育廳重點資助項目(項目編號:1151gzd20)收稿日期:2007年5月圖1 薩洛蒙曲線22幅度提高生產(chǎn)率。通過試驗發(fā)現(xiàn),切削力也遵循類似規(guī)律。雖然由于條件所限

8、,高速切削的理念在當(dāng)時無法付諸實踐,但它卻給后人非常重要的啟示。目前國內(nèi)外對高速切削的研究仍是基于Salomon博士當(dāng)年的基本理念。(2)高速切削對加工表面粗糙度的影響高速切削不僅能大幅度提高單位時間的材料切除率,而且當(dāng)切削速度達(dá)到相當(dāng)高的區(qū)域時,由于切削力下降,工件溫升和熱變形較小,可使工件獲得較低的表面粗糙度5。(3)進(jìn)給量和銑削行距對表面粗糙度的影響進(jìn)給量對加工效率影響很大,在切削速度一定的情況下,加工效率與每齒進(jìn)給量成正比。對于球頭銑刀而言,每齒進(jìn)給量和銑削行距將直接影響平面加工的工件表面殘留高度(見圖2)。從理論上講,減小每齒進(jìn)給量和銑削行距可以減小殘留高度,使表面粗糙度值降低。但考

9、慮到加工效率的需要,必須合理選擇進(jìn)給量和行距。工具技術(shù)工況條件:車間溫度23e,相對濕度52%55%,機(jī)床經(jīng)過空轉(zhuǎn)預(yù)熱,試驗過程中采用變壓器油作為切削液進(jìn)行冷卻和潤滑。切削前后刀具表面完整,均處于正常磨損區(qū)。(2)試驗方法本試驗主要考察:切削速度對表面粗糙度的影響;每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響。根據(jù)被加工鋁合金葉輪葉片在PowerSHAPE中的數(shù)模(見圖3),使用PowerMILL軟件編制4軸數(shù)控加工程序,控制刀軸指向Y軸直線方向。根據(jù)試驗要求,改變程序中的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度,獲得所需加工參數(shù)。分別按進(jìn)給速度不變和每齒進(jìn)給量不變的條件進(jìn)行高速銑削試驗。在試驗過程中,保持恒定的切深(ap=1.1

10、mm)及行距(p=0.3mm)。圖3 葉片在PowerSHAPE中的數(shù)模圖2 每齒進(jìn)給量和銑削行距產(chǎn)生的殘留高度4 試驗結(jié)果與分析(1)切削速度對表面粗糙度的影響根據(jù)圖4所示試驗結(jié)果可以看出,隨著切削速度的增加,表面粗糙度明顯降低。這是因為鋁合金在200m/min的切削速度下達(dá)到薩洛蒙曲線的最高點,此時切削溫度最高,金屬的斷裂強(qiáng)度也達(dá)到最低水平,但此時金屬流動性較強(qiáng),很容易形成塑性變形,因此此時的表面粗糙度并未達(dá)到最低水平。超過該切削速度后,薩洛蒙曲線以較大斜率下降,由于切削溫度下降較快,切削溫度對切屑形成的影響降低,切削速度成為影響切削的主要因素。較高的切削速度導(dǎo)致被切削金屬層快速發(fā)生變形和

11、斷裂,這種變形和斷裂在金屬表層的傳播時間很短,尚未來得及影響或剛剛開始影響待成型表面時,切屑就已經(jīng)與基體材料脫離。此時已加工表面很少發(fā)生剪切滑移和晶格畸變,因此表面粗糙度明顯下降。但是,當(dāng)切削速度提高到一定程度后,表面粗糙度將會呈現(xiàn)一種穩(wěn)定狀態(tài)(圖4中的A區(qū)),此時薩洛蒙曲線也是一種平直狀態(tài),即切削溫度、切削力對表面粗糙度的影響呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在圖4a中,由于總的進(jìn)給速度不變,隨著切削據(jù)文獻(xiàn)6介紹,在高速切削加工中,每齒進(jìn)給量fz對殘留高度的影響遠(yuǎn)大于銑削行距P。用球頭銑刀高速加工試件(材料為銅)平面時,每齒進(jìn)給量產(chǎn)生的殘留高度是同等行距產(chǎn)生殘留高度的34倍。因此,為使進(jìn)給方向與切削方向的

12、殘留高度值相同,必須合理選擇每齒進(jìn)給量和行距。 3 試驗條件與方法(1)試驗條件高速銑削試驗在瑞士Mikron600U數(shù)控五軸加工中心上進(jìn)行,該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)42000r/min,進(jìn)給速度最高40m/min,可進(jìn)行超高速切削。刀具采用30F硬質(zhì)合金棒磨制的4刃球頭立銑刀,球頭半徑R5mm,螺旋角40b,刃長13mm,刀長32mm,全長119.6mm。該刀具材料具有較好的強(qiáng)度、韌性和抗熱沖擊性能。該刀具已加工了幾件葉輪,正處于穩(wěn)定磨損區(qū),可用于高速切削。表面粗糙度測量采用日本三豐的SJ-201表面粗糙度測試儀;用日本奧林巴斯顯微鏡觀察刀具磨2007年第41卷l1223(2)每齒進(jìn)給量對表面

13、粗糙度的影響根據(jù)圖6所示試驗結(jié)果可以看出,圖6a中A區(qū)和圖6b都反映出表面粗糙度隨fz的減小而有減小趨勢。fz的減小使進(jìn)給方向的表面殘留高度減小,因此會使表面粗糙度降低。在圖6a中,B區(qū)內(nèi)01022fz0104這一區(qū)間的表面粗糙度值相對穩(wěn)定,說明此區(qū)域內(nèi)的切削相對平穩(wěn),fz的改變對切削過程影響最小,因此推薦切削在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)每齒進(jìn)給量減小到0102mm附近時,表面粗糙度值最小,而再進(jìn)一步減小每齒進(jìn)給量,表面粗糙度值反而有所增大。這說明對于試驗采用的刀具來說,fz=0102mm是一個分界點,當(dāng)fz0102mm時(圖中的C區(qū)),受刀具鋒利程度的限制,表面粗糙度值不可能繼續(xù)下降。任何刀具的刃口圓

14、弧半徑都不可能為零,因此每把刀具都存在一個加工能力極限,達(dá)到該極限后,要想獲得更高的加工表面質(zhì)量,就必須選擇更鋒利的刀具。(a)進(jìn)給速度不變(F=2100mm/min)(b)每齒進(jìn)給量不變(fz=0.05mm/齒)圖4 切削速度對表面粗糙度的影響速度的提高,每齒進(jìn)給量減小。因此圖4a比圖4b的下降斜率更大。同時,圖4a中B區(qū)的出現(xiàn)也是由于每齒進(jìn)給量的急速減小。但當(dāng)每齒進(jìn)給量減小到一定程度后,再近一步降低時表面粗糙度反而出現(xiàn)上升趨勢。這就表明,在這種情況下(圖4a的C區(qū)),單純提高加工速度和降低每齒進(jìn)給量,并不能達(dá)到提高加工表面質(zhì)量的目的。圖5為在每齒進(jìn)給量(fz=0.05mm/齒)保持不變時高

15、速銑削4個葉片的表面形貌圖(圖4b中A區(qū)的四個點)?？梢钥闯?在此加工狀態(tài)下,進(jìn)給方向和行距方向均較平穩(wěn),但每齒進(jìn)給量對表面殘留高度的影響仍然較大。(a)主軸轉(zhuǎn)速改變(F=2100mm/min)(b)主軸轉(zhuǎn)速不變(n=22000r/min)(a)434m/min (b)565m/min圖6 每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響(c)691m/min (c)1068m/min圖(f=0.05mm/齒)據(jù)文獻(xiàn)7介紹,剛?cè)心ズ玫挠操|(zhì)合金球頭銑刀的刃口圓弧半徑一般在0.0050.015mm左右。刀具經(jīng)過一段時間使用磨損后,估計刃口圓弧半徑在0.020.03mm左右。切削鋁合金時,最小切削厚度為刀具刃口圓弧半徑

16、的0.30.6倍8。因此,本試驗所用刀具的最小切削厚度在0.0060.018mm之間。切削試驗中,最小每齒進(jìn)給量達(dá)到0.0154mm(圖6a中的C區(qū)),處于最小切削厚度范圍之內(nèi),此,24磨擦待加工表面。待加工表面經(jīng)過這種擠壓會產(chǎn)生一定的塑性變形,此時表層金屬的硬度會提高。接下來,下一個切削刃轉(zhuǎn)到切削位置,此時該切削刃的實際切削厚度增大,超過了最小切削厚度,可以產(chǎn)生切屑。由于表層金屬經(jīng)過擠壓磨擦而硬化,使表面組織結(jié)構(gòu)受到破壞,導(dǎo)致表面粗糙度值有所增大。據(jù)文獻(xiàn)3介紹,在高速切削加工中,一般每齒進(jìn)給量產(chǎn)生的表面殘留高度約為同等行距產(chǎn)生殘留高度的34倍。但由于本試驗采用四軸加工,受切削刀具傾角的影響,

17、相對于葉片曲面的傾角大約為13b,所以此時每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響仍大于行距P(0.3mm)的影響,即每齒進(jìn)給量在0.040.08mm范圍內(nèi)仍是產(chǎn)生殘留高度的主要因素。據(jù)推斷,當(dāng)每齒進(jìn)給量在0.020.04mm范圍內(nèi)時,其影響與行距P的影響相當(dāng)。由圖7所示的葉片表面形貌可觀察到,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為22000r/min時,每齒進(jìn)給量約為0.02mm時(圖7c)加工出的表面質(zhì)量較好。故綜合推薦優(yōu)化加工參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)數(shù)n=22000r/min,每齒進(jìn)給量fz=0.020.04mm,以獲得最好加工效果。工具技術(shù)5 結(jié)論本文研究了在高速銑削狀態(tài)下選取不同切削參數(shù)加工鋁合金葉片時表面粗糙度的變化情況。試驗結(jié)

18、果表明:(1)切削速度和進(jìn)給量對表面粗糙度都有很大影響,加工時需要進(jìn)行合理的參數(shù)匹配。(2)切削速度的提高有利于改善加工表面粗糙度,但當(dāng)超過一定范圍后,進(jìn)一步提高切削速度對降低表面粗糙度的作用并不明顯。(3)在高速加工中,每齒進(jìn)給量對表面粗糙度有很大影響。在一定范圍內(nèi),減小每齒進(jìn)給量有利于提高表面粗糙度;但超過該范圍后,繼續(xù)減小進(jìn)給量反而會使表面粗糙度有一定增加。(4)為了兼顧加工質(zhì)量與加工效率,每齒進(jìn)給量與銑削行距應(yīng)合理匹配。在鋁合金葉輪葉片曲面的銑削加工中,選取切削速度700900m/min,每齒進(jìn)給量0.020.04mm時可獲得較低的表面粗糙度值和較高的加工效率。本研究的結(jié)果對于葉片類曲面高速銑削參數(shù)的優(yōu)選具有一定指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1 艾 興,趙 軍,劉戰(zhàn)強(qiáng)等.高速切削摩擦學(xué)的研究及發(fā)展.高速切削會議論文,20052 王西彬,解麗靜.超高速切削技術(shù)及其新進(jìn)展.中國機(jī)(a)0