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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