Al6061铝合金微细铣削微毛刺的产生与信号特征相关性研究

廖璘志,陈琪,伍倪燕

1宜宾职业技术学院;2韩国培材大学

1 引言

近年来,随着电子、医疗、光学、显示器以及燃料电池等高新技术产业的发展,对微小型精密零件的需求不断增加,进而衍生出各种微加工方法。与其他微加工方法不同,微细铣削是一种典型的微加工方法,具有诸多明显优势:能适应金属、陶瓷以及复合材料等多种工程材料加工;具备较强的三维复杂结构加工能力;加工精度高,加工成本低;具有较高的材料去除率等[1,2]。但是在加工过程中很容易产生微毛刺,易造成零件的尺寸误差及表面粗糙。与一般毛刺不同,微毛刺的去毛刺工序难度更大,增加了加工成本,在自动化过程中难以管理。

目前,一般去毛刺方法包括使用振动、喷砂、滚筒等机械去毛刺方法以及使用蚀刻等化学反应方法[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总工艺成本的 30% 以上,并且存在因加工时间长导致生产率降低的问题。据文献[6,7]统计,在金属零部件的加工过程中,去毛刺费用占零件制造成本的10%左右,上世纪末,美国每年用于去毛刺的费用就高达数十亿美元。因此,开展关于监控加工切削条件以减少微毛刺产生的研究尤为重要。

在前期研究中,利用声发射(AE)信号的均方根值(RMS)可以预测表面粗糙度,并且证实了切削力和声发射信号的均方根值趋于相似[8,9]。本文通过对Al6061铝合金进行微细铣削加工实验,使用测力仪和声发射传感器在加工过程中获取不同切削条件下的切削力和声发射信号,提取和计算信号特征值来衡量切削过程的稳定性,根据实验数据推导出切削条件与微毛刺大小的关系,为实现控制微小型零件表面质量及尺寸精度提供了新的参考依据,该方法具有一定的理论意义和实用价值[10]。

2 实验设计

2.1 实验装置

实验装置如图1所示,采用Makino V55高速加工中心,加工范围为900mm×500mm×450mm,工作台尺寸为460mm×1000mm,主轴上安装转速高达80000r/min的空气涡轮主轴,可以通过气压调节转速。在工作台上安装Kistler 9257B三向测力仪以测量切削力信号,并在加工工件侧面安装一个4357 Pico型声发射信号(AE)传感器以获得AE信号。

图1 实验装置

2.2 实验方法

实验所用工件材料为Al6061铝合金,刀具为直径200μm的C-CES 2002-0040双刃微型立铣刀,如图2所示。在微铣削加工实验中,在不同切削参数下(见表1)进行切槽加工,获得加工过程中切削力信号,计算出切削合力的平均值,并对AE信号进行均方根计算,利用电子显微镜测量加工表面微毛刺(见图3)。

表1 模态频率与振幅

图2 微细铣削刀具

图3 零件表面微毛刺形貌

切削参数选择为主轴转速、每齿进给量、切削深度,主轴转速为60000r/min,65000r/min,70000r/min,每齿进给量为0.5μm/z,1.0μm/z,1.5μm/z,切削深度为20μm,30μm,40μm,主轴的旋转方向和进给方向如图3p所示。

3 实验结果

3.1 切削力及AE RMS对微毛刺的影响

根据表1数据选择不同切削参数进行实验,并记录了切削力和AE RMS值的变化情况(见图4)。同时,通过电子显微镜测量了15种条件下的微毛刺长度(见表2及图5)。

表2 微毛刺长度 (μm)

图4 切削力与声发射均方根值实验结果

图5 微毛刺长度

实验结果显示,在切削力和AE RMS值较大的加工条件下,微毛刺的长度较长且数量较多。因此,切削力和AE RMS值的大小与微毛刺的产生存在一定相关性,这也证明了声发射监测技术在提高零件表面质量上的有效性。

3.2 AE RMS的变化对微毛刺的影响

实验选取序号1,4,6,9的切削条件进行研究,通过计算AE信号的特征参数RMS值发现,声发射均方根值的振幅与微毛刺之间存在关联(见图6)。

图6 声发射均方根值变化趋势

实验结果显示,在微细铣削加工中,AE RMS值与微毛刺的大小之间存在一定的相关性,AE RMS值的变化趋势能够反映微毛刺的状态。当AE RMS值具有较大的振幅和不稳定性时,微毛刺的长度较长,数量较多;而当AE RMS值具有较小的振幅且相对稳定时,微毛刺的长度较短,数量较少。较大且不稳定的AE RMS值可能预示着微毛刺的产生和较长的长度,而较小且相对稳定的AE RMS值则可能预示着较短的微毛刺或较少的毛刺数量。

综上所述,AE RMS值在微细铣削加工中与微毛刺的大小和状态密切相关。通过监测AE RMS值的变化,可以有效预测微毛刺的产生和控制微毛刺的大小,为提高零件表面质量和减少微毛刺产生提供了一种有效的方法。

3.3 进给量对AE RMS、切削力及微毛刺长度的影响

实验结果显示(见图7～图9),在恒定主轴转速下,随着每齿进给量的增加,AE RMS值呈现增大的趋势。这表明在微细铣削加工过程中,随着进给量的增加,产生了更多的声发射信号,可能是因为切削力的变化导致微小振动的增加,从而产生更多的声发射事件,切削力呈现增大的趋势。这是由于每齿进给量的增加导致了更多的材料被切削移除,因此切削力也随之增大;微毛刺的长度也呈现增大的趋势,这意味着进给量的增加会导致加工表面的不平整性增加,从而产生更大尺寸的微毛刺。

(a)60000r/min

(a)60000r/min

(a)60000r/min

综上所述,进给量是影响AE RMS值、切削力以及微毛刺长度的重要因素。较大的进给量可能会导致更多的声发射信号、较大的切削力和更长的微毛刺长度。因此,在微细铣削加工中,合理地控制进给量是减少微毛刺产生、提高表面质量的关键措施之一。

3.4 主轴转速对AE RMS、切削力及微毛刺长度的影响

实验结果显示(见图10和图11),在每齿进给量恒定的情况下,随着主轴转速的变化,AE RMS值的变化不明显。这表明在微细铣削加工过程中,主轴转速的变化对声发射信号的产生没有明显的影响;切削力对主轴转速的变化响应较大:实验结果显示,随着主轴转速的增加,切削力呈现明显的增大趋势。主轴转速的增加会导致刀具与工件之间的相对运动速度增加,进而导致切削力的增加。

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

微毛刺长度对主轴转速的变化不敏感:根据表2中的数据和描述可以看出,在进给量相同的情况下,主轴转速的变化对微毛刺的长度没有明显的影响。

综上所述,主轴转速的变化对AE RMS值的影响不大,但对切削力有明显的影响。然而,主轴转速的变化对微毛刺的长度没有明显的影响。因此,在微细铣削加工中,调节主轴转速可能会对切削力产生影响,但对微毛刺的形成没有显著效果。在控制微毛刺长度方面,可能需要更多地关注其他切削参数,如切削深度和进给量。

3.5 切削深度对AE RMS、切削力及微毛刺长度的影响

实验结果显示(见图12～图14),随着切削深度的增加,AE RMS值呈现增大的趋势。这表明在微细铣削加工过程中,随着切削深度的增加,产生了更多的声发射信号。切削深度增加可能导致刀具与工件接触面积增加,进而引起更多的切削力和微小振动,从而产生更多的声发射;切削力呈现增大的趋势。这是由于切削深度的增加导致切削量增加,更多的材料被切削移除,因此切削力也随之增大。

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

(a)0.5μm/z

根据表2中的数据和图14的结果可以看出,随着切削深度的增加,微毛刺的长度也呈现增大的趋势。这意味着切削深度的增加会导致加工表面的不平整性增加,从而产生更大尺寸的微毛刺。

综上所述,切削深度是影响AE RMS值、切削力以及微毛刺长度的重要因素。较大的切削深度可能会导致更多的声发射信号、较大的切削力和更长的微毛刺长度。因此,在微细铣削加工中,合理地控制切削深度是减少微毛刺产生、提高表面质量的关键措施之一。

4 结语

实验研究了在不同切削参数下对Al6061铝合金微细铣削加工中微毛刺的大小与切削用量、AE RMS值及切削力之间的相关性。

(1)随着切削深度的增加,微毛刺的长度呈现增大的趋势。同时,切削深度的增加会导致切削力增加,并且声发射信号(AE RMS值)的振幅也增大。因此,切削深度是影响微毛刺大小和形成的重要因素。

(2)随着每齿进给量的增加,声发射信号(AE RMS值)呈现增大的趋势。这可能是因为进给量的增加导致了更多的材料被切削移除,从而引起更多的切削力和微小振动,产生更多的声发射事件。因此,合理地控制进给量是减少微毛刺产生的关键措施之一。

(3)在每齿进给量恒定的情况下,主轴转速的变化对声发射信号(AE RMS值)的影响不大。但是,主轴转速的增加会导致切削力增加。然而,主轴转速的变化对微毛刺的长度没有明显的影响。

总的来说,为了提高微细铣削加工中的零件表面质量并减少微毛刺的产生,可以通过合理控制切削深度和进给量来实现。同时,声发射信号的特征参数AE RMS值也可用于预测微毛刺的产生和控制微毛刺的大小,为微细铣削加工过程中切削用量的选择提供了参考依据。这项研究为微细铣削加工表面质量控制和在线监测系统的研究提供了新的方向和理论基础。