PＣD 刀具車削鋁合金表面粗糙度的研究
2016-10-27 來源：陽江職業技術學院 深圳信息職業技術學院 作者：喬龍陽 劉白
摘 要:影響PCD 刀具車削鋁合金表面粗糙度的主要因素是切削速度、進給量、背吃刀量。以黃金分割法設計了實驗方案,優選了三因素的水平范圍,用等距法設置了水平值。實驗結果表明,對工件車削表面粗糙度影響最大的因素是進給量,次之是切削深度,切削速度的影響最小。通過正交實驗法驗證了上述實驗數據并篩選了含優區間,獲得了本工藝的最佳切削參數。
關鍵詞:PCD 刀具；車削；鋁合金；黃金分割法；表面粗糙度
０. 引言
為滿足使用性能、外形美觀等要求,５0５2 鋁合金產品的表面粗糙度需達到Ｒａ0.4 以上的技術要求。但是,傳統加工普遍采用硬質合金刀具低速車削加工,切屑容易與刀具發生“膠焊”或粘連,形成積屑瘤,加工質量差、生產效率非常低[1-2] 。
PCD 刀具材料硬度高、導熱性好、摩擦系數小,使得切屑變形和切削力降低、刀具磨損緩慢、切削過程更為穩定,有利于降低表面粗糙度[3-５] ,高速車削[６] 時零件表面可達到鏡面效果,是目前車削鋁合金理想的刀具材料。不足之處是針對５0５2 鋁合金的研究,大多是面向其生產工藝[7] 、焊接組織和性能[８-９] 等方面的研究,而針對其車削加工性能的實驗研究很少,因此開展PCD 刀具車削鋁合金表面粗糙度的研究,對于提高這類材料產品質量和生產效率有著現實的意義。
鋁合金車削性能相關的實驗研究,大多采用正交實驗或單因素實驗等方法,這些方法存在實驗次數多、實驗精度不高的缺點。現以黃金分割法優選影響５0５2 鋁合金表面粗糙度的切削參數因素水平范圍,以等距法確定因素水平值,以正交實驗篩選驗證,得出影響表面粗糙度的主要因素,確定臨界區域,以黃金分割法為單因素考察方法,確定PCD 刀具車削５0５2 鋁合金表面粗糙度的最佳工藝條件。
１. 黃金分割法實驗原理
黃金分割法是通過逐步縮小搜索區間,來求得一元函數極值點近似值的一種方法,又稱為0.６1８ 法。黃金分割法實驗點選取,如圖1 所示,實驗范圍[ａ,ｂ] ,將第一個實驗點ｘ1安排在實驗范圍內的0.６1８ 處(距左端點ａ),即ｘ1 ＝ａ＋(ｂ-ａ)×0.６1８,得到實驗結果ｆ(ｘ1 )；再在ｘ1的對稱點ｘ2 ,即ｘ2 ＝ ａ＋(ｂ -ａ) ×0. 3８2,得到實驗結果ｆ(ｘ2 ),且ｆ(ｘ) 值越大,效果越好。若ｆ(ｘ1 ) >ｆ(ｘ2 ),即ｆ(ｘ1 )比ｆ(ｘ2 )好,則根據“留好去壞”的原則,去掉實驗范圍[ａ,ｘ2 ] 部分,在[ｘ2 ,ｂ] 內繼續實驗。以后每次取一個試點,比較2 個結果,去壞留好,進一步縮小范圍,進一步做實驗。
圖１ 黃金分割法實驗點提取示意圖
在生產實踐和科學實驗中,應用黃金分割法單因素實驗可以有效減少實驗次數,去掉“劣”點部分,保留“優”點部分,快速逼近真實值,并得到更為精準的實驗數據。
２. 實驗條件
實驗材料:５0５2 鋁合金,規格為Φ６0 mm×５５ mm 的鋁合金管,壁厚4 mm,采用專用向心結構夾具裝夾定位。
刀具材料:三菱公司PCD
材質MD220。
實驗機床:XKNC-５0G 精密數控車床,主軸最大轉速６ 000 ｒ/ min。
實驗儀器:JB-3C 粗糙度測試儀,分辨率0.001 μm,Ｒａ 值測量范圍0.001-10 μm。
車削環境:濕式車削,采用煤油作為切削液。
評價方法:取輪廓算術偏差Ｒａ作為評價參數,測量時取樣長度為1 mm,評定長度為５ mm。
３. 實驗方法
為了獲得較好的實驗效果,對影響表面粗糙度較大的切削參數三因素切削速度、進給量和背吃刀量,開展黃金分割法優選實驗,逐步縮小實驗范圍,直至取得最佳的實驗數據。
３.１ 黃金分割法優選實驗
1) 利用黃金分割法確定進給量的水平范圍
依據王洪祥等[10] 金剛石車削表面微觀形貌形成機理的研究,認為表面粗糙度值與進給量和刀尖圓弧半徑存在如下關系:
依據此經驗公式,選取進給量實驗范圍[0.02,0.20]、背吃刀量0.3 mm、切削速度６00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.02,0.20]的0.６1８ 處取值,選取第1 實驗點為:
Ｐ1 ＝0.02＋0.６1８(0.20-0.02)＝ 0.131 2
第2 實驗點為:
Ｐ2 ＝0.02＋0.3８2(0.20-0.02)＝ 0.0８８ 7
實驗測得Ｐ2的表面粗糙度值Ｒａ1.37５ μm 優于Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ1.８41 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。
第3 實驗點為:
Ｐ3 ＝0.02＋0.3８2(0.131 2-0.02)＝ 0.0６2 ５
實驗測得Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ0.８43 μm 好于Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ1.27５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的對稱點。
第4 實驗點為:
Ｐ4 ＝0.02＋0.3８2(0.0８８ 7-0.02)＝ 0.04６ 2
實驗測得的Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm 好于Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ0.８43 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ4的對稱點。
Ｐ５ ＝0.02＋0.3８2(0.0６2 ５-0.02)＝ 0.03６ 2
實驗測得的Ｐ５的表面粗糙度值Ｒａ0.371 μm 好于Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm,則舍棄不包括Ｐ4 的以外部分。
進給量對表面粗糙度的影響,如圖2 所示。隨著進給量的增大,工件表面粗糙度值顯著增大。實驗點所在實驗范圍包括含優點,則實驗結束,優選實驗范圍為[0.02,0.04６] 。
圖２ 進給量對表面粗糙度的影響
2) 利用黃金分割法確定切削速度的水平范圍
選取切削速度實驗范圍[５00,1 000]、背吃刀量0.3 mm、進給量0.1 mm/ ｒ。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[５00,1000]的0.６1８ 處取值,選取第1 實驗點為:
Ｐ1 ＝５00＋0.６1８(1 000-５00)＝ ８0９
第2 實驗點為:
Ｐ2 ＝５00＋0.3８2(1 000-５00)＝ ６９1
實驗測得Ｐ1的表面粗糙度值Ｒａ1.241 μm 優于Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ1.37５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ1的對稱點Ｐ3。
第3 實驗點為:
Ｐ3 ＝６９1＋0.６1８(1 000-６９1)＝ ８８2
實驗測得Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ1.233 μm 好于Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ1.241 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分。
切削速度對表面粗糙度的影響,如圖3 所示。隨著切削速度的增大,工件表面粗糙度值逐漸減小,在切削速度達到８00 m/ min 以上值后,對表面粗糙度的影響降低,表面粗糙度值趨于穩定。因此,實驗結束,優選范圍為[８0９,1 000] 。
圖３ 切削速度對表面粗糙度的影響
3) 利用黃金分割法確定背吃刀量的水平范圍
選取背吃刀量實驗范圍[0.0５,1.0]、進給量0.1 mm/ ｒ、切削速度６00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.0５,1.0]的0.６1８ 處取值,選取第1 實驗點為:
Ｐ1 ＝0.0５＋0.６1８(1.0-0.0５)＝ 0.６37 1
第2 實驗點為:
Ｐ2 ＝0.0５＋0.3８2(1.0-0.0５)＝ 0.412 ９
實驗測得Ｐ2的表面粗糙度值Ｒａ1.41５ μm 優于Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ1.５５4 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。
第3 實驗點為:
Ｐ3 ＝0.0５＋0.3８2(0.６37 1-0.0５)＝ 0.274 3
實驗測得Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm 好于Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ1.41５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的對稱點。
第4 實驗點為:
Ｐ4 ＝0.0５＋0.3８2(0.412 ９-0.0５)＝ 0.1８８ ６
實驗測得的Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好于Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm,則舍棄不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ4的對稱點。
Ｐ５ ＝0.0５＋0.3８2(0.274 3-0.0５)＝ 0.13５ 7
實驗測得的Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好于Ｐ５的表面粗糙度值Ｒａ1.2８0 μm,則舍棄不包括Ｐ５ 的以外部分。
背吃刀量對表面粗糙度的影響,如圖4 所示。隨著切削深度的增大,工件表面粗糙度值逐漸增大,增大趨勢不明顯；但在切削深度小于0.1 mm 時,測得工件表面粗糙度又趨于反方向細微增大。實驗結束, 優選范圍為[0.13５ 7,0.274 3] 。
圖４ 背吃刀量對表面粗糙度的影響
３.２ 等距法確定因素水平值
依據等距法,切削速度范圍[８0９,1 000] ,因素水平值為８0９、９0５、1 000；進給量范圍[0.02,0.04６] ,因素水平值為0.02、0.033、0.04６；背吃刀量范圍[0.13,0.27] ,因素水平值為0.13、0.20、0.27。
３.３ 正交實驗
采用三因素三水平Ｌ９(33)組合切削參數,3 個因素分別是:切削速度νｃ 、進給量ｆ 和背吃刀量ａｐ ,以工件表面粗糙度作為質量特征,評價切削參數的優劣。正交實驗的因素水平表見表1。
表１ 正交實驗因素水平表
ｔ 正交實驗方案與結果見表2。
表２ 正交實驗方案及結果
由實驗數據分析,對工件表面粗糙度影響最大的因素是進給量,次之是切削深度,切削速度的影響最小。如圖５ 所示,切削參數對表面粗糙度的影響驗證,隨著切削速度的增大,工件表面粗糙度值逐漸減小；隨著切削深度的增大,工件表面粗糙度值逐漸增大；隨著進給量的增大,工件表面粗糙度值顯著增大。工件表面二次元成像微觀機理顯示,隨進給量的增大,走刀間距變大,工件表面上紋路清晰,是造成工件表面粗糙度值變大的主要因素。
圖５ 切削參數對表面粗糙度的影響
正交實驗驗證:在穩定的高速車削環境下,切削速度與切削深度對表面粗糙度值影響較小,進給量是造成工件表面粗糙度值變大的主要因素。提取進給量的含優區間為[0.033,0.04６]。
３.４ 黃金分割法單因素實驗
選取進給量實驗范圍[0. 033,0. 04６]、背吃刀量0.2 mm、切削速度９00 m/ min。按黃金分割法實驗點的提取步驟,在[0.033,0.04６]的0.６1８ 處取值,選取第1 實驗點為:
Ｐ1 ＝0.033＋0.６1８(0.04６-0.033)＝ 0.041
第2 實驗點為:
Ｐ2 ＝0.033＋0.3８2(0.04６-0.033)＝ 0.03８
實驗Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ0.3９1 μm,Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ0.3８7 μm,則Ｐ1 測得的是最優實驗值。實驗結束,進給量取值為0.041 mm/ ｒ。
４. 結語
在穩定的高速車削環境下,切削速度與切削深度對表面粗糙度值影響較小,進給量是影響工件表面粗糙度值變化的主要因素。PCD 刀具車削５0５2 鋁合金表面粗糙度達到Ｒａ0. 4 技術要求的最佳工藝參數是: 進給量0.041 mm/ ｒ、背吃刀量0.2 mm、切削速度９00 m/ min。黃金分割法應用于鋁合金車削表面質量的實驗研究,拓寬了實驗方法,有效地減少了實驗次數,提高了實驗精度。所獲得的實驗數據為這類材料高精度、高效率車削加工提供了可靠的理論依據。
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