高速微銑削Al2 O3 工程陶瓷工藝參數試驗研究*

楊 舒，許金凱，李曉舟，于化東，張向輝，趙智龍

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

0 引言

Al2O3工程陶瓷作為一種先進的特種陶瓷，具有高硬度、高熔點、高彈性模量、低密度、低熱膨脹系數等特性，且具有優良的抗腐蝕性、抗氧化性、耐磨性、耐熱性、耐損傷性和自潤滑性［1-2］，因此廣泛應用于航空航天、國防工業、微電子工業等領域。隨著科學領域的不斷發展，對精密三維復雜微小結構件的需求日益迫切，這也對Al2O3工程陶瓷的精密加工方式提出了嚴峻挑戰。

由于Al2O3工程陶瓷一般通過熱壓燒結方法制成，形位尺寸精度和表面質量較低，只有通過進一步加工，才能得到結構形狀、可靠性、互換性等方面要求較高的精密陶瓷結構件。傳統的加工方法主要是對其進行磨削、車削、鉆孔等，在實際精加工時又以機械磨削最為普遍，但這種方法僅限于加工較大平面和回轉曲面［3-4］。因此，制備具有復雜、異形、集成結構的精密Al2O3工程陶瓷零件已經成為了一個亟待解決的問題。

本文利用高速小型微銑床對Al2O3工程陶瓷進行全徑銑削微溝槽正交試驗，驗證了Al2O3工程陶瓷材料的金剛石涂層刀具微細銑削加工方式的可行性，并以精密微銑削加工得到的表面粗糙度作為評價指標，采用極差法分析了主軸轉速、進給速度和軸向切深對工件表面粗糙度的影響規律，并對微銑削加工工藝參數進行了優化，得到了適合于Al2O3工程陶瓷材料高速微細銑削工藝參數。

1 試驗設備和方法

1.1 試驗設備

自行研制的小型高速精密微銑床電主軸最高轉速為100，000r/min，主軸回轉精度優于1 μm;工作臺位置精度優于± 0.5 μm/100 mm，重復定位精度達±0.2μm，機床如圖1 所示。

圖1 小型高速精密微銑削機床

試驗材料為純度95%以上的Al2O3工程陶瓷，其物理力學特性如表1 所示。

表1 Al2O3 工程陶瓷物理力學特性

試驗采用金剛石涂層雙刃銑刀，粗銑選用直徑較大的銑刀，精銑時選用φ 1mm 直徑微銑刀，刀具懸伸24mm，刀柄直徑為4mm，刃長為2mm，刀尖圓弧半徑為0.05mm。通過超景深顯微鏡KEYENCE VHX-1000觀測到加工使用前的刀具形貌，如圖2 所示。高速銑削陶瓷工件后，用MarSurf LD120 輪廓與粗糙度測量系統對陶瓷工件進行表面粗糙度的測量。

圖2 加工前刀具形貌圖

1.2 試驗方法

在高速精密微銑削Al2O3工程陶瓷過程中，首先用等直徑銑刀對工件進行粗銑，在工件表面加工出基準面，然后在基準面上銑削微細溝槽結構，微銑削過程如圖3 所示。

采用φ 1mm 直徑微銑刀對工件進行精密銑削時，試驗選擇了高切削速度、小進給量和小軸向切深，并設計了三因素四水平正交試驗。正交試驗因素水平分布如表2 所示。

圖3 高速精密微銑削Al2O3 工程陶瓷過程

表2 φ 1mm 微銑刀精銑Al2O3 工程陶瓷正交試驗因素水平表

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

高速精密微銑削陶瓷工件后，對不同加工參數所加工的溝槽底部表面粗糙度Ra和Rz值進行測量，為使測量結果能夠準確得反映微細溝槽底部表面粗糙度，所有溝槽均測量多次，并運用狄克松準則對測量數據進行誤差分析，排除粗大誤差后取其算術平均值作為溝槽底部表面粗糙度Ra和Rz值，以此表征不同加工參數下的溝槽底部表面形貌。所得正交試驗結果如表3 所示。

表3 φ 1mm 微銑刀精銑表面粗糙度L9(34)正交試驗方案及結果

續表

2.2 試驗結果分析

本試驗利用極差法對試驗結果進行分析，確定各加工參數對Al2O3陶瓷工件表面粗糙度影響的大小。K1，K2，…，K4數據分別表示各因素在同一水平下的表面粗糙度Ra值之和，相應的k1，k2，…，k4數據分別表示各因素在同一水平下的平均表面粗糙度Ra值;T1，T2，…，T4數據分別表示各因素在同一水平下的表面粗糙度Rz值之和，相應的t1，t2，…，t4數據分別表示各因素在同一水平下的平均表面粗糙度Rz值;R和R'均為各因素的極差值，是每個因素在各個水平下響應均值的最大值與最小值之差，即:

將各數據計算后填表，如表3 所示。Rj值和R'j值標志各水平對試驗結果影響大小，數值越高，影響效果越大。由表3 知，RA= 0.007，RB= 0.0323，RC=，為更加清晰地表示各因素對工件表面粗糙度影響的主次順序，畫出各因素與Ra值和Rz值的關系圖，如圖4 和圖5 所示。

圖4 φ 1mm 微銑刀精銑時表面粗糙度Ra 值與三因素關系圖

圖5 φ 1mm 微銑刀精銑時表面粗糙度Rz 值與三因素關系圖

試驗結果表明，φ 1mm 直徑微銑刀懸伸量為24mm 微銑削Al2O3工程陶瓷時，軸向切深ap對Ra值和Rz值影響最大，進給速度vf次之，主軸轉速n對工件表面粗糙度影響較低。以Ra值為評判標準時最優組合為A1B1C1，即主軸轉速為24000r/min，進給速度為5mm/min，軸向切深為2.5μm 時，Ra值最小;以Rz值為評判標準時的最優組合為A4B3C1，即主軸轉速為33000r/min，進給速度為10mm/min，軸向切深為2.5μm 時，Rz值最小。

利用多元線性回歸的方法對數據進行分析，得到用φ 1mm 直徑微銑刀精銑時，試驗加工的表面粗糙度Ra值和Rz值與主軸轉速n、進給速度vf和軸向切深ap這三個銑削工藝參數之間的線性關系。關系如式(3)和(4)所示:

2.3 各因素對表面粗糙度的影響規律分析

根據試驗結果繪制φ 1mm 微銑刀高速微銑削Al2O3工程陶瓷時，主軸轉速n、進給速度vf和軸向切深ap與工件表面粗糙度Ra及Rz值的關系曲線，如圖6 所示，并分析各因素對工件表面粗糙度Ra值和Rz值的影響規律。

圖6 φ 1mm 微銑刀精銑時各因素與表面粗糙度Ra 和Rz的關系曲線

2.3.1 軸向切深對加工表面粗糙度的影響分析

本試驗中軸向切深是影響工件表面粗糙度的最主要因素。由圖6c 得知，軸向切深在2.5～10μm 范圍內變化時，工件表面粗糙度值隨著軸向切深的增加而增加。當軸向切深為2.5μm 時，表面粗糙度Ra和Rz值最小，工件表面質量最佳。微細銑削Al2O3工程陶瓷時，軸向切深的增加會使微銑刀的切削力增加，銑削力幅值的波動導致工件表面粗糙度增大，又由于微銑刀的直徑較小，銑削力的增加會使工件、刀具產生變形，產生的切削振動使表面粗糙度顯著變化［5］。此外，微型銑刀的磨損同樣對微銑削表面成形有著顯著的影響。在高速銑削過程中，刀具和工件接觸區頻繁的溫度變化使得涂層和刀具基體之間產生了高頻交變熱應力，較大的軸向切深會使刀具出現涂層脫落的現象;又由于微細銑削中刀刃部分直徑小，刀尖強度低，在每齒進給量很小時，切削厚度與刃口圓弧半徑在同一數量級甚至更小時，切削主要集中在刀尖附近，刀尖會產生明顯破損［6-7］。正是由于這些原因導致刀具磨損，進而使工件表面粗糙度值增加，表面質量降低。

2.3.2 進給速度對加工表面粗糙度的影響分析

高速銑削常選取小進給量進行加工，較小的每齒進給量會降低進給方向上的殘留高度，提高加工表面質量;在走刀方向上，較小的進給量會影響到過渡表面形狀，進而減小走刀方向的表面粗糙度［8］。在微銑削中由于微銑削中刃口半徑尺寸效應，使得在進給量發生變化時表面粗糙度發生明顯變化。由圖6b 得知，得知，進給量在5～12mm/min 范圍內變化時，工件表面粗糙度Ra和Rz值在5～10mm/min 時趨于穩定，但隨著進給速度的增加曲線最終呈現上升趨勢。由此可知，在高速微銑削中進給速度是影響表面粗糙度的重要因素。

2.3.3 主軸轉速對加工表面粗糙度的影響分析

本試驗中主軸轉速對加工表面粗糙度的影響是最次要的因素。由圖6a 得知，在高速精密微銑削Al2O3陶瓷工件過程中，主軸轉速在24000～33000r/min 范圍內變化時，微細溝槽底部的表面粗糙度Ra和Rz值隨著主軸轉速的增加先略有增加然后逐漸降低，當主軸轉速大于27000r/min 時，Ra和Rz值明顯減小。這是由于在微細切削過程中切削力是產生振動的主要激勵源，隨著主軸轉速的增加，刀具的切削速度提高，切削力降低，可以使切削系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，從而降低加工表面粗糙度，提高加工表面質量［9］。

3 結論

通過φ 1mm 微銑刀對Al2O3工程陶瓷材料進行高速微銑削表面粗糙度的試驗研究，得出如下結論:

(1)由正交試驗結果的極差分析及多元線性回歸模型的建立得知，在試驗條件下對Al2O3工程陶瓷材料加工時，軸向切深對工件表面粗糙度Ra和Rz值影響最大，進給速度次之，主軸轉速的影響最小。

(2)試驗中以Ra值為評判標準的最優工藝參數是:主軸轉速為24000r/min，進給速度為5mm/min，軸向切深為2.5μm;以Rz值為評判標準的最優工藝參數是:主軸轉速為33000r/min，進給速度為10mm/min，軸向切深為2.5μm。

(3)高速微銑削Al2O3工程陶瓷材料時，軸向切深的增加會使銑削力幅值波動、刀具磨損，導致工件表面粗糙度增大。進給速度是影響表面粗糙度的重要因素。提高主軸轉速可以降低切削力，使切削系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，從而降低加工表面粗糙度，提高加工表面質量。

［1］張勤河，張建華，高軍. 工程陶瓷材料的應用［J］. 現代技術陶瓷，1998(4):21 -24.

［2］王曉敏. 工程材料學 第1 版［M］. 北京:機械工業出版社，1999.

［3］羅志海，楊潤澤. 工程陶瓷加工技術的現狀與發展［J］.陶瓷，2010(10):7 -10.

［4］黃春峰. 工程陶瓷加工技術的發展與應用［J］. 工具技術，2000(12):3 -6.

［5］彎艷玲，張學蕊，于化東，等. 高速微銑削鋁合金表面粗糙度的多指標正交試驗研究［J］. 中國機械工程，2013，24(24):3278 -3288.

［6］李洪波，文杰，李紅濤. 微銑削表面粗糙度實驗研究［J］. 武漢理工大學學報，2010(14):187 -191.

［7］趙巖. 微細銑削工藝基礎與實驗研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2008.

［8］趙云霞，翟春來. 高速銑削殘留高度對加工表面粗糙度的影響［J］. 天津職業院校聯合學報，2009(5):3 -5.

［9］劉維偉，李鋒，姚倡鋒，等. GH4169 高速銑削參數對表面粗糙度影響研究［J］. 航空制造技術，2012(12):87 -90，93.

［10］黃遜彬，何寧，李亮，等. 氧化鋯陶瓷微細銑削工藝參數實驗研究［J］. 工具技術，2011(12):31 -34.

［11］張文祥，韓江，周建峰. 基于正交實驗法的工程陶瓷銑削加工參數研究［J］. 機械設計與制造，2013(4):101 -102.