PMMA微細(xì)銑削參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究*

李元鎮(zhèn)　程　祥　孟繁杰　鄭光明　徐汝鋒

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

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PMMA微細(xì)銑削參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究*

李元鎮(zhèn)程祥孟繁杰鄭光明徐汝鋒

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(duì)象，通過高速微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，對(duì)銑削過程中的因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。利用單因素實(shí)驗(yàn)法和正交實(shí)驗(yàn)法，以被加工工件的表面粗糙度為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，選取軸向切深、每齒進(jìn)給量和徑向切深3個(gè)主要因素展開實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軸向切深ap=15 μm，每齒進(jìn)給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm時(shí)，可以獲得最小的表面粗糙度。對(duì)表面粗糙度影響程度由大到小依次是ap、fz、ae，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

PMMA；微細(xì)銑削；參數(shù)優(yōu)化；單因素實(shí)驗(yàn)；正交實(shí)驗(yàn)

材料PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)由于透明度優(yōu)良，具有良好的絕緣性、耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，使其在航空、建筑、農(nóng)業(yè)、光學(xué)儀器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)，由于良好的光學(xué)特性，PMMA已經(jīng)成為聚合物微流體裝置研究中的主要基體材料。利用微細(xì)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(fù)雜的三維形貌特征[2]。但是對(duì)PMMA材料的微細(xì)銑削研究尚處于探索階段，因此對(duì)其進(jìn)行微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)研究具有重要的研究?jī)r(jià)值。

微細(xì)銑削是微細(xì)加工領(lǐng)域的一種精密加工方法，以其加工精度高、成型能力強(qiáng)[3]成為微機(jī)械制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。與常規(guī)尺度機(jī)械加工相比，微細(xì)銑削伴有最小切削厚度現(xiàn)象，從而出現(xiàn)尺度效應(yīng)，這使得微細(xì)銑削規(guī)律不同于常規(guī)的銑削[4]。在微細(xì)銑削中，表面粗糙度是高速精加工表面質(zhì)量指標(biāo)中的一個(gè)重要評(píng)價(jià)參數(shù)[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(jìn)給量和徑向切深對(duì)加工表面質(zhì)量起主要影響作用，因此銑削過程中各因素參數(shù)的合理選取與優(yōu)化顯得至關(guān)重要。針對(duì)不同材料的微細(xì)銑削，國(guó)內(nèi)在因素參數(shù)優(yōu)化研究上做了一系列的實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)[6]分別針對(duì)不銹鋼和生物材料鈦?zhàn)隽岁P(guān)于主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明高的主軸轉(zhuǎn)速可以獲得更好的加工質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]對(duì)鋁合金材料研究分析了切削速度與每齒進(jìn)給量交互作用對(duì)加工槽底表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)每齒進(jìn)給量較小時(shí)，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(shì)；而每齒進(jìn)給量較大時(shí)，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(shí)，表面粗糙度值隨每齒進(jìn)給量的增大先減小后增大；但切削速度大于30 m/min 時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量的增大，表面粗糙度值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

本文針對(duì)PMMA材料，通過高速微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，并借助單因素實(shí)驗(yàn)法和正交實(shí)驗(yàn)法[8]，研究微細(xì)銑削表面粗糙度以及各銑削因素對(duì)其影響規(guī)律，獲得微細(xì)銑削的優(yōu)化因素參數(shù)。

1　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)加工機(jī)床采用三坐標(biāo)桌面微細(xì)銑削數(shù)控機(jī)床3A-S100，如圖1所示，具有 0.5 μm的定位精度[9]。機(jī)床主軸采用80 000 r/min的高速空氣軸承和空氣渦輪驅(qū)動(dòng)主軸，徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)均在1 μm以內(nèi)。

本實(shí)驗(yàn)采用直徑為1 mm的涂層雙刃硬質(zhì)合金立銑刀，所用加工PMMA材料工件為長(zhǎng)30 mm、寬30 mm、高20 mm的長(zhǎng)方體塊。

2　實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析

在PMMA微細(xì)銑削參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)的目的是獲取微細(xì)銑削中的最優(yōu)銑削因素參數(shù)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為實(shí)驗(yàn)后測(cè)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(jìn)給量fz和徑向切深ae(側(cè)吃刀量)。先采用單因素實(shí)驗(yàn)法獲得適合銑削的各種因素的參數(shù)范圍，然后在其所在的適當(dāng)范圍內(nèi)各取水平值進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，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(xì)銑削中的最優(yōu)銑削參數(shù)組合。

2.1微細(xì)銑削單因素實(shí)驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。

表1　實(shí)驗(yàn)各銑削因素參數(shù)

在本銑削實(shí)驗(yàn)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(jìn)給量，故兩組實(shí)驗(yàn)每個(gè)溝槽均可由銑刀一次單向進(jìn)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?yàn)榈毒咝枰M(jìn)行徑向進(jìn)給，故每個(gè)溝槽由銑刀一次往復(fù)進(jìn)給銑削完成，如圖3b所示。由于本實(shí)驗(yàn)中軸向切深即背吃刀量較小，為了便于實(shí)驗(yàn)后續(xù)表面粗糙度的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中每個(gè)溝槽均軸向下刀2次，即每個(gè)溝槽連續(xù)下刀2次進(jìn)行銑削。

實(shí)驗(yàn)加工過程及結(jié)果如圖4所示，測(cè)量時(shí)使用接觸式表面粗糙度測(cè)量?jī)x，采用每組實(shí)驗(yàn)各測(cè)量4次表面粗糙度取平均值的方法，從而對(duì)銑削后的各個(gè)溝槽的表面粗糙度值進(jìn)行分析。

第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。軸向切深在15 μm時(shí)表面粗糙度值達(dá)到最小，當(dāng)軸向切深小于15 μm時(shí)，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(dāng)軸向切深大于15 μm時(shí)，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(chǎn)生的振動(dòng)越大，表面質(zhì)量變差，從而表面粗糙度值逐漸增大。因此在進(jìn)行下一步的微細(xì)銑削正交實(shí)驗(yàn)時(shí)，軸向切深可在區(qū)間10～20 μm內(nèi)取值，從而得到更小的表面粗糙度值。

第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出隨著每齒進(jìn)給量的不斷變大，表面粗糙度值總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)每齒進(jìn)給量fz=7 μm/z與fz=9 μm/z時(shí)圖像折線波動(dòng)較大，此時(shí)圖像不穩(wěn)定可能是實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差造成的。在本組實(shí)驗(yàn)中，雖然每齒進(jìn)給量fz=9 μm/z時(shí)表面粗糙度最小，但此時(shí)溝槽毛刺較嚴(yán)重(如圖7所示，圖中各溝槽從左往右每齒進(jìn)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(jìn)給量fz=5 μm/z時(shí)，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(shí)驗(yàn)中每齒進(jìn)給量fz可在5 μm/z附近范圍內(nèi)取值，從而得到更小的表面粗糙度值。

第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)，特別是徑向切深在0.2～0.4 mm范圍時(shí)表面粗糙度值變化并不顯著。因此在進(jìn)行下一步的微細(xì)銑削正交實(shí)驗(yàn)時(shí)，徑向切深可根據(jù)實(shí)際情況在0.2～0.4 mm范圍內(nèi)取值，從而得到更小的表面粗糙度值。

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，在單因素實(shí)驗(yàn)中當(dāng)其他因素不變，軸向切深ap=15 μm時(shí)，溝槽的表面粗糙度達(dá)到最小值；當(dāng)其他因素不變，徑向切深ae=0.3 mm時(shí)，溝槽的表面粗糙度達(dá)到最小值；當(dāng)其他因素不變，每齒進(jìn)給量fz=9 μm/z時(shí)，溝槽的表面粗糙度達(dá)到最小值，但每齒進(jìn)給量fz=5 μm/z時(shí)，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(shí)驗(yàn)中每齒進(jìn)給量fz可在5 μm/z附近范圍內(nèi)取值，而軸向切深ap可在15 μm附近范圍內(nèi)取值，徑向切深ae可在0.3 mm附近范圍內(nèi)取值。綜合來看，正交實(shí)驗(yàn)中軸向切深ap可在10～20 μm范圍內(nèi)取值，每齒進(jìn)給量fz可在3～7 μm/z范圍內(nèi)取值，徑向切深ae可在0.2～0.4 mm范圍內(nèi)取值。

2.2微細(xì)銑削正交實(shí)驗(yàn)

基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正交實(shí)驗(yàn)3個(gè)主要影響因素及水平如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)主要影響因素及水平

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)僅考察3個(gè)主要因素對(duì)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(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3　實(shí)驗(yàn)具體銑削方案

由表3可以看出，該實(shí)驗(yàn)共需銑削16個(gè)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(shí)驗(yàn)布局如圖9所示。

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是多因素正交實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)溝槽的銑削過程中，軸向切深、每齒進(jìn)給量和徑向切深3個(gè)因素需同時(shí)考慮，所以每個(gè)溝槽由銑刀一次往復(fù)進(jìn)給銑削完成，如圖10所示。同樣為了便于實(shí)驗(yàn)后續(xù)表面粗糙度值的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中每個(gè)溝槽均軸向下刀4次，即每個(gè)溝槽連續(xù)下刀4次進(jìn)行銑削。

實(shí)驗(yàn)采用每組實(shí)驗(yàn)各測(cè)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(shù)組合，所測(cè)得的各個(gè)溝槽的表面粗糙度值如圖11所示。

對(duì)圖11中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析

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

根據(jù)極差R的大小，可以判斷各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)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(shí)驗(yàn)中，對(duì)表面粗糙度影響最大的因素是軸向切深ap，其次是每齒進(jìn)給量fz，影響最小的因素是徑向切深ae。同時(shí)以各因素水平為橫坐標(biāo)，表面粗糙度的平均值ki為縱坐標(biāo)，可繪制各因素與表面粗糙度的趨勢(shì)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(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，軸向切深在拐點(diǎn)處時(shí)表面粗糙度值最小，變化趨勢(shì)非常明顯；圖12b中隨著每齒進(jìn)給量的增大，表面粗糙度值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，每齒進(jìn)給量在拐點(diǎn)處時(shí)表面粗糙度值最小，變化趨勢(shì)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(shì)不明顯。

根據(jù)圖11對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果列于方差分析表中，如表5所示。

表5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析

表中：A為軸向切深ap，B為每齒進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，由于本實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)為銑削后的表面粗糙度值，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)越小,表面質(zhì)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(yōu)方案應(yīng)取各因素最小k值所對(duì)應(yīng)的水平，即軸向切深ap=15 μm，每齒進(jìn)給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm。從方差分析結(jié)果表5可以看出，軸向切深ap對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有非常顯著的影響，每齒進(jìn)給量fz對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，徑向切深ae對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有顯著影響，所以對(duì)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(shí)際銑削加工中提高銑削效率，節(jié)省加工時(shí)間。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照所得最優(yōu)方案的銑削參數(shù)，即軸向切深ap=15 μm，每齒進(jìn)給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm分別進(jìn)行4組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示，表面粗糙度值測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果

從表6中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，最優(yōu)方案的銑削參數(shù)即軸向切深ap=15 μm，每齒進(jìn)給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm時(shí)可以獲得較小的表面粗糙度值，從而驗(yàn)證了上述理論分析的正確性以及本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案銑削參數(shù)的可行性。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所得到的最優(yōu)銑削參數(shù)可以銑削形狀較為復(fù)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(jié)語(yǔ)

對(duì)PMMA材料進(jìn)行了微細(xì)銑削的單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以得出以下結(jié)論：各因素對(duì)表面粗糙度影響程度由大到小依次是軸向切深ap、每齒進(jìn)給量fz和徑向切深ae。軸向切深和每齒進(jìn)給量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響，隨著軸向切深和每齒進(jìn)給量分別增大，表面粗糙度值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，軸向切深和每齒進(jìn)給量與表面粗糙度之間存在一個(gè)近似拋物線曲線關(guān)系。徑向切深對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shì)不明顯。得到了優(yōu)化的各因素參數(shù)為軸向切深ap=15 μm，每齒進(jìn)給量fz=5 μm/z，徑向切深ae=0.34 mm。

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(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(zhèn)，男，1991年生，學(xué)士，研究方向?yàn)槲⒓?xì)銑削加工。

2015-07-21)

160206

* 山東省自然科學(xué)基金(ZR2015EL023)