ICF微靶零件微銑削毛刺實驗研究

張海軍 黃燕華 袁光輝 陶 洋 劉 峰

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽 621900）

金屬切削毛刺是切屑與工件分離的過程中，部分殘留在工件的邊、角或已加工表面上，由于塑性變形所產生的微小突出物［1－2］。毛刺的存在會影響零件的配合，降低工件的尺寸精度，影響零件的使用性能。因此，通常都需要特殊的去毛刺工藝過程來除去毛刺，使零件精度滿足公差要求。盡管現在對于傳統的切削過程產生的毛刺，學者們提出了很多去除毛刺的方法，并應用到了實際加工中。但是，在微細加工過程中，由于零件的特征尺寸很小，很難去除毛刺。更重要的是，傳統的去除毛刺方法會引入尺寸誤差和殘余應力，嚴重損壞微小零件的精度。因此，對于微小零件來說，首要的問題是抑制毛刺的產生。

在微銑削過程中，毛刺的大小與工件材料、刀具參數、加工參數和加工路徑有直接的關系。國內外眾多學者對此進行了深入的研究［3－8］。Lee等人通過實驗研究了微銑削鋁和銅時產生的毛刺。實驗中觀察到了順銑側面切入毛刺、槽側面頂端毛刺、槽底面切出毛刺和逆銑側面切出毛刺，且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進給量的增大而增大［9］。德國的 Schmidt等人［10］發現當每齒進給量為0.15 μm時，出現了毫米級的毛刺，但在大多數情況下毛刺的高度在5～6 μm。此外還發現順銑一側的毛刺較大，硬材料的毛刺比軟材料的毛刺大;隨著刀具的磨損，毛刺會變大，尤其在逆銑一側;隨著切削速度的提高，毛刺略有減小。Kishimoto等［11］對在端面銑削過程中刀具切出邊形成翻轉毛刺的形式進行研究，引入了主要毛刺（Primary burr）和次要毛刺（Secondary burr）這種術語來分別區分在棱上形成的大毛刺和小毛刺，并得出了便于形成次毛刺的切削條件及刀具幾何形狀。Nakayama和Arai［12］根據不同切削刃作用下所產生的毛刺及毛刺形成的方式和方向將毛刺分為切入毛刺、側向毛刺、切出毛刺和翻轉毛刺。國內，孫雅洲采用微型平頭立銑刀對鍛鋁6061進行微細立銑溝槽實驗，得出背吃刀量和進給量增大時，毛刺尺寸增大;切削刃鈍圓半徑越大，最終形成的毛刺尺寸越大［13］。

本文將通過實驗的方法，研究切削速度和每齒進給量，以及每齒進給量與刀具刃口半徑比值對毛刺的影響，并根據實驗結果加工出了無毛刺微靶零件。

1 實驗設計

盡管在微細銑削過程中，切屑尺寸、切削刃作用和加工過程中工件材料所表現出的物理性質與常規銑削有所不同，但是由于所使用的微細銑刀與常規銑刀的切削刃形狀相同，所以去除材料的加工過程也是一致的，因此微銑削加工參數可參照常規銑削推薦的加工參數進行選擇。常規銑削過程中，切削速度和進給量是兩個主要的加工參數，也是影響銑削加工時毛刺產生的主要加工參數。在常規銑削過程中，由于切削刃口半徑與切削深度的比值很小，因此切削刃口半徑對切削過程的影響是可以忽略的。然而在微細銑削過程中，切削刃口半徑rε與切削深度ap之比接近于1，切削刃口半徑對切削過程的影響不能再忽略，如圖1所示。因此本文除了需要研究切削速度和進給量對毛刺的影響，還需研究切削刃口半徑對毛刺產生的影響。

1.1 切削速度的選擇

微銑削與傳統銑削的主要區別之一是切削速度范圍。在傳統銑削加工含Si量小于10%的鋁合金時，切削速度一般要高于425 m/min。但是當使用微銑削加工時，切削速度很難達到這個量級。例如當使用直徑為0.125 mm的銑刀時，主軸速度只有達到1 000 000 r/min以上才能滿足上述切削速度要求，現有的商用機床還不能滿足此要求。因此，本文將只在較低的切削速度范圍內研究切削速度對毛刺形成的影響。

1.2 進給量的選擇

銑削過程是一個多刃斷續加工過程，本文采用每齒進給量ft來表征進給量，這是因為每齒進給量ft與如圖1所示的正交切削模型中的切削深度ap是相對應的，便于分析。根據Ernst－Merchant的金屬剪切平面模型，切削過程中的剪切力Fs為

式中:k為材料的剪切應力;d為刀具直徑。與單純的正交切削模型不同，銑刀的刀具前角與切削刃所在的徑向位置有關。根據Merchant公式，可以推出某一段切削刃長度ΔW上的背吃刀力ΔFt為

式中:r為某處切削刃所在的半徑;R為銑刀半徑。因此，總的背吃刀力可以描述為

式中:f（g1，g2，…，gm，m1，m2，…，mm）為與刀具幾何參數和工件材料性質有關的函數。則切削加工過程中的有效的應力可以描述為

對于同批次的刀具，工件材料性質可認為保持不變。因此在切削加工過程中的有效應力只取決于ft/d。由此可知，當刀具直徑減小時，每齒進給量也必須呈線性減小，否則由于切削應力過大會使刀具磨損加劇，甚至產生斷裂。盡管基于此原理，可以根據傳統加工手冊中推薦的進給量，計算出微銑削時的進給量，但是，手冊中能查到的進給量范圍還比較窄，很難得出進給量對毛刺的影響規律。因此，還需要通過實驗的方法，在不同的進給量下研究毛刺的形成規律。

1.3 進給量和切削刃刃口半徑之間的關系

進給量ft與切削刃口半徑rε的比值ft/rε將直接影響加工過程中的刀具實際前角、切屑厚度和切削能。在常規銑削過程中，由于切削刃口半徑與切削深度的比值很小，因此切削刃口半徑對切削過程的影響是可以忽略的。然而在微細銑削過程中，切削刃口半徑與切削深度之比接近于1，刀具的實際前角為負值，從而導致切削應力增大，這將有可能使毛刺的尺寸增大。因此，在微細銑削加工時，切削刃口半徑對切削過程的影響不能再被忽略。

表1 實驗條件

根據上述分析，設計的實驗條件如表1所示。實驗時，使用的微徑銑刀為M.A.FORD公司生產的2刃端銑刀，其刃口半徑約為2～3 μm。加工材料為AL5052。實驗在5軸加工中心上進行，該機床的主軸最高轉速為42 000 r/mm。

2 毛刺大小的表征方法

毛刺大小的表征是研究毛刺過程中遇到最大的挑戰。可以用以表征毛刺的量有毛刺高度、毛刺厚度、毛刺體積和毛刺硬度。其中毛刺的高度和毛刺的厚度是影響靶零件使用性能的主要參數，因此，本文使用這兩個參數對毛刺進行表征和評價。采用白光干涉儀對毛刺的高度和寬度進行了測量。由于毛刺的形狀及其復雜，無法直接測量出毛刺的高度和厚度。根據白光干涉儀的測量結果，使用平均值的方法對毛刺的高度和厚度進行表征，表征方法如下:將白光的測量結果沿豎直方向以等間距Δl進行分割，分割成n等份，如圖2所示。將每條分割線對應的毛刺厚度和高度分別計為Δwi和Δhi，則毛刺的平均厚度和平均高度為

3 實驗結果和分析

圖3為加工樣件的SEM檢測結果。從檢測結果中可以明顯地看出順銑側的毛刺比逆銑側的毛刺要多，而且尺寸要大，如圖4所示。這一結果與Schmidt和孫雅洲等人的研究結果是相符的。這是因為順銑時刀具由工件材料的內部向邊界運動，工件邊界處的材料處于無約束自由狀態，支撐剛度小，在刀具運動的作用下，這部分材料向工件邊界外方向發生塑性變形，與工件本體無法分離，不形成切屑，而是懸掛在工件的邊界處，形成切削毛刺。逆銑時刀具由工件邊界向工件內部運動，工件材料的支撐剛度較大，容易形成切屑，所以其毛刺的尺寸要小。

圖5為不同切削速度條件下，逆銑側毛刺的平均高度的檢測結果。從檢測結果可以看出當每齒進給量小于2 μm時，隨著切削速度的提高，毛刺的平均高度降低。這可能是由于此時切削深度與刀具刃口半徑尺寸上相當，切削速度是形成切屑的主要原因。當切削速度較低時，工件材料的變形率較小，不易形成切屑，切削過程中有明顯的耕犁和滑移現象。前刀面上的工件材料不再形成切屑，而是沿刀具的主切削向外側變形，形成毛刺。隨著切削速度的提高，工件材料的變形率逐漸增大，切削過程中的滑移和耕犁現象逐漸減弱，前刀面上的工件材料形成切屑而脫離工件母體，因此，此時產生的毛刺尺寸會有所減小。當每齒進給量大于2 μm時，刀具刃口半徑與切削深度的比值減小，刃口半徑對切削過程的影響減弱。隨著切削速度的提高，單位時間內去除材料的體積也隨之增加，從而使加工過程中的切削應力也不斷增大，因此，毛刺的高度會隨著切削速度的提高而增大。

圖6為不同的每齒進給量條件下，毛刺的平均高度實驗結果。從實驗結果可以看出，毛刺的平均高度隨著每齒進給量的增大呈線性增大。這是因為每齒進給量直接決定了切削過程中的切削應力，每齒進給量越大，工件材料承受的切削應力就越大，切削應力越大形成的毛刺高度就會越高。

圖7和圖8是不同切削速度和進給量的條件下，逆銑側毛刺的平均厚度的實驗結果。從實驗結果可以看出切削速度和進給量對毛刺厚度的影響與其對毛刺高度的影響是相似的。當進給量大于2 μm時，ft/rε的比值大于等于1，隨著切削速度的提高，切削過程中單位時間內去除的材料體積增加，因此，需要的切削能和切削力隨之增加，從而切削過程中產生的應力隨之增大，最終導致毛刺的厚度隨著切削速度提高而增大。當進給量小于2 μm時，ft/rε的比值小于1，切削過程中的刀具實際前角為負值，因此切削過程中刀具的滑移和耕犁作用明顯增大，在這種切削條件下，隨著切削速度的提高，切削刃處的金屬流動性趨向一致，而且切屑也會隨之變薄［14］，這可能是造成毛刺高度和厚度隨著切削速度的提高而減小的原因。此外，根據實驗結果還可以看出進給量對毛刺的影響相對于切削速度對毛刺的影響要顯著，因此在加工時應該首先選用合理的進給量。

4 結語

在使用微細銑削方法加工，可以通過選擇合理的走刀方式和加工參數能夠達到抑制毛刺產生的目的。本文通過加工實驗研究了切削速度、每齒進給量以及每齒進給量與刀具刃口半徑之比對毛刺高度和厚度的影響，得到的結論如下:

（1）逆銑側的毛刺比順銑側的毛刺要小。

（2）毛刺的高度和厚度隨著每齒進給量的增大而逐漸增大。

（3）當ft/rε＜1時，隨著切削速度的提高，毛刺的高度和厚度呈減小趨勢;當ft/rε≥1時，隨著切削速度的提高，毛刺的高度和厚度呈增大趨勢。

（4）進給量相對于切削速度對毛刺的影響較為顯著。

［1］羅蒙.金屬切削過程中毛刺形成機理及控制方法的研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［2］楊凱.微細銑削刀具磨損機理及工件毛刺影響因素的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.

［3］Gillespie LK.The formation and properties of machining burrs［D］.Utah State University，Logan，UT，1973.

［4］Ko SL，Dornfeld DA.A study on burr formation mechanism［J］.Journal of Engineering Materials and Technology，1991，113（1）:75－87.

［5］Chern GL，Dornfeld DA.Burr/breakout model development and experimental verification［J］.Journal of Engineering Materials and Technology，1996，118（2）:201－206.

［6］Gillespie LK.Burrs produced by end－milling［C］.Bendix Report BDX－613－1503 U.S.A.，1976.

［7］Olvera O，Barrow G.An experimental study of burr formationin square shoulder face milling［J］.International Journal of Machine Tools Manufacture，1996，36（9）:1005－1020.

［8］Chu CH.Integrated edge precision machining Ph.D.dissertation［D］.Department of Mechanical Engineering，University of California at Berkeley，2000.

［9］Lee K，Dornfeld D A.An experimental study on burr formation in micro milling aluminum and copper［J］.Transactions of the NAMRI/SME，2002，30:255－262.

［10］Schmidt J，Tritschler H.Micro cutting of steel［J］.Microsystem Technologies，2004，10（3）:167－174.

［11］Kishimoto W，Miyake T，Yamamoto A.Study of burr formation in face milling［J］.Precision Engineering，1981，15（1）:51－52.

［12］Nakayama K，Arai M.Burr formation in metal cutting［J］.Ann.CIRP Annals，Manufacturing Technology，1987，36:33－36.

［13］孫雅洲，張慶春，高強，等.微細銑削毛刺形成研究［J］.現代制造工程，2006（4）:69－72.

［14］Kiha Lee，Dornfeld David A.Micro－burr formation and minimization through process control［J］.Precision Engineering，2005，29（2）:246－252.