PMMA微細銑削參數優化實驗研究*

李元鎮　程　祥　孟繁杰　鄭光明　徐汝鋒

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049)

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PMMA微細銑削參數優化實驗研究*

李元鎮程祥孟繁杰鄭光明徐汝鋒

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049)

以聚合物微流體裝置中常用的基體材料PMMA作為對象，通過高速微細銑削實驗，對銑削過程中的因素參數進行優化實驗研究。利用單因素實驗法和正交實驗法，以被加工工件的表面粗糙度為實驗指標，選取軸向切深、每齒進給量和徑向切深3個主要因素展開實驗。實驗結果表明，軸向切深ap=15 μm，每齒進給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm時，可以獲得最小的表面粗糙度。對表面粗糙度影響程度由大到小依次是ap、fz、ae，并進一步通過實驗驗證。

PMMA；微細銑削；參數優化；單因素實驗；正交實驗

材料PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)由于透明度優良，具有良好的絕緣性、耐腐蝕性和機械強度，使其在航空、建筑、農業、光學儀器等領域得到了廣泛應用[1]。同時，由于良好的光學特性，PMMA已經成為聚合物微流體裝置研究中的主要基體材料。利用微細銑削的加工方法加工PMMA基體材料，可以提高加工過程的效率，減少加工成本，而且適合加工復雜的三維形貌特征[2]。但是對PMMA材料的微細銑削研究尚處于探索階段，因此對其進行微細銑削實驗研究具有重要的研究價值。

微細銑削是微細加工領域的一種精密加工方法，以其加工精度高、成型能力強[3]成為微機械制造領域中的關鍵技術。與常規尺度機械加工相比，微細銑削伴有最小切削厚度現象，從而出現尺度效應，這使得微細銑削規律不同于常規的銑削[4]。在微細銑削中，表面粗糙度是高速精加工表面質量指標中的一個重要評價參數[5]，而在影響表面粗糙度的因素中，銑削用量軸向切深、每齒進給量和徑向切深對加工表面質量起主要影響作用，因此銑削過程中各因素參數的合理選取與優化顯得至關重要。針對不同材料的微細銑削，國內在因素參數優化研究上做了一系列的實驗，文獻[6]分別針對不銹鋼和生物材料鈦做了關于主軸轉速、切削深度和每齒進給量對表面粗糙度的影響實驗，結果表明高的主軸轉速可以獲得更好的加工質量。文獻[7]對鋁合金材料研究分析了切削速度與每齒進給量交互作用對加工槽底表面粗糙度的影響，實驗結果表明當每齒進給量較小時，隨著切削速度的提高表面粗糙度值呈先減小后增大的變化趨勢；而每齒進給量較大時，隨切削速度的提高表面粗糙度值先增大后減小。切削速度較低時，表面粗糙度值隨每齒進給量的增大先減小后增大；但切削速度大于30 m/min 時，隨著每齒進給量的增大，表面粗糙度值呈現逐漸增大的趨勢。

本文針對PMMA材料，通過高速微細銑削實驗，并借助單因素實驗法和正交實驗法[8]，研究微細銑削表面粗糙度以及各銑削因素對其影響規律，獲得微細銑削的優化因素參數。

1　實驗準備

本實驗加工機床采用三坐標桌面微細銑削數控機床3A-S100，如圖1所示，具有 0.5 μm的定位精度[9]。機床主軸采用80 000 r/min的高速空氣軸承和空氣渦輪驅動主軸，徑向跳動和軸向竄動均在1 μm以內。

本實驗采用直徑為1 mm的涂層雙刃硬質合金立銑刀，所用加工PMMA材料工件為長30 mm、寬30 mm、高20 mm的長方體塊。

2　實驗方案與結果分析

在PMMA微細銑削參數優化實驗研究中，實驗的目的是獲取微細銑削中的最優銑削因素參數，實驗指標為實驗后測量的表面粗糙度，選取的銑削因素是軸向切深ap(背吃刀量)、每齒進給量fz和徑向切深ae(側吃刀量)。先采用單因素實驗法獲得適合銑削的各種因素的參數范圍，然后在其所在的適當范圍內各取水平值進行正交實驗，以此確定銑削過程中各因素的影響大小及顯著性，尋找微細銑削中的最優銑削參數組合。

2.1微細銑削單因素實驗

單因素實驗選取的各銑削因素如表1所示。

由表1可以看出，共需銑削18個溝槽表面。為了減少多次裝夾帶來的刀具與工件之間的定位誤差，安排的實驗布局如圖2所示。

表1　實驗各銑削因素參數

在本銑削實驗中，由于第一組變量因素為軸向切深，第二組變量因素為每齒進給量，故兩組實驗每個溝槽均可由銑刀一次單向進給銑削完成，即溝槽的寬度就是銑刀的直徑1 mm，如圖3a所示。第三組變量因素為徑向切深，因為刀具需要進行徑向進給，故每個溝槽由銑刀一次往復進給銑削完成，如圖3b所示。由于本實驗中軸向切深即背吃刀量較小，為了便于實驗后續表面粗糙度的測量，實驗中每個溝槽均軸向下刀2次，即每個溝槽連續下刀2次進行銑削。

實驗加工過程及結果如圖4所示，測量時使用接觸式表面粗糙度測量儀，采用每組實驗各測量4次表面粗糙度取平均值的方法，從而對銑削后的各個溝槽的表面粗糙度值進行分析。

第一組實驗結果如圖5所示。

由圖5可看出隨著軸向切深的不斷變大，表面粗糙度值呈現先減小后增大的趨勢。軸向切深在15 μm時表面粗糙度值達到最小，當軸向切深小于15 μm時，由于最小切削厚度的影響，表面粗糙度值隨著軸向切深的減小而增大；當軸向切深大于15 μm時，隨著軸向切深的不斷增大，刀具在銑削過程中所受到的切削力越大，產生的振動越大，表面質量變差，從而表面粗糙度值逐漸增大。因此在進行下一步的微細銑削正交實驗時，軸向切深可在區間10～20 μm內取值，從而得到更小的表面粗糙度值。

第二組實驗結果如圖6所示。

由圖6可以看出隨著每齒進給量的不斷變大，表面粗糙度值總體呈現逐漸減小的趨勢。當每齒進給量fz=7 μm/z與fz=9 μm/z時圖像折線波動較大，此時圖像不穩定可能是實驗測量誤差造成的。在本組實驗中，雖然每齒進給量fz=9 μm/z時表面粗糙度最小，但此時溝槽毛刺較嚴重(如圖7所示，圖中各溝槽從左往右每齒進給量fz依次為1 μm/z，3 μm/z，5 μm/z，7 μm/z，9 μm/z，11 μm/z)。而每齒進給量fz=5 μm/z時，溝槽毛刺較少，表面粗糙度值也較小，因此在下一步的正交實驗中每齒進給量fz可在5 μm/z附近范圍內取值，從而得到更小的表面粗糙度值。

第三組實驗結果如圖8所示。

由圖8可看出隨著徑向切深的不斷增大，表面粗糙度值呈現緩慢增大的趨勢，特別是徑向切深在0.2～0.4 mm范圍時表面粗糙度值變化并不顯著。因此在進行下一步的微細銑削正交實驗時，徑向切深可根據實際情況在0.2～0.4 mm范圍內取值，從而得到更小的表面粗糙度值。

通過以上實驗結果分析可以得出，在單因素實驗中當其他因素不變，軸向切深ap=15 μm時，溝槽的表面粗糙度達到最小值；當其他因素不變，徑向切深ae=0.3 mm時，溝槽的表面粗糙度達到最小值；當其他因素不變，每齒進給量fz=9 μm/z時，溝槽的表面粗糙度達到最小值，但每齒進給量fz=5 μm/z時，溝槽毛刺較少，表面粗糙度值也較小。因此在下一步的正交實驗中每齒進給量fz可在5 μm/z附近范圍內取值，而軸向切深ap可在15 μm附近范圍內取值，徑向切深ae可在0.3 mm附近范圍內取值。綜合來看，正交實驗中軸向切深ap可在10～20 μm范圍內取值，每齒進給量fz可在3～7 μm/z范圍內取值，徑向切深ae可在0.2～0.4 mm范圍內取值。

2.2微細銑削正交實驗

基于單因素實驗結果，正交實驗3個主要影響因素及水平如表2所示。

表2　實驗主要影響因素及水平

因為本實驗僅考察3個主要因素對表面粗糙度的影響效果，不考察因素間的交互作用，故選用L16(45)正交表，具體實驗方案如表3所示。

表3　實驗具體銑削方案

由表3可以看出，該實驗共需銑削16個溝槽表面。為了減少多次裝夾帶來的刀具與工件之間的定位誤差，安排的實驗布局如圖9所示。

因為本實驗是多因素正交實驗，在每個溝槽的銑削過程中，軸向切深、每齒進給量和徑向切深3個因素需同時考慮，所以每個溝槽由銑刀一次往復進給銑削完成，如圖10所示。同樣為了便于實驗后續表面粗糙度值的測量，實驗中每個溝槽均軸向下刀4次，即每個溝槽連續下刀4次進行銑削。

實驗采用每組實驗各測量4次表面粗糙度取平均值的方法，基于表3所列的各種不同銑削參數組合，所測得的各個溝槽的表面粗糙度值如圖11所示。

對圖11中的實驗數據進行極差分析，分析結果如表4所示。

表4　實驗數據的極差分析

表中：Ki為因素所在列第i水平對應的粗糙度之和；ki為因素所在列第i水平對應的粗糙度的平均值；R為各列因素所對應的極差值

根據極差R的大小，可以判斷各因素對實驗指標的影響主次。由表4比較各R值大小，可得0.298>0.127>0.032，所以在本實驗中，對表面粗糙度影響最大的因素是軸向切深ap，其次是每齒進給量fz，影響最小的因素是徑向切深ae。同時以各因素水平為橫坐標，表面粗糙度的平均值ki為縱坐標，可繪制各因素與表面粗糙度的趨勢圖，如圖12所示。

由圖12a可以看出，隨著軸向切深的增大，表面粗糙度值呈現先減小后增大的趨勢，軸向切深在拐點處時表面粗糙度值最小，變化趨勢非常明顯；圖12b中隨著每齒進給量的增大，表面粗糙度值呈現先減小后增大的趨勢，每齒進給量在拐點處時表面粗糙度值最小，變化趨勢較明顯；圖12c中隨著徑向切深的增大，表面粗糙度值變化較緩和，變化趨勢不明顯。

根據圖11對實驗數據進行方差分析，分析結果列于方差分析表中，如表5所示。

表5　實驗數據的方差分析

表中：A為軸向切深ap，B為每齒進給量fz，C為徑向切深ae，SS為離差平方和，df為自由度，MS為平均離差平方和。

通過以上實驗結果分析可以得出，由于本實驗的指標為銑削后的表面粗糙度值，實驗指標越小,表面質量越好。從表4和圖12中可以看出，在不考慮交互作用的情況下，最優方案應取各因素最小k值所對應的水平，即軸向切深ap=15 μm，每齒進給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm。從方差分析結果表5可以看出，軸向切深ap對實驗結果有非常顯著的影響，每齒進給量fz對實驗結果有顯著影響，徑向切深ae對實驗結果沒有顯著影響，所以對于因素徑向切深來說，可以選取其中最大的水平值ae=0.34 mm，從而在實際銑削加工中提高銑削效率，節省加工時間。

3　實驗驗證

按照所得最優方案的銑削參數，即軸向切深ap=15 μm，每齒進給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm分別進行4組驗證實驗，結果如圖13所示，表面粗糙度值測量結果如表6所示。

表6　驗證實驗的測量結果

從表6中的測量數據可以看出，最優方案的銑削參數即軸向切深ap=15 μm，每齒進給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm時可以獲得較小的表面粗糙度值，從而驗證了上述理論分析的正確性以及本實驗最優方案銑削參數的可行性。

根據本實驗所得到的最優銑削參數可以銑削形狀較為復雜的溝槽特征，從而獲得較小的表面粗糙度值，銑削的溝槽特征如圖14所示。

4　結語

對PMMA材料進行了微細銑削的單因素實驗和正交實驗研究，經過對實驗數據的綜合分析，可以得出以下結論：各因素對表面粗糙度影響程度由大到小依次是軸向切深ap、每齒進給量fz和徑向切深ae。軸向切深和每齒進給量對實驗結果有顯著的影響，隨著軸向切深和每齒進給量分別增大，表面粗糙度值呈現先減小后增大的趨勢，軸向切深和每齒進給量與表面粗糙度之間存在一個近似拋物線曲線關系。徑向切深對實驗結果沒有顯著的影響，隨著徑向切深的增大，表面粗糙度值變化較緩和，變化趨勢不明顯。得到了優化的各因素參數為軸向切深ap=15 μm，每齒進給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm。

[1]陳盧松, 黃爭鳴. PMMA透光復合材料研究進展 [J]. 塑料, 2007, 36(4): 90-91.

[2]Chen P C, Pan C W, Lee W C, et al. An experimental study of micromilling parameters to manufacture microchannels on a PMMA substrate[J]. Int J Adv Manuf Technol, 2014, 71: 1623-1630.

[3]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, 32(14): 187-188.

[4]石文天, 劉玉德, 王西彬, 等. 微細銑削表面粗糙度預測與試驗[J]. 農業機械學報, 2010, 41(1): 211-215.

[5]王素玉, 艾興, 趙軍, 等. 高速銑削表面粗糙度建模與預報[J]. 制造技術與機床, 2006(8): 65-68.

[6]Elisa V, Xavier G, Joaquim C. An experimental analysis of process parameters for the milling of micro-channels in biomaterials[J]. International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, 2012, 5(1): 46-49.

[7]邢棟梁, 張建華, 沈學會, 等. 微細銑削鋁合金表面粗糙度的實驗研究 [J]. 制造技術與機床, 2011(3): 30-33.

[8]李云雁, 胡傳榮. 試驗設計與數據處理 [M]. 北京: 化學工業出版社, 2008: 128-153.

[9]張升, 程祥, 代玉娟. 超精密桌面微細銑削機床的研制 [J]. 機械設計與制造, 2014(1): 110-112.

(編輯李靜)

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An experimental study on micro-milling parameters optimization of PMMA

LI Yuanzhen, CHENG Xiang, MENG Fanjie, ZHENG Guangming, XU Rufeng

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, CHN)

In this paper, the substrate material PMMA which is widely used in the polymer microfluidic devices is selected to study for the parameters optimization by high speed micromilling experiments. The experiments have been studied by using single factor experiment method and orthogonal experiment method. The axial depth of cut, the feed per tooth and the radial depth of cut have been selected as the main factors in the experiments of micromilling according to the milled surface roughness. The experiment results show that the smallest surface roughness is achieved with the axial depth of cut of 15 μm, feed per tooth of 5 μm/z and radial depth of cut of 0.34 mm. The impact of surface roughness in descending order isap,fz,ae.Further verification experiments have been successfully conducted.

PMMA; micromilling; optimization of parameters; single factor experiment; orthogonal experiment

TG547

A

李元鎮，男，1991年生，學士，研究方向為微細銑削加工。

2015-07-21)

160206

* 山東省自然科學基金(ZR2015EL023)