整體硬質合金刀具銑削AL6061加工表面質量影響因素研究

【摘? ?要】? ?為研究鋁用整體硬質合金刀具選用不同切削用量對指定加工材料AL6061表面加工質量的影響，將銑削試驗分為底面加工和側向加工兩個試驗組。根據正交試驗法，分別選擇切削用量的不同水平，開展銑削加工試驗，運用TESA RUGOSURF 20表面粗糙度儀測量輪廓算術平均偏差[Ra]，再運用正交試驗助手和SPSS軟件，分析各因素對表面加工質量的影響程度，找出不同切削用量對表面粗糙度的影響規律。結果表明：采用整體硬質合金刀具銑削AL6061時，在顯著性水平[P=0.05]的情況下，對數控銑削加工表面質量具有顯著影響的因素是進給量，切削速度和精加工余量兩個因素的影響不顯著。

【關鍵詞】? ?硬質合金;數控銑削;表面粗糙度;正交試驗法

Research on Influencing Factors of Milling Surface Quality of AL6061

with Solid Carbide Cutting Tools

Zha Zhengwei

（Anhui Vocational College of Electronics&Information Technology， Bengbu 233030， China）

【Abstract】? ? The milling experiment was divided into two groups： bottom machining and side machining to study the influence of different cutting parameters on the surface machining quality of AL6061， a designated machining material， via solid carbide cutting tools for aluminum. According to the orthogonal test method， cutting parameters of different levels are used for milling test， TESA RUGOSURF 20 surface roughness instrument for profile arithmetic mean deviation [Ra]， and orthogonal test assistant & SPSS software for the influence degree of various factors on surface machining quality to find out the influence law of different cutting parameters on surface machining surface quality. The test results show that when the solid carbide cutting tools are used in milling AL6061， at the significant level P= 0. 05， it is concluded that the feed rate is the significant factor affecting the surface quality of CNC milling; Cutting speed and finishing allowance are not significant.

【Key words】? ? ?solid carbide; CNC milling; surface roughness; orthogonal test method

〔中圖分類號〕? ?TG659? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）01- 0041 - 06

0? ? ?引言

目前，AL6061主要用于飛機著陸墊、航天固定裝置、卡車車身結構件、電器固定裝置、通訊和自動化機械零件的精密加工、模具制造等領域[1]。很多情況下，AL6061材質零件都需要通過數控銑削加工完成零件生產。在運用數控銑床加工AL6061時，選擇合適的銑削加工切削用量不僅可以減小表面粗糙度數值，提升加工表面質量，還可以獲得合理切削效率，因此，研究其數控銑削加工切削用量具有重要意義。為了研究特定加工條件下數控銑削加工切削用量與表面粗糙度的關系，采用整體硬質合金刀具對AL6061進行銑削試驗。選用正交試驗法[2]，依次選取不同切削要素的不同水平進行銑削加工試驗，運用正交試驗助手并通過SPSS軟件進行數據分析[3]，評估各因素對加工表面粗糙度的影響程度。

1? ? ?試驗條件及方案

1.1? ?試驗方法

數控銑削加工主要切削用量為背吃刀量[ap]、側吃刀量[ae]、進給量[f]和切削速度[vc]等要素[4]。因為在精銑過程中，通常將底面加工和側面加工分開銑削，故將背吃刀量[ap]和側吃刀量[ae]分別設定，分兩組開展切削試驗。為了分析這些切削要素對加工表面質量的影響程度和切削因素對提升表面加工質量是否具有顯著性影響，找出最佳影響因素水平組合，采用正交試驗法進行試驗，列出底面精加工和側向精加工兩組試驗因素水平表。97090EAE-D92D-480B-B195-75AB4BE9D15A

1.1.1? ?底面精加工

底面加工側向一般留一定余量，此時影響底面加工質量的要素為背吃刀量[ap]、進給量[f]和切削速度[vc]三個因素，假設這三個因素之間沒有交互作用，選擇[L9（34）]正交表，將表的第四列空出，用來驗證因素之間是否有交互作用。表中每個因素選擇三個水平，列出因素水平表，如表1所示。

1.1.2? ?側向精加工

側向加工底面一般留一定余量，此時影響切削質量的要素則為側吃刀量[ae]、進給量[f]和切削速度[vc]三個因素，假設這三個因素之間沒有交互作用，選擇[L9（34）]正交表，將表的第四列空出，用來驗證因素之間是否有交互作用。表中每個因素選擇三個水平，列出因素水平表，如表2所示。

1.2? ?試件材料設計與制備

試件材料牌號為AL6061，試件毛坯尺寸為150mm×110mm×50mm鋁板。AL6061主要由鎂和硅組成，具體成分見表3。

試件合金狀態為6061-T6[5]，抗拉強度為310MPa，屈服強度為245MPa，延伸率為9%，硬度HB85，機械加工難度適中[6]。

為了盡量減少多次裝夾的重復定位誤差和夾緊力等其他因素對試驗結果的影響，設計試件如圖1所示，試件上9個凸起的上底面為底面精加工試驗面，試件上9個凸起的側面為側向精加工試驗面。

1.3? ?銑削刀具

如圖2所示，試驗切削選用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產的AL-3E-D10鋁用整體硬質合金無涂層銑刀，該刀具設計獨特的容屑槽，切削刃鋒利，刃口采用防震設計，具有排屑流暢、防止積屑瘤產生和抑制顫動功能，從而保證表面加工質量。

1.4? ?加工條件及加工刀路規劃

1.4.1? ?加工條件

試驗切削機床選用原大連機床集團有限責任公司生產的VDL-1000數控加工中心，該機床自重7000kg，主軸最高轉速8000r/min，切削進給速度0-10000mm/min。夾具采用液壓精密虎鉗，一次裝夾完成底面和側面，總共18個特征試驗精加工，從而保證試驗影響因素按照表1和表2的變化。

1.4.2? ?加工刀路

如圖3所示，試驗加工程序采用Mastercam 2021編寫，底面精加工采用面銑[7]，最大步進給量為7.5mm，走刀方向為單向走刀，切削用量依照表1底面精加工因素水平表設置，其他加工設置保持一致，生成平面銑削加工刀路;側向精加工采用2D外形銑削，軸向分兩層完成，最大切削深度為14mm，切削用量依照表2 側向精加工因素水平表設置，其他加工設置保持一致，生成外形銑削加工刀路。為了圖片保持清晰，圖3僅分別顯示底面精加工和側向精加工試驗加工刀路中的一個平行銑削刀路和外形銑削刀路。

1.5? ?試件成品

嚴格依照表3選用試件材料，根據表1和表2設定精加工余量，完成圖1所示零件的粗加工，再更換全新刀具，選擇美孚切削液，在保證充分冷卻的狀態下，一次性運行18個精加工刀路程序，完成的零件試件如圖4所示。另外，為了區別不同切削因素水平對應的試驗加工面，便于后期的測量表面粗糙度，根據正交實驗法，將9個凸起部分試驗編號，雕刻在凸起表面。運用高清圖像采集設備，一次獲取底面試加工的圖像如圖5所示，另外，利用高清相機拍照獲取9個凸起側面試加工的圖像，如圖6所示。

2? ? ?試驗結果及分析

根據試驗加工方案，在一次裝夾下，分底面精加工、側向精加工兩個試驗組記錄數據，底面精加工數據記錄在正交試驗表4中，側向精加工數據記錄在正交試驗表6中。表面粗糙度測量采用的儀器為TESA RUGOSURF 20，該測量儀器的技術指標為：測量范圍400μm，分辨率0.001μm，精度1級（ISO3274）。

2.1? ?底面精加工結果及分析

表4中ki（i=1，2，3）表示切削速度vc、進給量f和精加工余量ap三個因素在第i個水平的輪廓算術平均偏差Ra平均值，極差是指三個因素的[k1、k2、k3]中的最大值與最小值的差值。以各因素的實際水平為橫軸，以[kAi]、[kBi]和[kCi]為縱軸，繪制因素效應圖，如圖7所示。

表4中的極差[RA=0.273]、[RB=1.025]、[RC=0.385，]結合圖7因素效應圖，采用直觀分析法[8]可知，進給量對銑削表面加工質量影響最大，其次是精加工余量，最小的是切削速度。根據表4數據，運用正交實驗助手和SPSS軟件進行方差分析[9]，分析結果如表5所示。從表5可知進給速度對提高平面銑削質量具有顯著性影響，另外兩個因素對提高表面質量影響不顯著。綜合另外分析，對于銑削AL6061，在試驗條件下平面銑削切削用量推薦組合為A2B1C1。

2.2? ?側向精加工結果及分析

表6中[ki]（[i]=1，2，3）表示切削速度[vc]、進給量[f]和側向精加工余量[ae]三個因素在第[i]個水平的輪廓算術平均偏差[Ra]平均值，極差是指三個因素的[k1、k2、k3]中的最大值與最小值的差值。以各因素的實際水平為橫軸，以[kAi]、[kBi]和[kCi]為縱軸，繪制因素效應圖（圖8）。

表6中的極差[RA=0.833]、[RB=2.459]、[Rc=0.302，]結合圖8因素效應圖可知，進給量對銑削表面加工質量影響最大，最小的是切削速度。根據表6數據，運用正交實驗助手和SPSS軟件進行方差分析，結果如表7所示，進給速度對提高外形銑削質量同樣具有顯著性影響，另外兩個因素對提高表面質量影響不具有顯著性。對于銑削AL6061，在試驗條件下外形銑削切削用量推薦組合為[A3B1C1]。97090EAE-D92D-480B-B195-75AB4BE9D15A

3? ? ?結論

數控銑削用量的調整可以在編程和實際加工過程中，運用表面加工質量與切削用量的影響規律，根據需要進行優化調整。試驗數據經過正交試驗助手和SPSS軟件[10]雙重分析，保證了試驗結果分析的準確性。

綜上所述，在特定的加工條件下，運用整體硬質合金刀具銑削AL6061，在切削速度、進給量和精加工余量三個影響因素中，對數控銑削加工表面質量具有顯著影響的因素是進給量，切削速度和精加工余量兩個因素影響不顯著。

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