PＣD 刀具车削铝合金表面粗糙度的研究
2016-10-27 来源：阳江职业技术学院 深圳信息职业技术学院 作者：乔龙阳 刘白
摘 要:影响PCD 刀具车削铝合金表面粗糙度的主要因素是切削速度、进给量、背吃刀量。以黄金分割法设计了实验方案,优选了三因素的水平范围,用等距法设置了水平值。实验结果表明,对工件车削表面粗糙度影响最大的因素是进给量,次之是切削深度,切削速度的影响最小。通过正交实验法验证了上述实验数据并筛选了含优区间,获得了本工艺的最佳切削参数。
关键词:PCD 刀具；车削；铝合金；黄金分割法；表面粗糙度
０. 引言
为满足使用性能、外形美观等要求,５0５2 铝合金产品的表面粗糙度需达到Ｒａ0.4 以上的技术要求。但是,传统加工普遍采用硬质合金刀具低速车削加工,切屑容易与刀具发生“胶焊”或粘连,形成积屑瘤,加工质量差、生产效率非常低[1-2] 。
PCD 刀具材料硬度高、导热性好、摩擦系数小,使得切屑变形和切削力降低、刀具磨损缓慢、切削过程更为稳定,有利于降低表面粗糙度[3-５] ,高速车削[６] 时零件表面可达到镜面效果,是目前车削铝合金理想的刀具材料。不足之处是针对５0５2 铝合金的研究,大多是面向其生产工艺[7] 、焊接组织和性能[８-９] 等方面的研究,而针对其车削加工性能的实验研究很少,因此开展PCD 刀具车削铝合金表面粗糙度的研究,对于提高这类材料产品质量和生产效率有着现实的意义。
铝合金车削性能相关的实验研究,大多采用正交实验或单因素实验等方法,这些方法存在实验次数多、实验精度不高的缺点。现以黄金分割法优选影响５0５2 铝合金表面粗糙度的切削参数因素水平范围,以等距法确定因素水平值,以正交实验筛选验证,得出影响表面粗糙度的主要因素,确定临界区域,以黄金分割法为单因素考察方法,确定PCD 刀具车削５0５2 铝合金表面粗糙度的最佳工艺条件。
１. 黄金分割法实验原理
黄金分割法是通过逐步缩小搜索区间,来求得一元函数极值点近似值的一种方法,又称为0.６1８ 法。黄金分割法实验点选取,如图1 所示,实验范围[ａ,ｂ] ,将第一个实验点ｘ1安排在实验范围内的0.６1８ 处(距左端点ａ),即ｘ1 ＝ａ＋(ｂ-ａ)×0.６1８,得到实验结果ｆ(ｘ1 )；再在ｘ1的对称点ｘ2 ,即ｘ2 ＝ ａ＋(ｂ -ａ) ×0. 3８2,得到实验结果ｆ(ｘ2 ),且ｆ(ｘ) 值越大,效果越好。若ｆ(ｘ1 ) >ｆ(ｘ2 ),即ｆ(ｘ1 )比ｆ(ｘ2 )好,则根据“留好去坏”的原则,去掉实验范围[ａ,ｘ2 ] 部分,在[ｘ2 ,ｂ] 内继续实验。以后每次取一个试点,比较2 个结果,去坏留好,进一步缩小范围,进一步做实验。
图１ 黄金分割法实验点提取示意图
在生产实践和科学实验中,应用黄金分割法单因素实验可以有效减少实验次数,去掉“劣”点部分,保留“优”点部分,快速逼近真实值,并得到更为精准的实验数据。
２. 实验条件
实验材料:５0５2 铝合金,规格为Φ６0 mm×５５ mm 的铝合金管,壁厚4 mm,采用专用向心结构夹具装夹定位。
刀具材料:三菱公司PCD
材质MD220。
实验机床:XKNC-５0G 精密数控车床,主轴最大转速６ 000 ｒ/ min。
实验仪器:JB-3C 粗糙度测试仪,分辨率0.001 μm,Ｒａ 值测量范围0.001-10 μm。
车削环境:湿式车削,采用煤油作为切削液。
评价方法:取轮廓算术偏差Ｒａ作为评价参数,测量时取样长度为1 mm,评定长度为５ mm。
３. 实验方法
为了获得较好的实验效果,对影响表面粗糙度较大的切削参数三因素切削速度、进给量和背吃刀量,开展黄金分割法优选实验,逐步缩小实验范围,直至取得最佳的实验数据。
３.１ 黄金分割法优选实验
1) 利用黄金分割法确定进给量的水平范围
依据王洪祥等[10] 金刚石车削表面微观形貌形成机理的研究,认为表面粗糙度值与进给量和刀尖圆弧半径存在如下关系:
依据此经验公式,选取进给量实验范围[0.02,0.20]、背吃刀量0.3 mm、切削速度６00 m/ min。按黄金分割法实验点的提取步骤,在[0.02,0.20]的0.６1８ 处取值,选取第1 实验点为:
Ｐ1 ＝0.02＋0.６1８(0.20-0.02)＝ 0.131 2
第2 实验点为:
Ｐ2 ＝0.02＋0.3８2(0.20-0.02)＝ 0.0８８ 7
实验测得Ｐ2的表面粗糙度值Ｒａ1.37５ μm 优于Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ1.８41 μm,则舍弃不包括Ｐ1 点的以外部分,在留下部分再找出Ｐ2的对称点Ｐ3。
第3 实验点为:
Ｐ3 ＝0.02＋0.3８2(0.131 2-0.02)＝ 0.0６2 ５
实验测得Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ0.８43 μm 好于Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ1.27５ μm,则舍弃不包括Ｐ2 点的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的对称点。
第4 实验点为:
Ｐ4 ＝0.02＋0.3８2(0.0８８ 7-0.02)＝ 0.04６ 2
实验测得的Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm 好于Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ0.８43 μm,则舍弃不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ4的对称点。
Ｐ５ ＝0.02＋0.3８2(0.0６2 ５-0.02)＝ 0.03６ 2
实验测得的Ｐ５的表面粗糙度值Ｒａ0.371 μm 好于Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm,则舍弃不包括Ｐ4 的以外部分。
进给量对表面粗糙度的影响,如图2 所示。随着进给量的增大,工件表面粗糙度值显著增大。实验点所在实验范围包括含优点,则实验结束,优选实验范围为[0.02,0.04６] 。
图２ 进给量对表面粗糙度的影响
2) 利用黄金分割法确定切削速度的水平范围
选取切削速度实验范围[５00,1 000]、背吃刀量0.3 mm、进给量0.1 mm/ ｒ。按黄金分割法实验点的提取步骤,在[５00,1000]的0.６1８ 处取值,选取第1 实验点为:
Ｐ1 ＝５00＋0.６1８(1 000-５00)＝ ８0９
第2 实验点为:
Ｐ2 ＝５00＋0.3８2(1 000-５00)＝ ６９1
实验测得Ｐ1的表面粗糙度值Ｒａ1.241 μm 优于Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ1.37５ μm,则舍弃不包括Ｐ2 点的以外部分,在留下部分再找出Ｐ1的对称点Ｐ3。
第3 实验点为:
Ｐ3 ＝６９1＋0.６1８(1 000-６９1)＝ ８８2
实验测得Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ1.233 μm 好于Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ1.241 μm,则舍弃不包括Ｐ1 点的以外部分。
切削速度对表面粗糙度的影响,如图3 所示。随着切削速度的增大,工件表面粗糙度值逐渐减小,在切削速度达到８00 m/ min 以上值后,对表面粗糙度的影响降低,表面粗糙度值趋于稳定。因此,实验结束,优选范围为[８0９,1 000] 。
图３ 切削速度对表面粗糙度的影响
3) 利用黄金分割法确定背吃刀量的水平范围
选取背吃刀量实验范围[0.0５,1.0]、进给量0.1 mm/ ｒ、切削速度６00 m/ min。按黄金分割法实验点的提取步骤,在[0.0５,1.0]的0.６1８ 处取值,选取第1 实验点为:
Ｐ1 ＝0.0５＋0.６1８(1.0-0.0５)＝ 0.６37 1
第2 实验点为:
Ｐ2 ＝0.0５＋0.3８2(1.0-0.0５)＝ 0.412 ９
实验测得Ｐ2的表面粗糙度值Ｒａ1.41５ μm 优于Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ1.５５4 μm,则舍弃不包括Ｐ1 点的以外部分,在留下部分再找出Ｐ2的对称点Ｐ3。
第3 实验点为:
Ｐ3 ＝0.0５＋0.3８2(0.６37 1-0.0５)＝ 0.274 3
实验测得Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm 好于Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ1.41５ μm,则舍弃不包括Ｐ2 点的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ3的对称点。
第4 实验点为:
Ｐ4 ＝0.0５＋0.3８2(0.412 ９-0.0５)＝ 0.1８８ ６
实验测得的Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好于Ｐ3的表面粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm,则舍弃不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分中找到Ｐ4的对称点。
Ｐ５ ＝0.0５＋0.3８2(0.274 3-0.0５)＝ 0.13５ 7
实验测得的Ｐ4的表面粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好于Ｐ５的表面粗糙度值Ｒａ1.2８0 μm,则舍弃不包括Ｐ５ 的以外部分。
背吃刀量对表面粗糙度的影响,如图4 所示。随着切削深度的增大,工件表面粗糙度值逐渐增大,增大趋势不明显；但在切削深度小于0.1 mm 时,测得工件表面粗糙度又趋于反方向细微增大。实验结束, 优选范围为[0.13５ 7,0.274 3] 。
图４ 背吃刀量对表面粗糙度的影响
３.２ 等距法确定因素水平值
依据等距法,切削速度范围[８0９,1 000] ,因素水平值为８0９、９0５、1 000；进给量范围[0.02,0.04６] ,因素水平值为0.02、0.033、0.04６；背吃刀量范围[0.13,0.27] ,因素水平值为0.13、0.20、0.27。
３.３ 正交实验
采用三因素三水平Ｌ９(33)组合切削参数,3 个因素分别是:切削速度νｃ 、进给量ｆ 和背吃刀量ａｐ ,以工件表面粗糙度作为质量特征,评价切削参数的优劣。正交实验的因素水平表见表1。
表１ 正交实验因素水平表
ｔ 正交实验方案与结果见表2。
表２ 正交实验方案及结果
由实验数据分析,对工件表面粗糙度影响最大的因素是进给量,次之是切削深度,切削速度的影响最小。如图５ 所示,切削参数对表面粗糙度的影响验证,随着切削速度的增大,工件表面粗糙度值逐渐减小；随着切削深度的增大,工件表面粗糙度值逐渐增大；随着进给量的增大,工件表面粗糙度值显著增大。工件表面二次元成像微观机理显示,随进给量的增大,走刀间距变大,工件表面上纹路清晰,是造成工件表面粗糙度值变大的主要因素。
图５ 切削参数对表面粗糙度的影响
正交实验验证:在稳定的高速车削环境下,切削速度与切削深度对表面粗糙度值影响较小,进给量是造成工件表面粗糙度值变大的主要因素。提取进给量的含优区间为[0.033,0.04６]。
３.４ 黄金分割法单因素实验
选取进给量实验范围[0. 033,0. 04６]、背吃刀量0.2 mm、切削速度９00 m/ min。按黄金分割法实验点的提取步骤,在[0.033,0.04６]的0.６1８ 处取值,选取第1 实验点为:
Ｐ1 ＝0.033＋0.６1８(0.04６-0.033)＝ 0.041
第2 实验点为:
Ｐ2 ＝0.033＋0.3８2(0.04６-0.033)＝ 0.03８
实验Ｐ1 的表面粗糙度值Ｒａ0.3９1 μm,Ｐ2 的表面粗糙度值Ｒａ0.3８7 μm,则Ｐ1 测得的是最优实验值。实验结束,进给量取值为0.041 mm/ ｒ。
４. 结语
在稳定的高速车削环境下,切削速度与切削深度对表面粗糙度值影响较小,进给量是影响工件表面粗糙度值变化的主要因素。PCD 刀具车削５0５2 铝合金表面粗糙度达到Ｒａ0. 4 技术要求的最佳工艺参数是: 进给量0.041 mm/ ｒ、背吃刀量0.2 mm、切削速度９00 m/ min。黄金分割法应用于铝合金车削表面质量的实验研究,拓宽了实验方法,有效地减少了实验次数,提高了实验精度。所获得的实验数据为这类材料高精度、高效率车削加工提供了可靠的理论依据。
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