7075鋁合金銑削參數(shù)與表面粗糙度探究

齊 萌

（開封技師學(xué)院 機械工程系，河南 開封 475000）

0 引言

7075鋁合金具有強度高、比重小以及耐磨性好等特性，廣泛應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)和發(fā)動機等航空航天領(lǐng)域的精密機械和零部件制造［1］。在進行精密加工過程中，如果其切削工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，就會對機床上刀具的耐磨性能和工件的表面質(zhì)量產(chǎn)生直接影響［2］。若進給量過大，工件表面就會出現(xiàn)嚴重的隆起和凹坑，切削力同時增大，會發(fā)生嚴重塑性變形［3］。若主軸轉(zhuǎn)速選取不當(dāng)，就易產(chǎn)生積屑瘤，使工件和刀具之間的摩擦系數(shù)增大，影響刀具使用壽命［4］。所以，合理選擇加工工藝參數(shù)是保證鋁合金精密件加工質(zhì)量的重要前提。

本文采用Φ20三刃硬質(zhì)合金立銑刀，銑削7075高強度航空鋁合金。刀具幾何結(jié)構(gòu)為：前角19°，后角10°，刀尖圓弧半徑1mm。工件加工為平面，采用順銑的加工方式，加工環(huán)境為干式切削。結(jié)合銑削試驗，利用日本三豐公司Mitutoyo工具顯微鏡觀察其微觀形貌，分析主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、側(cè)吃刀量和背吃刀量對7075鋁合金表面粗糙度的影響規(guī)律，揭示工藝參數(shù)與銑削表面質(zhì)量的內(nèi)在映射規(guī)律，建立適用于工程應(yīng)用的預(yù)測模型，為實際需求提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗裝置及方案設(shè)計

1.1 試驗方案

本試驗材料選用航空鋁合金，牌號為7075-T6510，其長、寬、高結(jié)構(gòu)尺寸分別為100 mm、100 mm、50 mm。具體材料含量見表1。

表1 7075-T6510鋁合金化學(xué)含量

本試驗在大連機床生產(chǎn)的VDL-800四軸加工中心上進行。采用便攜式粗糙度儀，對加工工件進行表面粗糙度測量。采用工具顯微鏡觀察其微觀形貌。如圖1所示。

圖1 試驗平臺

1.2 試驗設(shè)計及結(jié)果

為了充分體現(xiàn)工藝參數(shù)對銑削表面粗糙度Ra的影響，以工件表面粗糙度為試驗指標(biāo)，以主軸轉(zhuǎn)速n，進給量vf，背吃刀量ap和側(cè)吃刀量ae為影響因素，設(shè)計試驗，其試驗參數(shù)見表2。同時，對工件表面粗糙度進行測量，其結(jié)果見表3。

表2 試驗參數(shù)

表3 試驗結(jié)果

2 工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

2.1 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

根據(jù)表3表面粗糙度試驗結(jié)果，采用方差分析法進行工藝參數(shù)對表面粗糙度影響分析，如圖2所示。

圖2 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

如圖2所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度呈減小趨勢，而隨著進給速度和背吃刀量的增大，表面粗糙度均呈惡化趨勢，并且進給速度最為顯著，側(cè)吃刀量對表面粗糙度影響不明顯。因此，在實際加工中，建議選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速、較低的進給速度和較小的背吃刀量，以及刀具壽命允許范圍內(nèi)的大的側(cè)吃刀量。

2.2 工藝參數(shù)對表面形貌的影響

圖3為不同主軸轉(zhuǎn)速下表面微觀形貌。從圖中可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，加工表面的溝壑和隆起逐漸減少。7075鋁合金是典型的塑形材料，在低轉(zhuǎn)速銑削加工中容易產(chǎn)生“粘刀”現(xiàn)象，這增加了切屑與刀具的摩擦，容易形成積屑瘤，導(dǎo)致工件表面切削深度不均衡，加工質(zhì)量惡化。在加工過程中，適當(dāng)增加主軸轉(zhuǎn)速，使工件與切削分離比較完全，可以遏制“粘刀”現(xiàn)象的產(chǎn)生，使已加工表面均衡平滑，刀痕不明顯。

圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速下加工表面的形貌

圖4為不同進給速度下加工表面的形貌。從圖中可見，在給定的銑削參數(shù)內(nèi)，隨著進給速度的增加，表面粗糙度呈增大趨勢，然而，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進給速度影響下的表面粗糙度增大的趨勢逐漸減緩，這進一步說明主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響比進給速度顯著。另一方面，增大進給速度雖然有利于提高金屬切除率，但是也使單位長度的切削紋理周期數(shù)逐漸減少，波峰和波谷不均勻。由此可見，進給量越大，表面紋理越粗，表面粗糙度值越大；反之，表面粗糙度值越小。

圖4 不同進給速度下加工表面的形貌

3 表面粗糙度預(yù)測模型

3.1 模型的建立

表面粗糙度是衡量切削加工質(zhì)量的重要性能指標(biāo)之一，而切削用量的選擇直接影響表面粗糙度。目前，切削用量的選擇通常是通過切削手冊查詢來進行，或是技術(shù)工人憑借經(jīng)驗來確定。憑借經(jīng)驗確定的切削參數(shù)，其使用范圍較窄；通過切削手冊查詢的數(shù)值，僅僅表明一個范圍；靠切削試驗確定的參數(shù)，又具有局限性和復(fù)雜性。因此，建立表面粗糙度預(yù)測模型，對表面粗糙度進行預(yù)測，顯得尤為重要。

根據(jù)表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?］：

其中，b0，b1，b2，b3，b4為待定系數(shù)。

使用 matlab 軟件中的 stepwise 命令進行逐步回歸，求出 b0，b1，b2，b3，b4，即：

對上述模型進行顯著性檢驗，可得：擬合度 R2＝0.8297，顯著性檢驗 F＝26.7977＞0，說明該模型擬合效果良好。但是，與顯著性相關(guān)的P＝0.0895＞0.05，說明回歸方程中的有些變量可以考慮剔除。

3.2 模型驗證與分析

圖5為試驗值與預(yù)測值對比結(jié)果。從圖中可以看出，預(yù)測模型計算值與試驗值匹配度較高。因此可以說，預(yù)測模型具有較高的匹配度。根據(jù)F可得，各個銑削參數(shù)對表面粗糙度的顯著影響排序為：每齒進給量＞切削速度＞軸向切削深度＞徑向切削深度。

圖5 試驗值與預(yù)測值對比

4 結(jié)論

7075鋁合金質(zhì)量輕、強度大，廣泛應(yīng)用于高端精密制造業(yè)。在7075鋁合金零件加工中，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度減小，隨著進給速度、背吃刀量和側(cè)吃刀量的增大，表面粗糙度增大。主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度具有最大的正效應(yīng)影響，而進給速度對表面粗糙度具有較大的負效應(yīng)影響，側(cè)吃刀量次之，背吃刀量影響最小。