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切削参数对微铣毛刺尺寸影响的试验研究

以铝合金A16061-T6为研究对象,采用单因素试验方法,利用MIKRONUCP800五轴联动加工中心进行了微铣槽试验,研究了主轴转速、切削深度和进给速度对顶部毛刺尺寸的影响,初步揭示了上述切削参数对顶部毛刺尺寸的影响规律,为主动控制微铣加工过程中的毛刺尺寸提供依据。

金属切削毛刺的尺寸和形状直接影响工件的尺寸和形位精度,甚至影响其使用性能和寿命等。相关文献指出,精密零部件的后续去毛刺难以实现自动化,且已经成为生产线加工中的一个瓶颈。相关文献将加工后的毛刺划分为四种不同类型:泊松型、翻卷型、撕裂型和切断型,并从理论上解释了毛刺形成的机理。相关文献基于车削加工中毛刺形成的数学—力学模型提出了一次毛刺和二次毛刺的形态转换条件,认为工件端部材料的塑性剪切滑移和弯曲变形是形成该过程毛刺的主要原因。相关文献在奥氏体不锈钢X5CrNi18-10上进行微铣槽试验,研究了切削参数、刀具几何形状、润滑方式和铣削方式等对毛刺形成的影响,揭示出其对微铣槽后顶部毛刺尺寸的影响规律。相关文献使用扫描电子显微镜(SEM)对毛刺形成机理进行了研究,发现当切削刀具接近工件的端部时,伴随着负剪切角和塑性铰链的出现而形成了负剪切变形区域,该区域的塑性弯曲和剪切的综合作用最终导致毛刺的形成。相关文献以微细铣削铅黄铜为研究内容,采用灰色理论和累加生成算法,建立了能够预测微铣削中毛刺尺寸的模型,实现了对微铣削中毛刺尺寸的主动控制目的。为研究微细毛刺,相关文献分别建立了棱锥体和棱柱体的加工模型,分析了切出方向毛刺和顶部毛刺的形成机理以及工件端部材料的断裂对毛刺尺寸的影响。相关文献综合考虑微铣加工过程中刀具的余摆线轨迹以及刀具安装误差和主轴旋转时的跳动误差,推导出了能够适用于任意齿数铣刀的瞬时切削层厚度的数学公式。

上述文献虽然从多个角度对微细铣削加工过程中的毛刺问题进行了研究,然而对于其中涉及到的切削参数以何种方式影响顶部毛刺尺寸问题,并没有统一而明确的结论,因此有必要对该问题进一步深入研究。

1、试验条件和方法

1.1 试验设备

在MIKRON UCP800五轴联动高速加工中心上进行微铣削试验。机床主轴最高转速20000r/min,X、Y、Z三个方向的行程分别为800mm、650mm、500mm。微铣刀选用细晶粒硬质合金材料,型号为GM-2ES-D0.5,螺旋角30°,前角10°,后角5°,刃部直径0.5mm,切削刃圆弧半径3μm。为避免工件表面氧化层对测量结果造成干扰,提前对试验表面精铣。测量仪器为OLYMPUS光学显微镜,取稳定铣削状态下棱边毛刺高度的最大值作为测量值。图1和图2分别为试验中用到的微铣刀以及测量仪器与设备。

1.2 试验方案

首先设定一组基准参数值,采用单因素试验方法,研究毛刺高度值在不同切削参数条件下的变化规律。试验中切削参数的设定如表1所示。

2、试验结果与分析

2.1 试验结果

图3为微铣削加工后的Al6061-T6铝合金件,微铣槽底部显微放大后的效果如图4所示。

图3 微铣削后工件

图4 顶部毛刺显微图

图5 主轴转速对顶部毛刺高度的影响

2.2 主轴转速对毛刺尺寸的影响

图5为铣削深度40μm、每齿进给量4μm时槽顶部毛刺高度尺寸值随主轴转速的变化趋势。

由图5可以看出,随着主轴转速提高,顶部毛刺高度尺寸整体呈现增大的趋势。在7500r/min-10500r/min范围时,毛刺尺寸增加趋势并不明显。主要原因是增加主轴转速,相同时间内会导致材料的切除率增加。由于微铣刀容屑槽小,若被切除的材料不能及时排出,会在槽两侧顶部被推挤而卷曲最终形成顶部毛刺。同时,切削速度的增加会使被切除材料的变形速度加快,刀具与工件材料的接触时间缩短,致使铣削力下降,被切削材料的变形量减小,因此综合作用下该范围内高度值的增加趋势不明显。随着转速继续提高,材料的切除率快速增加并占据了主导地位,使顶部毛刺尺寸增加趋势较前阶段更明显。

2.3 进给速度对毛刺尺寸的影响

图6为主轴转速10500r/min、铣削深度40μm时顶部毛刺高度尺寸随进给速度的变化趋势图。

结合图6可以看到,进给速度为最小值时,铣削层厚度接近极限切削厚度,这种情形下刀具的切削和耕犁同时作用于加工表面。切削层材料受铣刀前刀面的挤压作用而向前流动,前刀面出现材料堆积现象,此时便会产生尺寸较大的毛刺高度值;超过临界铣削厚度时,耕犁作用不再起主导地位,顶部毛刺高度值减小;随着进给量继续升高,切削厚度增大,毛刺高度也会相应增加。由于铣刀的切削刃随铣削加工过程的进行发生磨损,在其和耕犁效应的综合作用下,顶部毛刺尺寸会呈现进一步增加的趋势。

图7 铣削深度对顶部毛刺高度的影响

2.4 铣削深度对毛刺尺寸的影响

图7为每齿进给量4μm、主轴转速10500r/min的条件下微铣槽顶部毛刺尺寸值随切削深度的变化趋势。

由图7得知,顶部毛刺尺寸对轴向铣削深度的变化较敏感。铣削深度的增加使得相同时间内被去除材料的体积增加,工件与铣刀之间的接触面积增加,从而使得两者间的摩擦力和铣刀刀齿的磨损量相应增加,引起微铣加工中的尺寸效应。铣削深度进一步增加时,受限于自身的几何尺寸,当容屑槽不能容纳大量的切屑,在未变形切屑的推挤作用下,导致了较厚的切屑产生,诸个因素综合作用使得毛刺向上卷曲而成为翻卷状毛刺,出现如图所示的顶部毛刺尺寸随切削深度的增加而呈现不断上升的趋势。同时,随着加工过程的进行,铣刀切削刃的磨损量变大,切削刃变钝,致使逆铣侧顶部毛刺高度尺寸大于顺铣侧顶部毛刺高度尺寸。

2.5 刃圆半径对毛刺尺寸的影响

与常规铣削加工过程相比而言,微细铣削中微铣刀切削刃的磨损量、每齿进给量以及切削深度大致处于同一数量级,切削刃圆弧半径不仅对铣削后的切屑形状、已加工工件的表面质量以及尺寸精度产生重要的影响,对顶部毛刺尺寸的影响也十分显著。

图8为三把不同磨损量的铣刀切削刃显微放大图及其所对应的微铣槽顶部毛刺的显微放大图。图中对应的切削参数为:主轴转速10500r/min,每齿进给量4μm,切削深度40μm。

(a)1号铣刀

(b)顶部毛刺

(c)2号铣刀

(d)顶部毛刺

(e)3号铣刀

(f)顶部毛刺

图8 不同磨损程度铣刀及对应毛刺显微图

图8a、图8c、图8e分别为1、2、3号刀具,其切削刃磨损量依次增大。由图8b、图8d、图8f可以看出,在相同的切削条件下,不同切削刃磨损量的微铣刀加工后的微槽顶部毛刺尺寸和形状会有明显差异。1号刀具最锋利,其微铣加工后的槽顶部毛刺不仅尺寸最小而且形状规则,分布均匀;2号刀具切削刃有轻微的磨损,微铣加工后顶部毛刺尺寸相对增加,形状不规则而且毛刺的分布不均匀;3号铣刀切削刃磨损后的圆弧半径最大,该铣刀加工出来的微槽顶部毛刺尺寸最大,形状最不规则,位置分布凌乱对后续的去毛刺处理造成干扰。

3、小结

通过微铣槽试验,分析了切削参数对毛刺高度尺寸影响的基本规律,结论如下:

1.当主轴转速在7500r/min-10500r/min范围内增加时,顶部毛刺尺寸略微增加;超出10500r/min转速时,顶部毛刺尺寸增加的趋势十分显著。同时,存在使顶部毛刺尺寸最小化的临界切削速度值。

2.随着进给速度的增加,微铣槽的顶部毛刺尺寸整体呈现增大的趋势;存在临界进给速度值1μm/z,使得此时的顶部毛刺尺寸数值最小;进给量由1μm/z增加至2μm/z时,顶部毛刺尺寸的增加量十分明显。

3.铣削深度对顶部毛刺尺寸的影响较为明显,随着铣削深度的增大,顶部毛刺尺寸明显增加。因此,在满足生产效率的前提下,应该选用较小的铣削深度以实现主动控制毛刺尺寸的目的。通过合理地选择切削用量以及规划刀具路径,可以达到主动控制和有效减小毛刺尺寸的目的,从而提高工件的加工质量,实现经济效益的最大化。此外,试验未考虑主轴转速、切削深度、进给量和切削刃圆弧半径之间的交互作用。刀具几何尺寸、刀具材料以及工件材料和刀具铣削路径均有可能影响微铣毛刺尺寸,仍需进一步深入研究。


来源:全球数控刀具网


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