Al6061鋁合金微細銑削微毛刺的產生與信號特征相關性研究

廖璘志,陳琪,伍倪燕

1宜賓職業技術學院;2韓國培材大學

1 引言

近年來,隨著電子、醫療、光學、顯示器以及燃料電池等高新技術產業的發展,對微小型精密零件的需求不斷增加,進而衍生出各種微加工方法。與其他微加工方法不同,微細銑削是一種典型的微加工方法,具有諸多明顯優勢:能適應金屬、陶瓷以及復合材料等多種工程材料加工;具備較強的三維復雜結構加工能力;加工精度高,加工成本低;具有較高的材料去除率等[1,2]。但是在加工過程中很容易產生微毛刺,易造成零件的尺寸誤差及表面粗糙。與一般毛刺不同,微毛刺的去毛刺工序難度更大,增加了加工成本,在自動化過程中難以管理。

目前,一般去毛刺方法包括使用振動、噴砂、滾筒等機械去毛刺方法以及使用蝕刻等化學反應方法[3,4]。Gillespie L.K.[5]指出,微小型精密零件的去毛刺工序的成本在精密零件加工中占總工藝成本的 30% 以上,并且存在因加工時間長導致生產率降低的問題。據文獻[6,7]統計,在金屬零部件的加工過程中,去毛刺費用占零件制造成本的10%左右,上世紀末,美國每年用于去毛刺的費用就高達數十億美元。因此,開展關于監控加工切削條件以減少微毛刺產生的研究尤為重要。

在前期研究中,利用聲發射(AE)信號的均方根值(RMS)可以預測表面粗糙度,并且證實了切削力和聲發射信號的均方根值趨于相似[8,9]。本文通過對Al6061鋁合金進行微細銑削加工實驗,使用測力儀和聲發射傳感器在加工過程中獲取不同切削條件下的切削力和聲發射信號,提取和計算信號特征值來衡量切削過程的穩定性,根據實驗數據推導出切削條件與微毛刺大小的關系,為實現控制微小型零件表面質量及尺寸精度提供了新的參考依據,該方法具有一定的理論意義和實用價值[10]。

2 實驗設計

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示,采用Makino V55高速加工中心,加工范圍為900mm×500mm×450mm,工作臺尺寸為460mm×1000mm,主軸上安裝轉速高達80000r/min的空氣渦輪主軸,可以通過氣壓調節轉速。在工作臺上安裝Kistler 9257B三向測力儀以測量切削力信號,并在加工工件側面安裝一個4357 Pico型聲發射信號(AE)傳感器以獲得AE信號。

圖1 實驗裝置

2.2 實驗方法

實驗所用工件材料為Al6061鋁合金,刀具為直徑200μm的C-CES 2002-0040雙刃微型立銑刀,如圖2所示。在微銑削加工實驗中,在不同切削參數下(見表1)進行切槽加工,獲得加工過程中切削力信號,計算出切削合力的平均值,并對AE信號進行均方根計算,利用電子顯微鏡測量加工表面微毛刺(見圖3)。

表1 模態頻率與振幅

圖2 微細銑削刀具

圖3 零件表面微毛刺形貌

切削參數選擇為主軸轉速、每齒進給量、切削深度,主軸轉速為60000r/min,65000r/min,70000r/min,每齒進給量為0.5μm/z,1.0μm/z,1.5μm/z,切削深度為20μm,30μm,40μm,主軸的旋轉方向和進給方向如圖3p所示。

3 實驗結果

3.1 切削力及AE RMS對微毛刺的影響

根據表1數據選擇不同切削參數進行實驗,并記錄了切削力和AE RMS值的變化情況(見圖4)。同時,通過電子顯微鏡測量了15種條件下的微毛刺長度(見表2及圖5)。

表2 微毛刺長度 (μm)

圖4 切削力與聲發射均方根值實驗結果

圖5 微毛刺長度

實驗結果顯示,在切削力和AE RMS值較大的加工條件下,微毛刺的長度較長且數量較多。因此,切削力和AE RMS值的大小與微毛刺的產生存在一定相關性,這也證明了聲發射監測技術在提高零件表面質量上的有效性。

3.2 AE RMS的變化對微毛刺的影響

實驗選取序號1,4,6,9的切削條件進行研究,通過計算AE信號的特征參數RMS值發現,聲發射均方根值的振幅與微毛刺之間存在關聯(見圖6)。

圖6 聲發射均方根值變化趨勢

實驗結果顯示,在微細銑削加工中,AE RMS值與微毛刺的大小之間存在一定的相關性,AE RMS值的變化趨勢能夠反映微毛刺的狀態。當AE RMS值具有較大的振幅和不穩定性時,微毛刺的長度較長,數量較多;而當AE RMS值具有較小的振幅且相對穩定時,微毛刺的長度較短,數量較少。較大且不穩定的AE RMS值可能預示著微毛刺的產生和較長的長度,而較小且相對穩定的AE RMS值則可能預示著較短的微毛刺或較少的毛刺數量。

綜上所述,AE RMS值在微細銑削加工中與微毛刺的大小和狀態密切相關。通過監測AE RMS值的變化,可以有效預測微毛刺的產生和控制微毛刺的大小,為提高零件表面質量和減少微毛刺產生提供了一種有效的方法。

3.3 進給量對AE RMS、切削力及微毛刺長度的影響

實驗結果顯示(見圖7～圖9),在恒定主軸轉速下,隨著每齒進給量的增加,AE RMS值呈現增大的趨勢。這表明在微細銑削加工過程中,隨著進給量的增加,產生了更多的聲發射信號,可能是因為切削力的變化導致微小振動的增加,從而產生更多的聲發射事件,切削力呈現增大的趨勢。這是由于每齒進給量的增加導致了更多的材料被切削移除,因此切削力也隨之增大;微毛刺的長度也呈現增大的趨勢,這意味著進給量的增加會導致加工表面的不平整性增加,從而產生更大尺寸的微毛刺。

(a)60000r/min

(a)60000r/min

(a)60000r/min

綜上所述,進給量是影響AE RMS值、切削力以及微毛刺長度的重要因素。較大的進給量可能會導致更多的聲發射信號、較大的切削力和更長的微毛刺長度。因此,在微細銑削加工中,合理地控制進給量是減少微毛刺產生、提高表面質量的關鍵措施之一。

3.4 主軸轉速對AE RMS、切削力及微毛刺長度的影響

實驗結果顯示(見圖10和圖11),在每齒進給量恒定的情況下,隨著主軸轉速的變化,AE RMS值的變化不明顯。這表明在微細銑削加工過程中,主軸轉速的變化對聲發射信號的產生沒有明顯的影響;切削力對主軸轉速的變化響應較大:實驗結果顯示,隨著主軸轉速的增加,切削力呈現明顯的增大趨勢。主軸轉速的增加會導致刀具與工件之間的相對運動速度增加,進而導致切削力的增加。

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

微毛刺長度對主軸轉速的變化不敏感:根據表2中的數據和描述可以看出,在進給量相同的情況下,主軸轉速的變化對微毛刺的長度沒有明顯的影響。

綜上所述,主軸轉速的變化對AE RMS值的影響不大,但對切削力有明顯的影響。然而,主軸轉速的變化對微毛刺的長度沒有明顯的影響。因此,在微細銑削加工中,調節主軸轉速可能會對切削力產生影響,但對微毛刺的形成沒有顯著效果。在控制微毛刺長度方面,可能需要更多地關注其他切削參數,如切削深度和進給量。

3.5 切削深度對AE RMS、切削力及微毛刺長度的影響

實驗結果顯示(見圖12～圖14),隨著切削深度的增加,AE RMS值呈現增大的趨勢。這表明在微細銑削加工過程中,隨著切削深度的增加,產生了更多的聲發射信號。切削深度增加可能導致刀具與工件接觸面積增加,進而引起更多的切削力和微小振動,從而產生更多的聲發射;切削力呈現增大的趨勢。這是由于切削深度的增加導致切削量增加,更多的材料被切削移除,因此切削力也隨之增大。

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

根據表2中的數據和圖14的結果可以看出,隨著切削深度的增加,微毛刺的長度也呈現增大的趨勢。這意味著切削深度的增加會導致加工表面的不平整性增加,從而產生更大尺寸的微毛刺。

綜上所述,切削深度是影響AE RMS值、切削力以及微毛刺長度的重要因素。較大的切削深度可能會導致更多的聲發射信號、較大的切削力和更長的微毛刺長度。因此,在微細銑削加工中,合理地控制切削深度是減少微毛刺產生、提高表面質量的關鍵措施之一。

4 結語

實驗研究了在不同切削參數下對Al6061鋁合金微細銑削加工中微毛刺的大小與切削用量、AE RMS值及切削力之間的相關性。

(1)隨著切削深度的增加,微毛刺的長度呈現增大的趨勢。同時,切削深度的增加會導致切削力增加,并且聲發射信號(AE RMS值)的振幅也增大。因此,切削深度是影響微毛刺大小和形成的重要因素。

(2)隨著每齒進給量的增加,聲發射信號(AE RMS值)呈現增大的趨勢。這可能是因為進給量的增加導致了更多的材料被切削移除,從而引起更多的切削力和微小振動,產生更多的聲發射事件。因此,合理地控制進給量是減少微毛刺產生的關鍵措施之一。

(3)在每齒進給量恒定的情況下,主軸轉速的變化對聲發射信號(AE RMS值)的影響不大。但是,主軸轉速的增加會導致切削力增加。然而,主軸轉速的變化對微毛刺的長度沒有明顯的影響。

總的來說,為了提高微細銑削加工中的零件表面質量并減少微毛刺的產生,可以通過合理控制切削深度和進給量來實現。同時,聲發射信號的特征參數AE RMS值也可用于預測微毛刺的產生和控制微毛刺的大小,為微細銑削加工過程中切削用量的選擇提供了參考依據。這項研究為微細銑削加工表面質量控制和在線監測系統的研究提供了新的方向和理論基礎。