高速微銑削Al2 O3 工程陶瓷工藝參數(shù)試驗研究*

楊 舒，許金凱，李曉舟，于化東，張向輝，趙智龍

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

0 引言

Al2O3工程陶瓷作為一種先進的特種陶瓷，具有高硬度、高熔點、高彈性模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)等特性，且具有優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性、耐磨性、耐熱性、耐損傷性和自潤滑性［1-2］，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、國防工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域。隨著科學領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對精密三維復(fù)雜微小結(jié)構(gòu)件的需求日益迫切，這也對Al2O3工程陶瓷的精密加工方式提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

由于Al2O3工程陶瓷一般通過熱壓燒結(jié)方法制成，形位尺寸精度和表面質(zhì)量較低，只有通過進一步加工，才能得到結(jié)構(gòu)形狀、可靠性、互換性等方面要求較高的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件。傳統(tǒng)的加工方法主要是對其進行磨削、車削、鉆孔等，在實際精加工時又以機械磨削最為普遍，但這種方法僅限于加工較大平面和回轉(zhuǎn)曲面［3-4］。因此，制備具有復(fù)雜、異形、集成結(jié)構(gòu)的精密Al2O3工程陶瓷零件已經(jīng)成為了一個亟待解決的問題。

本文利用高速小型微銑床對Al2O3工程陶瓷進行全徑銑削微溝槽正交試驗，驗證了Al2O3工程陶瓷材料的金剛石涂層刀具微細銑削加工方式的可行性，并以精密微銑削加工得到的表面粗糙度作為評價指標，采用極差法分析了主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和軸向切深對工件表面粗糙度的影響規(guī)律，并對微銑削加工工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了適合于Al2O3工程陶瓷材料高速微細銑削工藝參數(shù)。

1 試驗設(shè)備和方法

1.1 試驗設(shè)備

自行研制的小型高速精密微銑床電主軸最高轉(zhuǎn)速為100，000r/min，主軸回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于1 μm;工作臺位置精度優(yōu)于± 0.5 μm/100 mm，重復(fù)定位精度達±0.2μm，機床如圖1 所示。

圖1 小型高速精密微銑削機床

試驗材料為純度95%以上的Al2O3工程陶瓷，其物理力學特性如表1 所示。

表1 Al2O3 工程陶瓷物理力學特性

試驗采用金剛石涂層雙刃銑刀，粗銑選用直徑較大的銑刀，精銑時選用φ 1mm 直徑微銑刀，刀具懸伸24mm，刀柄直徑為4mm，刃長為2mm，刀尖圓弧半徑為0.05mm。通過超景深顯微鏡KEYENCE VHX-1000觀測到加工使用前的刀具形貌，如圖2 所示。高速銑削陶瓷工件后，用MarSurf LD120 輪廓與粗糙度測量系統(tǒng)對陶瓷工件進行表面粗糙度的測量。

圖2 加工前刀具形貌圖

1.2 試驗方法

在高速精密微銑削Al2O3工程陶瓷過程中，首先用等直徑銑刀對工件進行粗銑，在工件表面加工出基準面，然后在基準面上銑削微細溝槽結(jié)構(gòu)，微銑削過程如圖3 所示。

采用φ 1mm 直徑微銑刀對工件進行精密銑削時，試驗選擇了高切削速度、小進給量和小軸向切深，并設(shè)計了三因素四水平正交試驗。正交試驗因素水平分布如表2 所示。

圖3 高速精密微銑削Al2O3 工程陶瓷過程

表2 φ 1mm 微銑刀精銑Al2O3 工程陶瓷正交試驗因素水平表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

高速精密微銑削陶瓷工件后，對不同加工參數(shù)所加工的溝槽底部表面粗糙度Ra和Rz值進行測量，為使測量結(jié)果能夠準確得反映微細溝槽底部表面粗糙度，所有溝槽均測量多次，并運用狄克松準則對測量數(shù)據(jù)進行誤差分析，排除粗大誤差后取其算術(shù)平均值作為溝槽底部表面粗糙度Ra和Rz值，以此表征不同加工參數(shù)下的溝槽底部表面形貌。所得正交試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 φ 1mm 微銑刀精銑表面粗糙度L9(34)正交試驗方案及結(jié)果

續(xù)表

2.2 試驗結(jié)果分析

本試驗利用極差法對試驗結(jié)果進行分析，確定各加工參數(shù)對Al2O3陶瓷工件表面粗糙度影響的大小。K1，K2，…，K4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的表面粗糙度Ra值之和，相應(yīng)的k1，k2，…，k4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的平均表面粗糙度Ra值;T1，T2，…，T4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的表面粗糙度Rz值之和，相應(yīng)的t1，t2，…，t4數(shù)據(jù)分別表示各因素在同一水平下的平均表面粗糙度Rz值;R和R'均為各因素的極差值，是每個因素在各個水平下響應(yīng)均值的最大值與最小值之差，即:

將各數(shù)據(jù)計算后填表，如表3 所示。Rj值和R'j值標志各水平對試驗結(jié)果影響大小，數(shù)值越高，影響效果越大。由表3 知，RA= 0.007，RB= 0.0323，RC=，為更加清晰地表示各因素對工件表面粗糙度影響的主次順序，畫出各因素與Ra值和Rz值的關(guān)系圖，如圖4 和圖5 所示。

圖4 φ 1mm 微銑刀精銑時表面粗糙度Ra 值與三因素關(guān)系圖

圖5 φ 1mm 微銑刀精銑時表面粗糙度Rz 值與三因素關(guān)系圖

試驗結(jié)果表明，φ 1mm 直徑微銑刀懸伸量為24mm 微銑削Al2O3工程陶瓷時，軸向切深ap對Ra值和Rz值影響最大，進給速度vf次之，主軸轉(zhuǎn)速n對工件表面粗糙度影響較低。以Ra值為評判標準時最優(yōu)組合為A1B1C1，即主軸轉(zhuǎn)速為24000r/min，進給速度為5mm/min，軸向切深為2.5μm 時，Ra值最小;以Rz值為評判標準時的最優(yōu)組合為A4B3C1，即主軸轉(zhuǎn)速為33000r/min，進給速度為10mm/min，軸向切深為2.5μm 時，Rz值最小。

利用多元線性回歸的方法對數(shù)據(jù)進行分析，得到用φ 1mm 直徑微銑刀精銑時，試驗加工的表面粗糙度Ra值和Rz值與主軸轉(zhuǎn)速n、進給速度vf和軸向切深ap這三個銑削工藝參數(shù)之間的線性關(guān)系。關(guān)系如式(3)和(4)所示:

2.3 各因素對表面粗糙度的影響規(guī)律分析

根據(jù)試驗結(jié)果繪制φ 1mm 微銑刀高速微銑削Al2O3工程陶瓷時，主軸轉(zhuǎn)速n、進給速度vf和軸向切深ap與工件表面粗糙度Ra及Rz值的關(guān)系曲線，如圖6 所示，并分析各因素對工件表面粗糙度Ra值和Rz值的影響規(guī)律。

圖6 φ 1mm 微銑刀精銑時各因素與表面粗糙度Ra 和Rz的關(guān)系曲線

2.3.1 軸向切深對加工表面粗糙度的影響分析

本試驗中軸向切深是影響工件表面粗糙度的最主要因素。由圖6c 得知，軸向切深在2.5～10μm 范圍內(nèi)變化時，工件表面粗糙度值隨著軸向切深的增加而增加。當軸向切深為2.5μm 時，表面粗糙度Ra和Rz值最小，工件表面質(zhì)量最佳。微細銑削Al2O3工程陶瓷時，軸向切深的增加會使微銑刀的切削力增加，銑削力幅值的波動導致工件表面粗糙度增大，又由于微銑刀的直徑較小，銑削力的增加會使工件、刀具產(chǎn)生變形，產(chǎn)生的切削振動使表面粗糙度顯著變化［5］。此外，微型銑刀的磨損同樣對微銑削表面成形有著顯著的影響。在高速銑削過程中，刀具和工件接觸區(qū)頻繁的溫度變化使得涂層和刀具基體之間產(chǎn)生了高頻交變熱應(yīng)力，較大的軸向切深會使刀具出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象;又由于微細銑削中刀刃部分直徑小，刀尖強度低，在每齒進給量很小時，切削厚度與刃口圓弧半徑在同一數(shù)量級甚至更小時，切削主要集中在刀尖附近，刀尖會產(chǎn)生明顯破損［6-7］。正是由于這些原因?qū)е碌毒吣p，進而使工件表面粗糙度值增加，表面質(zhì)量降低。

2.3.2 進給速度對加工表面粗糙度的影響分析

高速銑削常選取小進給量進行加工，較小的每齒進給量會降低進給方向上的殘留高度，提高加工表面質(zhì)量;在走刀方向上，較小的進給量會影響到過渡表面形狀，進而減小走刀方向的表面粗糙度［8］。在微銑削中由于微銑削中刃口半徑尺寸效應(yīng)，使得在進給量發(fā)生變化時表面粗糙度發(fā)生明顯變化。由圖6b 得知，得知，進給量在5～12mm/min 范圍內(nèi)變化時，工件表面粗糙度Ra和Rz值在5～10mm/min 時趨于穩(wěn)定，但隨著進給速度的增加曲線最終呈現(xiàn)上升趨勢。由此可知，在高速微銑削中進給速度是影響表面粗糙度的重要因素。

2.3.3 主軸轉(zhuǎn)速對加工表面粗糙度的影響分析

本試驗中主軸轉(zhuǎn)速對加工表面粗糙度的影響是最次要的因素。由圖6a 得知，在高速精密微銑削Al2O3陶瓷工件過程中，主軸轉(zhuǎn)速在24000～33000r/min 范圍內(nèi)變化時，微細溝槽底部的表面粗糙度Ra和Rz值隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加先略有增加然后逐漸降低，當主軸轉(zhuǎn)速大于27000r/min 時，Ra和Rz值明顯減小。這是由于在微細切削過程中切削力是產(chǎn)生振動的主要激勵源，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具的切削速度提高，切削力降低，可以使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，從而降低加工表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量［9］。

3 結(jié)論

通過φ 1mm 微銑刀對Al2O3工程陶瓷材料進行高速微銑削表面粗糙度的試驗研究，得出如下結(jié)論:

(1)由正交試驗結(jié)果的極差分析及多元線性回歸模型的建立得知，在試驗條件下對Al2O3工程陶瓷材料加工時，軸向切深對工件表面粗糙度Ra和Rz值影響最大，進給速度次之，主軸轉(zhuǎn)速的影響最小。

(2)試驗中以Ra值為評判標準的最優(yōu)工藝參數(shù)是:主軸轉(zhuǎn)速為24000r/min，進給速度為5mm/min，軸向切深為2.5μm;以Rz值為評判標準的最優(yōu)工藝參數(shù)是:主軸轉(zhuǎn)速為33000r/min，進給速度為10mm/min，軸向切深為2.5μm。

(3)高速微銑削Al2O3工程陶瓷材料時，軸向切深的增加會使銑削力幅值波動、刀具磨損，導致工件表面粗糙度增大。進給速度是影響表面粗糙度的重要因素。提高主軸轉(zhuǎn)速可以降低切削力，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，從而降低加工表面粗糙度，提高加工表面質(zhì)量。

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