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PＣD 刀具（jù）車削鋁合金表麵粗（cū）糙度的研究

2016-10-27 來源：陽江（jiāng）職業技術（shù）學（xué）院深圳信息職業技（jì）術學院作者：喬龍陽劉白

摘要:影（yǐng）響PCD 刀具車（chē）削鋁合金表麵（miàn）粗糙度的主要因素是切（qiē）削速度、進給量、背（bèi）吃（chī）刀量。以黃金分割（gē）法設計（jì）了（le）實驗方案,優選了三因素的水平範圍,用等距法設（shè）置了水平值。實驗結果表（biǎo）明,對（duì）工件車削表麵粗糙（cāo）度影（yǐng）響最大的因素是進給量,次之是切削深度,切削速（sù）度的影響最小。通過正交實驗法驗證了上述實驗數據並篩（shāi）選了含優（yōu）區間,獲得了本（běn）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；表麵（miàn）粗（cū）糙度

０. 引言

為滿足使（shǐ）用性能、外形美觀等要求,５0５2 鋁合金產品的表麵粗糙度需達（dá）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（gōng）,切屑容易與刀具發生（shēng）“膠（jiāo）焊”或粘連,形成積屑瘤,加工質量差、生（shēng）產效率非常低[1-2] 。

PCD 刀具材料硬度高、導熱性（xìng）好、摩擦係數小,使得切屑變（biàn）形和切削力降低、刀具磨損緩慢、切（qiē）削過程更為穩定（dìng）,有利於降低表麵粗糙度[3-５] ,高速（sù）車削[６] 時零件表麵可達到鏡麵效果,是目前車削鋁合金理想的刀具材料。不足之（zhī）處是針對５0５2 鋁合金（jīn）的研究,大多是麵向其生產工藝（yì）[7] 、焊接組織和性能[８-９] 等方麵的研究,而（ér）針對其車削加工性能的實驗（yàn）研究很少,因此開展PCD 刀具車削鋁合金表麵粗糙度的研究,對於（yú）提高這類材料產品質量和生產效率有著現實的意（yì）義。

鋁合金車削性（xìng）能相關的實驗研究,大多采用正交實（shí）驗（yàn）或單因素實驗等方法,這些方（fāng）法存在實驗次數多、實驗精（jīng）度不高的缺（quē）點。現以黃（huáng）金分割法優選影響５0５2 鋁合金表（biǎo）麵粗糙度的切（qiē）削參數因素水平（píng）範圍,以等距法確定因素水平（píng）值,以（yǐ）正交實驗篩選驗證（zhèng）,得出影（yǐng）響表麵粗糙度的主要因素（sù）,確定臨界（jiè）區域,以黃金分割法為單因素考察方法,確定PCD 刀具（jù）車削５0５2 鋁合金表麵粗糙度的最佳工藝條（tiáo）件（jiàn）。

１. 黃金分割（gē）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（shí）驗點選取,如圖1 所示,實驗範圍[ａ,ｂ] ,將第一個實（shí）驗點ｘ1安排在實驗範圍（wéi）內的0.６1８處(距左端點（diǎn）ａ),即（jí）ｘ1 ＝ａ＋(ｂ-ａ)×0.６1８,得（dé）到（dào）實驗結果ｆ(ｘ1 )；再在ｘ1的對稱（chēng）點ｘ2 ,即ｘ2 ＝ａ＋(ｂ -ａ) ×0. 3８2,得到實驗結果ｆ(ｘ2 ),且ｆ(ｘ) 值（zhí）越大,效果越（yuè）好（hǎo）。若ｆ(ｘ1 ) >ｆ(ｘ2 ),即ｆ(ｘ1 )比ｆ(ｘ2 )好,則根據“留好去壞”的原則,去掉實驗範圍[ａ,ｘ2 ] 部分,在[ｘ2 ,ｂ] 內繼續實驗。以後每次取一個試點,比較2 個結（jié）果,去（qù）壞留好,進一步縮小範圍,進一（yī）步做實驗。

圖１黃金分割法實驗點提取示意圖

在生產（chǎn）實踐和科學實驗中,應用黃金分割法（fǎ）單因（yīn）素實驗可以有效減少實驗次數,去掉“劣”點部分（fèn）,保留“優”點部分,快速逼近真實值,並得到更為精準的（de）實驗數據。

２. 實驗條件

實驗材料:５0５2 鋁合金,規格為（wéi）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（dìng）位。

刀具材料:三菱公（gōng）司PCD

材（cái）質MD220。

實驗機床:XKNC-５0G 精密（mì）數控車床（chuáng）,主軸最大轉速６ 000 ｒ/ min。

實驗儀器:JB-3C 粗（cū）糙度測試儀,分辨率0.001 μm,Ｒａ值測量範圍0.001-10 μm。

車（chē）削環境:濕式車削,采用煤油（yóu）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（yàn）效果,對影響表麵粗糙度較大的切削參數三因素切削速度、進給量和背吃（chī）刀量,開展黃金分（fèn）割法（fǎ）優選（xuǎn）實驗,逐步縮小實驗範圍,直（zhí）至取得最佳的（de）實驗數據。

３.１黃金（jīn）分割法優選實驗

1) 利（lì）用黃金分割法確（què）定進給量的水平範圍

依據王洪祥等[10] 金剛石車削表麵微觀形貌形成機理的（de）研究,認為表麵粗糙度值與進給量和（hé）刀尖圓（yuán）弧半徑存在如下關係（xì）:

依據此經驗公式,選取進給量實驗範圍[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的表麵粗糙（cāo）度值Ｒａ1.37５ μm 優於Ｐ1 的表麵粗糙度值Ｒａ1.８41 μm,則舍（shě）棄不包括Ｐ1 點的以外部（bù）分,在留下（xià）部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。

第3 實驗（yàn）點為:

Ｐ3 ＝0.02＋0.3８2(0.131 2-0.02)＝ 0.0６2 ５

實驗測得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ0.８43 μm 好於Ｐ2 的表麵粗糙度（dù）值Ｒａ1.27５ μm,則舍棄（qì）不包括Ｐ2 點的以外部分（fèn）,在留下的部分中找到Ｐ3的對稱點（diǎn）。

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的表麵粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm 好於Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ0.８43 μm,則（zé）舍棄（qì）不包括Ｐ3 的以外部分,在留下的部分（fèn）中找到Ｐ4的對稱點。

Ｐ５＝0.02＋0.3８2(0.0６2 ５-0.02)＝ 0.03６ 2

實驗測（cè）得的Ｐ５的表麵粗（cū）糙度值Ｒａ0.371 μm 好於Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ0.4９５ μm,則舍棄不包（bāo）括Ｐ4 的以外部分。

進給量對表麵（miàn）粗糙度的影響,如圖2 所示。隨著進給（gěi）量的增大,工（gōng）件表麵粗糙度值顯著（zhe）增大（dà）。實驗點所在實驗範圍包括含優點,則實驗結束（shù）,優（yōu）選（xuǎn）實驗範圍為[0.02,0.04６] 。

圖２進給量對表麵粗糙度的影響

2) 利用黃金分（fèn）割法確（què）定切削速度（dù）的水（shuǐ）平範圍

選取切削速度實驗範圍[５00,1 000]、背吃刀量0.3 mm、進給量0.1 mm/ ｒ。按黃金分割法實（shí）驗點的（de）提取步驟,在（zài）[５00,1000]的（de）0.６1８處取值（zhí）,選取第1 實（shí）驗（yàn）點為:

Ｐ1 ＝５00＋0.６1８(1 000-５00)＝８0９

第2 實驗點為（wéi）:

Ｐ2 ＝５00＋0.3８2(1 000-５00)＝６９1

實驗測得Ｐ1的表麵粗糙（cāo）度值Ｒａ1.241 μm 優於Ｐ2 的（de）表麵粗糙度值Ｒａ1.37５ μm,則舍（shě）棄不包括Ｐ2 點的以外部分,在留下部分再找出Ｐ1的對（duì）稱點Ｐ3。

第3 實驗點（diǎn）為:

Ｐ3 ＝６９1＋0.６1８(1 000-６９1)＝８８2

實驗測（cè）得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.233 μm 好於Ｐ1 的表麵（miàn）粗糙（cāo）度值Ｒａ1.241 μm,則舍棄不包括Ｐ1 點的以外部分。

切削速度（dù）對表麵粗糙度的影響,如圖3 所示。隨著切削速度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸減小,在切削速度達到８00 m/ min 以（yǐ）上（shàng）值後,對表麵粗糙度的（de）影（yǐng）響降低,表麵粗糙度值趨於穩定。因此,實驗結束,優選範圍為[８0９,1 000] 。

圖３切削速度對表麵粗（cū）糙度的影響

3) 利用黃金分割法（fǎ）確定背（bèi）吃（chī）刀量的水平範圍

選取背吃刀量實驗範圍[0.0５,1.0]、進給（gěi）量0.1 mm/ ｒ、切削速度６00 m/ min。按黃金（jīn）分割法實驗點的提取步（bù）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（de）表麵粗糙度（dù）值Ｒａ1.41５ μm 優於Ｐ1 的表麵粗（cū）糙度（dù）值Ｒａ1.５５4 μm,則（zé）舍棄不包括Ｐ1 點的以外部（bù）分,在（zài）留下（xià）部分再找出Ｐ2的對稱點Ｐ3。

第3 實（shí）驗點為:

Ｐ3 ＝0.0５＋0.3８2(0.６37 1-0.0５)＝ 0.274 3

實驗測得Ｐ3的表麵粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm 好於Ｐ2 的表麵粗糙（cāo）度值Ｒａ1.41５ μm,則舍棄不包括Ｐ2 點的（de）以外（wài）部分,在（zài）留下的部分中找到Ｐ3的對稱點（diǎn）。

第4 實驗點為:

Ｐ4 ＝0.0５＋0.3８2(0.412 ９-0.0５)＝ 0.1８８６

實驗測得的Ｐ4的表麵粗糙度值Ｒａ1.271 μm 好（hǎo）於Ｐ3的（de）表麵粗糙度值Ｒａ1.2９3 μm,則舍棄不包（bāo）括Ｐ3 的（de）以外部分,在留下（xià）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（cè）得的Ｐ4的表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）Ｒａ1.271 μm 好於Ｐ５的表麵（miàn）粗糙度值Ｒａ1.2８0 μm,則舍棄不包（bāo）括Ｐ５的以外部分（fèn）。

背吃刀量對表麵粗糙度的影響,如圖（tú）4 所示。隨著切削深度的增大,工件表麵粗糙度值逐漸增大,增大趨勢不明顯；但（dàn）在（zài）切削深度（dù）小於0.1 mm 時,測得（dé）工（gōng）件表麵（miàn）粗糙度又趨於反（fǎn）方向細微增大。實驗結（jié）束（shù）, 優選範圍為[0.13５ 7,0.274 3] 。

圖４背（bèi）吃刀量（liàng）對表麵粗糙度（dù）的影響

３.２等距法確定因素水平值

依據（jù）等距（jù）法,切削速度範圍[８0９,1 000] ,因素水平（píng）值為８0９、９0５、1 000；進給量範圍[0.02,0.04６] ,因素水平（píng）值為0.02、0.033、0.04６；背吃刀量範圍[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（sān）因素三水平Ｌ９(33)組（zǔ）合切削參數,3 個因素分別（bié）是:切削速度νｃ、進給量ｆ和背吃刀量ａｐ ,以工件（jiàn）表麵粗糙度作為質（zhì）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（guǒ）見表2。

表２正（zhèng）交實驗方案及結果

由實驗數據分析,對工件表麵（miàn）粗糙度影響（xiǎng）最大的因素是進給量（liàng）,次之是切削深度,切削速度的（de）影響最小。如圖５所（suǒ）示,切（qiē）削參數對表麵粗（cū）糙度的影響（xiǎng）驗證,隨著切（qiē）削速度的增大,工件表麵粗糙度值逐（zhú）漸減小；隨著切削深度的增大,工件表麵粗糙（cāo）度值逐漸（jiàn）增大；隨著進給量的增大,工件表麵粗糙（cāo）度值顯著增大。工件表麵二次元成像微觀機理顯示,隨進給量的增大,走（zǒu）刀（dāo）間距變大,工件表麵上紋路清晰,是造成工（gōng）件表（biǎo）麵粗糙（cāo）度值變大的主要因素。

圖５切削參數對表麵（miàn）粗糙度的影響

正交實驗驗證:在穩定的高速車削環境（jìng）下,切削速度與切（qiē）削深（shēn）度對表麵粗糙度值影響較小,進給量是造成工件表麵粗糙度值變大的主要因素。提取（qǔ）進給量的含優區間為[0.033,0.04６]。

３.４黃金分（fèn）割法單（dān）因（yīn）素（sù）實驗（yàn）

選取進給量實驗範圍[0. 033,0. 04６]、背吃刀量0.2 mm、切削（xuē）速度９00 m/ min。按黃金分割法（fǎ）實驗點的提取步驟（zhòu）,在[0.033,0.04６]的0.６1８處取值（zhí）,選取（qǔ）第1 實驗（yàn）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 的表麵粗糙度值Ｒａ0.3９1 μm,Ｐ2 的表麵（miàn）粗糙度（dù）值Ｒａ0.3８7 μm,則Ｐ1 測得的是最（zuì）優實驗（yàn）值。實驗結束,進給量取值為（wéi）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麵粗糙度值影響較（jiào）小,進給量（liàng）是影響工（gōng）件表麵粗糙（cāo）度值變化（huà）的（de）主要因素。PCD 刀具車削５0５2 鋁合金表麵粗糙度達到Ｒａ0. 4 技術要求的（de）最（zuì）佳工藝參數（shù）是: 進給量0.041 mm/ ｒ、背吃刀量0.2 mm、切削（xuē）速度９00 m/ min。黃金（jīn）分割法應（yīng）用於鋁合（hé）金車削表麵質量的實驗（yàn）研究,拓寬了實驗方法,有效地減少了（le）實驗次數,提高了實驗精度。所獲得的實（shí）驗數據為這類材料高精度、高效率車削加工提供了可（kě）靠的理（lǐ）論依據。

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