ICF微靶零件微銑削毛刺實(shí)驗(yàn)研究

張海軍 黃燕華 袁光輝 陶 洋 劉 峰

（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng) 621900）

金屬切削毛刺是切屑與工件分離的過(guò)程中，部分殘留在工件的邊、角或已加工表面上，由于塑性變形所產(chǎn)生的微小突出物［1－2］。毛刺的存在會(huì)影響零件的配合，降低工件的尺寸精度，影響零件的使用性能。因此，通常都需要特殊的去毛刺工藝過(guò)程來(lái)除去毛刺，使零件精度滿(mǎn)足公差要求。盡管現(xiàn)在對(duì)于傳統(tǒng)的切削過(guò)程產(chǎn)生的毛刺，學(xué)者們提出了很多去除毛刺的方法，并應(yīng)用到了實(shí)際加工中。但是，在微細(xì)加工過(guò)程中，由于零件的特征尺寸很小，很難去除毛刺。更重要的是，傳統(tǒng)的去除毛刺方法會(huì)引入尺寸誤差和殘余應(yīng)力，嚴(yán)重?fù)p壞微小零件的精度。因此，對(duì)于微小零件來(lái)說(shuō)，首要的問(wèn)題是抑制毛刺的產(chǎn)生。

在微銑削過(guò)程中，毛刺的大小與工件材料、刀具參數(shù)、加工參數(shù)和加工路徑有直接的關(guān)系。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究［3－8］。Lee等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了微銑削鋁和銅時(shí)產(chǎn)生的毛刺。實(shí)驗(yàn)中觀察到了順銑側(cè)面切入毛刺、槽側(cè)面頂端毛刺、槽底面切出毛刺和逆銑側(cè)面切出毛刺，且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進(jìn)給量的增大而增大［9］。德國(guó)的 Schmidt等人［10］發(fā)現(xiàn)當(dāng)每齒進(jìn)給量為0.15 μm時(shí)，出現(xiàn)了毫米級(jí)的毛刺，但在大多數(shù)情況下毛刺的高度在5～6 μm。此外還發(fā)現(xiàn)順銑一側(cè)的毛刺較大，硬材料的毛刺比軟材料的毛刺大;隨著刀具的磨損，毛刺會(huì)變大，尤其在逆銑一側(cè);隨著切削速度的提高，毛刺略有減小。Kishimoto等［11］對(duì)在端面銑削過(guò)程中刀具切出邊形成翻轉(zhuǎn)毛刺的形式進(jìn)行研究，引入了主要毛刺（Primary burr）和次要毛刺（Secondary burr）這種術(shù)語(yǔ)來(lái)分別區(qū)分在棱上形成的大毛刺和小毛刺，并得出了便于形成次毛刺的切削條件及刀具幾何形狀。Nakayama和Arai［12］根據(jù)不同切削刃作用下所產(chǎn)生的毛刺及毛刺形成的方式和方向?qū)⒚谭譃榍腥朊?、?cè)向毛刺、切出毛刺和翻轉(zhuǎn)毛刺。國(guó)內(nèi)，孫雅洲采用微型平頭立銑刀對(duì)鍛鋁6061進(jìn)行微細(xì)立銑溝槽實(shí)驗(yàn)，得出背吃刀量和進(jìn)給量增大時(shí)，毛刺尺寸增大;切削刃鈍圓半徑越大，最終形成的毛刺尺寸越大［13］。

本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，研究切削速度和每齒進(jìn)給量，以及每齒進(jìn)給量與刀具刃口半徑比值對(duì)毛刺的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加工出了無(wú)毛刺微靶零件。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

盡管在微細(xì)銑削過(guò)程中，切屑尺寸、切削刃作用和加工過(guò)程中工件材料所表現(xiàn)出的物理性質(zhì)與常規(guī)銑削有所不同，但是由于所使用的微細(xì)銑刀與常規(guī)銑刀的切削刃形狀相同，所以去除材料的加工過(guò)程也是一致的，因此微銑削加工參數(shù)可參照常規(guī)銑削推薦的加工參數(shù)進(jìn)行選擇。常規(guī)銑削過(guò)程中，切削速度和進(jìn)給量是兩個(gè)主要的加工參數(shù)，也是影響銑削加工時(shí)毛刺產(chǎn)生的主要加工參數(shù)。在常規(guī)銑削過(guò)程中，由于切削刃口半徑與切削深度的比值很小，因此切削刃口半徑對(duì)切削過(guò)程的影響是可以忽略的。然而在微細(xì)銑削過(guò)程中，切削刃口半徑rε與切削深度ap之比接近于1，切削刃口半徑對(duì)切削過(guò)程的影響不能再忽略，如圖1所示。因此本文除了需要研究切削速度和進(jìn)給量對(duì)毛刺的影響，還需研究切削刃口半徑對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響。

1.1 切削速度的選擇

微銑削與傳統(tǒng)銑削的主要區(qū)別之一是切削速度范圍。在傳統(tǒng)銑削加工含Si量小于10%的鋁合金時(shí)，切削速度一般要高于425 m/min。但是當(dāng)使用微銑削加工時(shí)，切削速度很難達(dá)到這個(gè)量級(jí)。例如當(dāng)使用直徑為0.125 mm的銑刀時(shí)，主軸速度只有達(dá)到1 000 000 r/min以上才能滿(mǎn)足上述切削速度要求，現(xiàn)有的商用機(jī)床還不能滿(mǎn)足此要求。因此，本文將只在較低的切削速度范圍內(nèi)研究切削速度對(duì)毛刺形成的影響。

1.2 進(jìn)給量的選擇

銑削過(guò)程是一個(gè)多刃斷續(xù)加工過(guò)程，本文采用每齒進(jìn)給量ft來(lái)表征進(jìn)給量，這是因?yàn)槊魁X進(jìn)給量ft與如圖1所示的正交切削模型中的切削深度ap是相對(duì)應(yīng)的，便于分析。根據(jù)Ernst－Merchant的金屬剪切平面模型，切削過(guò)程中的剪切力Fs為

式中:k為材料的剪切應(yīng)力;d為刀具直徑。與單純的正交切削模型不同，銑刀的刀具前角與切削刃所在的徑向位置有關(guān)。根據(jù)Merchant公式，可以推出某一段切削刃長(zhǎng)度ΔW上的背吃刀力ΔFt為

式中:r為某處切削刃所在的半徑;R為銑刀半徑。因此，總的背吃刀力可以描述為

式中:f（g1，g2，…，gm，m1，m2，…，mm）為與刀具幾何參數(shù)和工件材料性質(zhì)有關(guān)的函數(shù)。則切削加工過(guò)程中的有效的應(yīng)力可以描述為

對(duì)于同批次的刀具，工件材料性質(zhì)可認(rèn)為保持不變。因此在切削加工過(guò)程中的有效應(yīng)力只取決于ft/d。由此可知，當(dāng)?shù)毒咧睆綔p小時(shí)，每齒進(jìn)給量也必須呈線性減小，否則由于切削應(yīng)力過(guò)大會(huì)使刀具磨損加劇，甚至產(chǎn)生斷裂。盡管基于此原理，可以根據(jù)傳統(tǒng)加工手冊(cè)中推薦的進(jìn)給量，計(jì)算出微銑削時(shí)的進(jìn)給量，但是，手冊(cè)中能查到的進(jìn)給量范圍還比較窄，很難得出進(jìn)給量對(duì)毛刺的影響規(guī)律。因此，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，在不同的進(jìn)給量下研究毛刺的形成規(guī)律。

1.3 進(jìn)給量和切削刃刃口半徑之間的關(guān)系

進(jìn)給量ft與切削刃口半徑rε的比值ft/rε將直接影響加工過(guò)程中的刀具實(shí)際前角、切屑厚度和切削能。在常規(guī)銑削過(guò)程中，由于切削刃口半徑與切削深度的比值很小，因此切削刃口半徑對(duì)切削過(guò)程的影響是可以忽略的。然而在微細(xì)銑削過(guò)程中，切削刃口半徑與切削深度之比接近于1，刀具的實(shí)際前角為負(fù)值，從而導(dǎo)致切削應(yīng)力增大，這將有可能使毛刺的尺寸增大。因此，在微細(xì)銑削加工時(shí)，切削刃口半徑對(duì)切削過(guò)程的影響不能再被忽略。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用的微徑銑刀為M.A.FORD公司生產(chǎn)的2刃端銑刀，其刃口半徑約為2～3 μm。加工材料為AL5052。實(shí)驗(yàn)在5軸加工中心上進(jìn)行，該機(jī)床的主軸最高轉(zhuǎn)速為42 000 r/mm。

2 毛刺大小的表征方法

毛刺大小的表征是研究毛刺過(guò)程中遇到最大的挑戰(zhàn)?？梢杂靡员碚髅痰牧坑忻谈叨取⒚毯穸?、毛刺體積和毛刺硬度。其中毛刺的高度和毛刺的厚度是影響靶零件使用性能的主要參數(shù)，因此，本文使用這兩個(gè)參數(shù)對(duì)毛刺進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)。采用白光干涉儀對(duì)毛刺的高度和寬度進(jìn)行了測(cè)量。由于毛刺的形狀及其復(fù)雜，無(wú)法直接測(cè)量出毛刺的高度和厚度。根據(jù)白光干涉儀的測(cè)量結(jié)果，使用平均值的方法對(duì)毛刺的高度和厚度進(jìn)行表征，表征方法如下:將白光的測(cè)量結(jié)果沿豎直方向以等間距Δl進(jìn)行分割，分割成n等份，如圖2所示。將每條分割線對(duì)應(yīng)的毛刺厚度和高度分別計(jì)為Δwi和Δhi，則毛刺的平均厚度和平均高度為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖3為加工樣件的SEM檢測(cè)結(jié)果。從檢測(cè)結(jié)果中可以明顯地看出順銑側(cè)的毛刺比逆銑側(cè)的毛刺要多，而且尺寸要大，如圖4所示。這一結(jié)果與Schmidt和孫雅洲等人的研究結(jié)果是相符的。這是因?yàn)轫樸姇r(shí)刀具由工件材料的內(nèi)部向邊界運(yùn)動(dòng)，工件邊界處的材料處于無(wú)約束自由狀態(tài)，支撐剛度小，在刀具運(yùn)動(dòng)的作用下，這部分材料向工件邊界外方向發(fā)生塑性變形，與工件本體無(wú)法分離，不形成切屑，而是懸掛在工件的邊界處，形成切削毛刺。逆銑時(shí)刀具由工件邊界向工件內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，工件材料的支撐剛度較大，容易形成切屑，所以其毛刺的尺寸要小。

圖5為不同切削速度條件下，逆銑側(cè)毛刺的平均高度的檢測(cè)結(jié)果。從檢測(cè)結(jié)果可以看出當(dāng)每齒進(jìn)給量小于2 μm時(shí)，隨著切削速度的提高，毛刺的平均高度降低。這可能是由于此時(shí)切削深度與刀具刃口半徑尺寸上相當(dāng)，切削速度是形成切屑的主要原因。當(dāng)切削速度較低時(shí)，工件材料的變形率較小，不易形成切屑，切削過(guò)程中有明顯的耕犁和滑移現(xiàn)象。前刀面上的工件材料不再形成切屑，而是沿刀具的主切削向外側(cè)變形，形成毛刺。隨著切削速度的提高，工件材料的變形率逐漸增大，切削過(guò)程中的滑移和耕犁現(xiàn)象逐漸減弱，前刀面上的工件材料形成切屑而脫離工件母體，因此，此時(shí)產(chǎn)生的毛刺尺寸會(huì)有所減小。當(dāng)每齒進(jìn)給量大于2 μm時(shí)，刀具刃口半徑與切削深度的比值減小，刃口半徑對(duì)切削過(guò)程的影響減弱。隨著切削速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積也隨之增加，從而使加工過(guò)程中的切削應(yīng)力也不斷增大，因此，毛刺的高度會(huì)隨著切削速度的提高而增大。

圖6為不同的每齒進(jìn)給量條件下，毛刺的平均高度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，毛刺的平均高度隨著每齒進(jìn)給量的增大呈線性增大。這是因?yàn)槊魁X進(jìn)給量直接決定了切削過(guò)程中的切削應(yīng)力，每齒進(jìn)給量越大，工件材料承受的切削應(yīng)力就越大，切削應(yīng)力越大形成的毛刺高度就會(huì)越高。

圖7和圖8是不同切削速度和進(jìn)給量的條件下，逆銑側(cè)毛刺的平均厚度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出切削速度和進(jìn)給量對(duì)毛刺厚度的影響與其對(duì)毛刺高度的影響是相似的。當(dāng)進(jìn)給量大于2 μm時(shí)，ft/rε的比值大于等于1，隨著切削速度的提高，切削過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積增加，因此，需要的切削能和切削力隨之增加，從而切削過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力隨之增大，最終導(dǎo)致毛刺的厚度隨著切削速度提高而增大。當(dāng)進(jìn)給量小于2 μm時(shí)，ft/rε的比值小于1，切削過(guò)程中的刀具實(shí)際前角為負(fù)值，因此切削過(guò)程中刀具的滑移和耕犁作用明顯增大，在這種切削條件下，隨著切削速度的提高，切削刃處的金屬流動(dòng)性趨向一致，而且切屑也會(huì)隨之變薄［14］，這可能是造成毛刺高度和厚度隨著切削速度的提高而減小的原因。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出進(jìn)給量對(duì)毛刺的影響相對(duì)于切削速度對(duì)毛刺的影響要顯著，因此在加工時(shí)應(yīng)該首先選用合理的進(jìn)給量。

4 結(jié)語(yǔ)

在使用微細(xì)銑削方法加工，可以通過(guò)選擇合理的走刀方式和加工參數(shù)能夠達(dá)到抑制毛刺產(chǎn)生的目的。本文通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)研究了切削速度、每齒進(jìn)給量以及每齒進(jìn)給量與刀具刃口半徑之比對(duì)毛刺高度和厚度的影響，得到的結(jié)論如下:

（1）逆銑側(cè)的毛刺比順銑側(cè)的毛刺要小。

（2）毛刺的高度和厚度隨著每齒進(jìn)給量的增大而逐漸增大。

（3）當(dāng)ft/rε＜1時(shí)，隨著切削速度的提高，毛刺的高度和厚度呈減小趨勢(shì);當(dāng)ft/rε≥1時(shí)，隨著切削速度的提高，毛刺的高度和厚度呈增大趨勢(shì)。

（4）進(jìn)給量相對(duì)于切削速度對(duì)毛刺的影響較為顯著。

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