劉 力,吳 賢,沈劍云
(1.廈門市同安職業(yè)技術(shù)學(xué)校,福建 廈門 361100;2.華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建 廈門 361021)
近年來(lái)微小型技術(shù)在民用和國(guó)防領(lǐng)域均發(fā)展迅猛,精密儀器、3C電子、生物醫(yī)療以及航空航天等行業(yè)對(duì)微小型技術(shù)的需求逐年增加。微小型產(chǎn)品的需求給微細(xì)加工技術(shù)帶來(lái)挑戰(zhàn)與機(jī)遇,促進(jìn)了微細(xì)加工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。與其它微細(xì)加工技術(shù)相比,微細(xì)銑削具有諸多明顯優(yōu)勢(shì):能適應(yīng)金屬、陶瓷以及復(fù)合材料等多種工程材料加工;具備較強(qiáng)的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工能力;加工精度高,加工成本低;具有較高的材料去除率等[1-2]。微細(xì)銑削已經(jīng)成為微小型零件的主要制造方法之一,得到廣泛工業(yè)應(yīng)用[3-4]。
微細(xì)銑削中由于刀具直徑和加工參數(shù)的減小,刃口鈍圓半徑和切削厚度通常都在微米級(jí)別內(nèi),產(chǎn)生有別于傳統(tǒng)銑削的新現(xiàn)象,如尺寸效應(yīng)、最小切削厚度等,導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差、毛刺嚴(yán)重等問(wèn)題[5-6]。工件表面的毛刺是銑削加工中常見(jiàn)現(xiàn)象,毛刺根據(jù)形成機(jī)理可分成泊松毛刺、撕裂毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺和切斷毛刺,根據(jù)分布位置可分為頂端毛刺、槽底毛刺、入口毛刺以及出口毛刺,其中頂端毛刺的尺寸往往最大,對(duì)零件質(zhì)量的影響最大[7-8]。文獻(xiàn)[9]研究了微細(xì)銑削加工參數(shù)對(duì)毛刺高度和寬度的影響,發(fā)現(xiàn)銑削深度和刀具直徑對(duì)毛刺尺寸的影響最大。文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑削不銹鋼的毛刺最大高度可達(dá)到銑削深度的156%,使用切削液可以減小毛刺高度55%,較大微細(xì)銑刀直徑可以獲得較小毛刺,銑削路徑對(duì)毛刺高度影響不大。文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)微細(xì)切削過(guò)程中刃口區(qū)域的應(yīng)力分布對(duì)毛刺形成具有重要影響,當(dāng)切削厚度等于刃口鈍圓半徑時(shí)可獲得最小毛刺高度。文獻(xiàn)[12]提出了微細(xì)銑削中泊松毛刺和切出毛刺尺寸的理論計(jì)算模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的誤差小于16.8%。文獻(xiàn)[13]研究了微細(xì)銑削中毛刺的大小和形態(tài),認(rèn)為要減少毛刺應(yīng)采用鋒利刀具和逆銑方式,并控制適當(dāng)?shù)你娤魃疃?,選擇合適的切削速度和進(jìn)給量。綜上所述,微細(xì)銑削加工過(guò)程十分復(fù)雜,毛刺形成過(guò)程和規(guī)律并不同于傳統(tǒng)銑削,受到加工過(guò)程中刀具弱剛性、尺寸效應(yīng)、最小切削厚度等多種因素的影響。
目前,傳統(tǒng)銑削加工的研究已經(jīng)較成熟,但是針對(duì)不同工況下微細(xì)銑削加工表面質(zhì)量提高和毛刺尺寸控制的研究還相對(duì)較少。紫銅材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性,以紫銅制作的各類微小型電極廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代模具制造業(yè),具有三維復(fù)雜微小型結(jié)構(gòu)的紫銅電極非常適合微細(xì)銑削加工。紫銅電極的尺寸精度、表面質(zhì)量以及毛刺對(duì)電火花加工的型腔精度等級(jí)、尺寸穩(wěn)定性和一致性均具有重要影響,在電火花加工過(guò)程中如果毛刺脫落在型腔內(nèi),會(huì)造成積碳,導(dǎo)致型腔尺寸及外觀不良[14-15]。這里進(jìn)行微細(xì)銑削紫銅試驗(yàn)研究,首先對(duì)表面粗糙度和輪廓曲線進(jìn)行測(cè)量和分析,隨后觀察毛刺形態(tài)和測(cè)量毛刺寬度尺寸,進(jìn)而分析加工參數(shù)對(duì)毛刺形態(tài)和寬度尺寸的影響規(guī)律,并提出抑制毛刺形成的微細(xì)銑削工藝控制方法。
在微細(xì)切削過(guò)程中刀具與工件材料之間的接觸區(qū)域包括前刀面DE、切削刃圓弧BD和后刀面AB,如圖1所示。由于微細(xì)銑削的切削厚度較小,切削刃圓弧的接觸長(zhǎng)度占比最大,是主要的接觸弧區(qū)。在切削力作用下,前刀面和切削刃圓弧沿切削方向擠壓工件材料,當(dāng)作用于工件的應(yīng)力大小達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí),工件發(fā)生塑性變形,沿著最小約束方向發(fā)生塑性流動(dòng)。在切削方向的前方和下方都受到工件材料的強(qiáng)力約束,塑性流動(dòng)阻力很大;上方是無(wú)約束的自由表面,因此切削過(guò)程中工件材料主要是沿著前刀面向上塑性流動(dòng),形成切屑排出切削區(qū)域。如果在切削區(qū)域的側(cè)面也是無(wú)約束的自由表面,比如正交切削的兩側(cè)面,塑性流動(dòng)阻力較小,導(dǎo)致會(huì)有部分材料向工件側(cè)面發(fā)生塑性流動(dòng),稱之為塑性側(cè)流。
圖1 材料塑性流動(dòng)示意圖Fig.1 The Schematic of Material Side Flow
切削過(guò)程中在切削刃圓弧底部存在滯留點(diǎn)C,滯留點(diǎn)將切削刃與工件的接觸弧區(qū)分成兩部分,即圖中CDE和ABC區(qū)域。其中,接觸區(qū)域CDE的材料發(fā)生塑性側(cè)流,與該區(qū)域材料一起向上塑性流動(dòng)成為切屑一部分,形成切屑的側(cè)面;接觸區(qū)域BC的材料發(fā)生塑性側(cè)流,則與該區(qū)域材料一起流向已加工表面,形成已加工表面的側(cè)面,在已加工表面的側(cè)面產(chǎn)生泊松毛刺;在滯留點(diǎn)下方BC區(qū)域的材料越過(guò)切削刃圓弧流向已加工表面,隨后發(fā)生彈性回復(fù)形成接觸區(qū)域AB。在后刀面的接觸區(qū)域AB,材料的彈性回復(fù)向上會(huì)受到后刀面的強(qiáng)力約束,向下受到已加工表面的強(qiáng)力約束,而側(cè)面是無(wú)約束的自由表面,因此,在接觸區(qū)域AB也會(huì)發(fā)生少量的塑性側(cè)流,在已加工表面的側(cè)面產(chǎn)生泊松毛刺,這就是泊松毛刺的形成過(guò)程。在正交切削中泊松毛刺主要形成在工件兩側(cè)面,在微細(xì)銑削中泊松毛刺主要形成在工件頂面,這些表面在切削過(guò)程中都屬于無(wú)約束的自由表面,如圖2所示。隨著微細(xì)銑刀的不斷進(jìn)給運(yùn)動(dòng),每個(gè)刀刃在切削過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生新的毛刺,前一個(gè)刀刃產(chǎn)生的毛刺,部分被后一個(gè)刀刃的切削運(yùn)動(dòng)去除,部分與后一個(gè)刀刃產(chǎn)生的毛刺相互疊加,最終形成頂端毛刺。
圖2 泊松毛刺形成過(guò)程Fig.2 The Schematic of Poisson Burr Formation
在切削過(guò)程中可將切削區(qū)域分為三個(gè)變形區(qū),分別是第一變形區(qū)、第二變形區(qū)和第三變形區(qū),如圖3所示。隨著切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行,當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到工件的出口邊緣時(shí),由于在切削運(yùn)動(dòng)前進(jìn)方向上工件形狀不連續(xù),即工件形狀發(fā)生突變。該方向上工件支撐剛度下降,也就是在該方向上對(duì)切削過(guò)程中材料塑性流動(dòng)的約束下降,工件的出口端成為無(wú)約束的自由表面,導(dǎo)致在切削刃的下方出現(xiàn)第四變形區(qū),即負(fù)剪切帶。負(fù)剪切帶的出現(xiàn)改變了切削過(guò)程中工件材料塑性流動(dòng)路徑,標(biāo)志著出口毛刺開(kāi)始形成。負(fù)剪切帶一直延伸到工件的出口端,與出口端有個(gè)交點(diǎn)。隨著刀具繼續(xù)向工件出口運(yùn)動(dòng),負(fù)剪切帶的材料不再沿著前刀面向上流動(dòng),而是繞著該交點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)流動(dòng),并最終留在工件的出口端,形成片狀出口毛刺,如圖3(c)所示。
圖3 出口毛刺形成過(guò)程Fig.3 The Schematic of Exit Burr Formation
由于微細(xì)切削過(guò)程中滯留點(diǎn)的存在以及工件出口處的形狀突變,泊松毛刺和出口毛刺的形成是難以避免的,本質(zhì)上都是由于切削過(guò)程中工件材料的非期望塑性流動(dòng)產(chǎn)生的,而工件材料的塑性流動(dòng)則主要取決于材料特性和切削區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)微細(xì)銑削過(guò)程中刀具對(duì)工件材料的犁耕和擠壓作用非常劇烈,負(fù)前角切削狀態(tài)嚴(yán)重,使得切削區(qū)域的應(yīng)力分布集中在切削刃圓弧的底部。這種應(yīng)力分布情況對(duì)滯留點(diǎn)以下工件材料的塑性側(cè)流和工件出口處的負(fù)剪切帶形成都是有利的,從而會(huì)促進(jìn)毛刺的形成過(guò)程,這是微細(xì)銑削毛刺嚴(yán)重的主要原因,通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)減輕負(fù)前角切削狀態(tài),有助于減小微細(xì)銑削毛刺。
試驗(yàn)使用刀具是超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金微細(xì)銑刀,刀具直徑為1mm,刀刃長(zhǎng)為2.5mm,刀柄直徑為4mm,通過(guò)超景深顯微鏡測(cè)得刀具的刃口鈍圓半徑為4.4μm。試驗(yàn)所用的工件材料為紫銅T2,工件尺寸為(30×10×3)mm。試驗(yàn)所用的機(jī)床為HAAS立式加工中心,該機(jī)床主要用于微小零件的數(shù)控銑削加工,主軸最高轉(zhuǎn)速為30000rpm,X、Y和Z軸行程分別為305mm、254mm 和305mm,工作臺(tái)尺寸為508×254mm,重復(fù)定位精度為±2μm,如圖4所示。
圖4 微細(xì)銑削試驗(yàn)Fig.4 Micro Milling Experiment
工件裝夾后,在試驗(yàn)前先使用直徑5mm的刀具將工件表面加工平整,然后再進(jìn)行直槽銑削的單因素試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中不進(jìn)行二次裝夾。微細(xì)銑削試驗(yàn)參數(shù),如表1所示。其中,主軸轉(zhuǎn)速選用范圍為(8000~20000)rpm,銑削深度選用范圍為(2~14)μm,每齒進(jìn)給量的選用范圍為(0.09~6.6)μm,包含小于、等于和大于刃口圓弧半徑范圍,每個(gè)試驗(yàn)均重復(fù)3次。試驗(yàn)后利用超聲清洗機(jī)將工件表面清洗干凈,采用超景深顯微鏡觀察工件的頂端毛刺形態(tài),分別測(cè)量逆銑邊和順銑邊上頂端毛刺的寬度尺寸。通過(guò)兩條平行線對(duì)毛刺進(jìn)行包絡(luò),測(cè)量毛刺根部與頂點(diǎn)之間的距離,即毛刺寬度尺寸w,如圖5所示。由于不同位置處的毛刺形態(tài)不是完全一致的,毛刺寬度尺寸測(cè)量前,先對(duì)毛刺形態(tài)進(jìn)行觀察,找到能夠表征毛刺特征的區(qū)域,然后對(duì)4個(gè)不同位置的毛刺寬度進(jìn)行測(cè)量,取平均值作為測(cè)量結(jié)果,盡量避免測(cè)量誤差。
表1 微細(xì)銑削試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Micro Milling Experiment Parameters
圖5 毛刺寬度測(cè)量圖Fig.5 Measurement of Burr Width Size
試驗(yàn)觀察到的頂端毛刺形態(tài),如圖6所示。根據(jù)不同形態(tài)特征可以分為五大類:羽毛狀、破碎狀、毛茸狀、鋸齒狀和墻壁狀頂端毛刺。由圖可知,羽毛狀毛刺的整體尺寸較大,呈現(xiàn)長(zhǎng)條扁平狀分散,發(fā)生一定程度卷曲。槽的邊緣處于刀具的切入和切出階段,瞬時(shí)切削厚度非常小,產(chǎn)生被嚴(yán)重?cái)D壓的扁平帶狀切屑,這些切屑非常難以折斷來(lái)正常脫離切削區(qū)域,而往往被擠壓出切削區(qū)域發(fā)生卷曲并粘附槽邊緣上,形成羽毛狀毛刺。破碎狀毛刺為不規(guī)則斷續(xù)形狀,尺寸比羽毛狀毛刺要小,形成機(jī)理與羽毛狀毛刺類似,只是這些切屑還沒(méi)完全成型,處于形成初始階段就被擠壓出切削區(qū)域并粘附在槽邊緣處,形成破碎狀毛刺。毛茸狀毛刺尺寸很小,頂部為毛茸茸的起伏形狀,由于工件材料塑性較好,切屑與工件分離過(guò)程中,經(jīng)過(guò)擠壓和撕裂后在槽邊緣產(chǎn)生不整齊斷口,形成毛茸狀毛刺。鋸齒狀毛刺具有周期性間距,主要是由于不穩(wěn)定的材料塑性側(cè)流產(chǎn)生的。在銑刀旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,槽邊緣切入和切出階段的瞬時(shí)切削厚度非常小,刀具對(duì)工件材料的耕犁作用非常劇烈,材料塑性側(cè)流較多,形成較大毛刺。但經(jīng)過(guò)多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后,瞬時(shí)切削厚度逐漸累積的越來(lái)越大,此時(shí)切削過(guò)程中的耕犁作用減小,材料塑性側(cè)流減少,形成較小毛刺。隨著銑刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),該過(guò)程周期性的發(fā)生,從而產(chǎn)生鋸齒狀毛刺,鋸齒狀毛刺的間距要大于工件表面的刀痕間距數(shù)倍。豎直狀毛刺尺寸很小,也是由于切削過(guò)程中材料塑性側(cè)流到槽邊緣形成的,但是由于其整體尺寸很小,并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的鋸齒形狀。觀察到的工件出口毛刺形態(tài)特征,如圖7所示。根據(jù)不同的形態(tài)特征,出口毛刺可分為兩類,片狀和翻卷狀出口毛刺。由于工件出口處形狀不連續(xù),支撐剛度下降,負(fù)剪切帶的出現(xiàn),形成片狀出口毛刺。在片狀出口毛刺的形成過(guò)程中,正剪切帶上那部分材料仍然會(huì)沿前刀面向上流動(dòng)產(chǎn)生切屑,但是在刀具離開(kāi)工件出口時(shí),由于切削速度方向上的支撐剛度下降,對(duì)切屑流動(dòng)約束減小,這些切屑不一定會(huì)產(chǎn)生完全脫落,而是與出口毛刺連接在一起,最終形成尺寸較大的翻卷狀出口毛刺,如圖7(b)所示。
圖6 頂端毛刺的形態(tài)分類Fig.6 The Morphology Classification of Top Burr
圖7 出口毛刺的形態(tài)分類Fig.6 The Morphology Classification of Exit Burr
每齒進(jìn)給量fz對(duì)頂端毛刺形態(tài)和寬度尺寸的影響規(guī)律如圖8所示。圖中左邊為逆銑邊,右邊為順銑邊,由圖可知逆銑邊和順銑邊的毛刺形態(tài)和寬度尺寸是不一樣的。當(dāng)fz<2.2μm∕Z時(shí),形成毛刺較多,逆銑邊是羽毛狀毛刺,順銑邊是鋸齒狀毛刺;當(dāng)fz=2.2μm∕Z時(shí),逆銑邊仍然是羽毛狀毛刺,但是順銑邊變?yōu)槠扑闋蠲?;而fz≥4.4μm∕Z時(shí),形成毛刺較少,逆銑邊和順銑邊都是薄片狀毛刺。由圖8(b)可知,在fz≥4.4μm∕Z范圍內(nèi),毛刺尺寸隨著fz的增加只有略微下降,基本處于穩(wěn)定水平,但是在fz<4.4μm∕Z范圍內(nèi),毛刺尺寸隨著fz的減小是逐漸上升的,測(cè)得的最小毛刺尺寸為8.6μm,最大毛刺尺寸為144.9μm,達(dá)到槽寬的144%。這主要是因?yàn)楫?dāng)每齒進(jìn)給量小于刀具的刃口鈍圓半徑時(shí),切削過(guò)程中嚴(yán)重的負(fù)前角切削狀態(tài)和耕犁作用會(huì)促進(jìn)毛刺的形成,從而導(dǎo)致毛刺尺寸的迅速增加。對(duì)比逆銑邊和順銑邊的毛刺尺寸還可知,當(dāng)fz<2.2μm∕Z時(shí),逆銑邊的毛刺尺寸要大于順銑邊,主要是由于此時(shí)在逆銑邊是尺寸較大的羽毛狀毛刺,而順銑邊是尺寸相對(duì)小的鋸齒狀毛刺形態(tài)。當(dāng)fz>2.2μm∕Z后,逆銑邊和順銑邊的毛刺都是薄片狀毛刺時(shí),逆銑邊的毛刺尺寸要小于順銑邊。不同銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速下的頂端毛刺尺寸變化,如圖9所示。逆銑邊的毛刺尺寸均小于順銑邊。隨著ap的增加,無(wú)論是逆銑邊還是順銑邊的毛刺尺寸都會(huì)逐漸上升。隨著ap的不斷增加,刀具每次去除材料增多,不僅切削力增大,且切削過(guò)程中形成的切屑增多,粘附在槽邊緣上的切屑也變多,造成毛刺尺寸變大。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,逆銑邊和順銑邊的頂端毛刺尺寸均呈現(xiàn)出一定程度減小。通過(guò)提高切削速度,刀具對(duì)工件材料的犁耕和擠壓作用時(shí)間減少,切削過(guò)程中材料變形減弱,導(dǎo)致塑性側(cè)流減少,有助于減少泊松毛刺形成,從而使得頂端毛刺尺寸的下降。
圖8 每齒進(jìn)給量對(duì)頂端毛刺形態(tài)和尺寸的影響Fig.8 The Effect of Feed Per Tooth on Top Burr Morphology and Size
圖9 銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)頂端毛刺尺寸的影響Fig.9 The Effect of Milling Depth and Spindle Speed on Top Burr Size
每齒進(jìn)給量fz對(duì)出口毛刺形態(tài)和寬度尺寸的影響,如圖10所示。fz非常小時(shí),出口毛刺上有未脫離的切屑連接,是翻卷狀出口毛刺,而隨著fz的增加,出口毛刺形態(tài)變成片狀出口毛刺。由圖可知,工件的出口毛刺尺寸隨著fz的增加而逐漸下降。在當(dāng)fz小于最小切削厚度時(shí),由于非常嚴(yán)重的負(fù)前角切削狀態(tài),工件出口邊緣處材料塑性變形嚴(yán)重,材料塑性流動(dòng)路徑較長(zhǎng),很容易與未脫離的切屑形成翻卷狀出口毛刺,導(dǎo)致出口毛刺的尺寸保持在較大水平。在fz大于刃口的鈍圓半徑時(shí),切削過(guò)程脫離負(fù)前角切削狀態(tài)后,負(fù)剪切帶的材料塑性變形減弱,出口毛刺尺寸趨于穩(wěn)定,保持在相對(duì)較小水平,且變化幅度不大。不同銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速下的出口毛刺尺寸變化,如圖11所示。隨著ap的增加,出口毛刺尺寸逐漸上升,刀具切出工件邊緣時(shí),負(fù)剪切帶的應(yīng)力分布會(huì)隨著切削力的上升而增加,導(dǎo)致出口毛刺也增多。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,出口毛刺尺寸略微減小,但是變化幅度相對(duì)較小。抑制微細(xì)銑削中的毛刺形成可以從加工參數(shù)優(yōu)化和加工軌跡選擇兩個(gè)方面入手。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)每齒進(jìn)給量取的小于刀具的刃口鈍圓半徑時(shí),毛刺尺寸往往較大,要想獲得較小的毛刺寬度尺寸,在加工過(guò)程中盡量選擇每齒進(jìn)給量大于刃口鈍圓半徑。要減小毛刺尺寸還需盡量減小銑削深度,但是銑削深度過(guò)小會(huì)影響到材料去除率,要根據(jù)實(shí)際需求采用合適的銑削深度。此外,選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速有助于減小毛刺尺寸。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn),逆銑邊頂端毛刺尺寸往往要小于順銑邊,因此在加工軌跡上可以盡量選擇逆銑,當(dāng)加工工件的內(nèi)輪廓時(shí)選擇順時(shí)針走刀軌跡,當(dāng)加工工件的外輪廓時(shí)選擇逆時(shí)針走刀軌跡。
圖10 每齒進(jìn)給量對(duì)出口毛刺形態(tài)和尺寸的影響Fig.10 The Effect of Feed Per Tooth on Exit Burr Morphology and Size
圖11 銑削深度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)出口毛刺尺寸的影響Fig.11 The Effect of Milling Depth and Spindle Speed on Exit Burr Size
通過(guò)對(duì)微細(xì)銑削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察、測(cè)量和分析,得到如下結(jié)論:
(1)微細(xì)切削過(guò)程中,滯留點(diǎn)以下切削區(qū)域發(fā)生的塑性側(cè)流形成泊松毛刺,泊松毛刺主要發(fā)生在微細(xì)銑削的工件頂端邊緣,形成頂端毛刺。當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到工件出口邊緣,工件形狀不連續(xù)支撐剛度下降,出現(xiàn)負(fù)剪切帶,形成出口毛刺。
(2)微細(xì)銑削頂端毛刺可以分為羽毛狀、破碎狀、毛茸狀、鋸齒狀和墻壁狀頂端毛刺五類,出口毛刺可以分為片狀和翻卷狀兩類刺。
(3)隨著每齒進(jìn)給量的減小,頂端毛刺尺寸先逐漸減小后迅速上升,等于刀刃鈍圓半徑時(shí)獲得最小頂端毛刺尺寸,出口毛刺尺寸先逐漸下降后趨于穩(wěn)定。頂端毛刺和出口毛刺尺寸均隨著銑削深度的增加而逐漸上升,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而逐漸下降。