高速铣削铝合金叶片表面质量的试验研究

1、2007年第41卷l1221高速铣削铝合金叶片表面质量的试验研究*张树森1 刘世成1 布光斌2 冯明军3辽宁工程技术大学2南京航空航天大学3黑龙江科技学院摘 要:使用硬质合金球头铣刀对铝合金叶轮叶片进行了高速铣削试验。研究了切削速度和进给量对加工表面粗糙度的影响。试验结果表明:在高速加工中,每齿进给量比铣削行距对加工表面质量的影响更大;提高切削速度和减少每齿进给量有利于降低加工表面粗糙度。但当切削速度超过某一范围后,进一步提高速度对降低表面粗糙度的作用并不明显;每齿进给量减小到一定范围后,表面粗糙度反而会有所增加;对于铝合金叶片曲面的加工,合理选择切削速度、进给量和行距可获得较低的表面粗糙度值

2、和较高的加工效率。关键词:铝合金, 叶片, 高速铣削, 表面粗糙度, 切削速度, 进给量, 行距ExperimentalResearchonSurfaceRoughnessofAluminumAlloyBladeinHSMZhangShushen LiuShicheng BuGuangbin etalAbstract:AHSMtestforaluminumalloyimpeller.sbladewithcarbideball-endcutterwascarriedout.Theinfluenceofcuttingspeedandfeedrateonthesurfaceroughnessofma

3、chinedbladewasinvestigated.Theexperimentresultsshowthatthein-fluenceoffeedpertoothonsurfacequalityislargerthanthatofpath-intervalinthehigh-speedmachining;thehighqualitysur-facecanbeobtainedeasilybyincreasingthecuttingspeedanddecreasingthefeedengagement;butoncethecuttingspeedexcessacriticalrange,thed

4、ecreaseofsurfaceroughnessasincreasingofcuttingspeedwasnotobvious;whilethefeedengagementde-creasedtoaverysmallvalue,theroughnessincreasedalittle.ItisexpectedthatthelowersurfaceroughnessandhighermachiningefficiencycanbeobtainedbyselectingtheappropriatecuttingspeedandfeedrateinHSMforaluminumalloyblades

5、.Keywords:aluminumalloy,blade,highspeedmilling(HSM),surfaceroughness,cuttingspeed,feedrate,path-interval1 概述高速(超高速)切削加工是一种热、力耦合不均匀强应力场制造工艺1。作为一种先进加工技术,高速(超高速)切削给传统的金属切削理论及加工方式带来了深刻变化,其技术研究近十年来在国内外均取得了较大进展。如今,高速切削作为终加工工序已在模具制造等行业得到了广泛应用。应用高速切削技术时,加工表面质量分析与控制是需要解决的一个重要问题。刀具材料与工件材料的匹配以及切削速度、进给量、铣削行距等切削

6、参数对加工表面质量都有重要影响。表面粗糙度是衡量加工表面质量的重要技术指标,它对工件的使用性能(如接触刚度、密封性、耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度等4)影响很大。例如,压气机叶轮叶片的表面粗糙度将直接影响气流的进出,从而影响压气机转子的工作效率。本文通过对铝合金(2A70)叶轮叶片的高速铣削加工试验,研究了切削速度、进给量等切削参数对加工表面质量的影响,并优选出可获得高质量加工表面的工艺参数。*2 高速铣削加工表面质量的影响因素(1)高速切削理论基础高速切削理论是1931年4月由德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士提出的,他给出了著名的萨洛蒙曲线(切削温度与切削速度关系曲线)。如图1所

7、示,在常规切削速度范围内(图1中的A区),切削温度随切削速度的提高而升高。对于每一种工件材料,都存在一个速度范围,在该范围内,由于切削温度过高,刀具材料无法承受,使切削加工无法进行,该区被称为/死谷0(图1中的B区)。但当切削速度提高到某一定值后,切削温度不但不再升高,反而有所降低,且该切削速度与工件材料种类有关。如能越过/死谷0,在高速区(图1中C区)进行切削,切削温度与常规切削基本相同,而高速切削可以大2,3黑龙江省振兴老工业基地教育厅重点资助项目(项目编号:1151gzd20)收稿日期:2007年5月图1 萨洛蒙曲线22幅度提高生产率。通过试验发现,切削力也遵循类似规律。虽然由于条件所限

8、,高速切削的理念在当时无法付诸实践,但它却给后人非常重要的启示。目前国内外对高速切削的研究仍是基于Salomon博士当年的基本理念。(2)高速切削对加工表面粗糙度的影响高速切削不仅能大幅度提高单位时间的材料切除率,而且当切削速度达到相当高的区域时,由于切削力下降,工件温升和热变形较小,可使工件获得较低的表面粗糙度5。(3)进给量和铣削行距对表面粗糙度的影响进给量对加工效率影响很大,在切削速度一定的情况下,加工效率与每齿进给量成正比。对于球头铣刀而言,每齿进给量和铣削行距将直接影响平面加工的工件表面残留高度(见图2)。从理论上讲,减小每齿进给量和铣削行距可以减小残留高度,使表面粗糙度值降低。但考

9、虑到加工效率的需要,必须合理选择进给量和行距。工具技术工况条件:车间温度23e,相对湿度52%55%,机床经过空转预热,试验过程中采用变压器油作为切削液进行冷却和润滑。切削前后刀具表面完整,均处于正常磨损区。(2)试验方法本试验主要考察:切削速度对表面粗糙度的影响;每齿进给量对表面粗糙度的影响。根据被加工铝合金叶轮叶片在PowerSHAPE中的数模(见图3),使用PowerMILL软件编制4轴数控加工程序,控制刀轴指向Y轴直线方向。根据试验要求,改变程序中的主轴转速和进给速度,获得所需加工参数。分别按进给速度不变和每齿进给量不变的条件进行高速铣削试验。在试验过程中,保持恒定的切深(ap=1.1

10、mm)及行距(p=0.3mm)。图3 叶片在PowerSHAPE中的数模图2 每齿进给量和铣削行距产生的残留高度4 试验结果与分析(1)切削速度对表面粗糙度的影响根据图4所示试验结果可以看出,随着切削速度的增加,表面粗糙度明显降低。这是因为铝合金在200m/min的切削速度下达到萨洛蒙曲线的最高点,此时切削温度最高,金属的断裂强度也达到最低水平,但此时金属流动性较强,很容易形成塑性变形,因此此时的表面粗糙度并未达到最低水平。超过该切削速度后,萨洛蒙曲线以较大斜率下降,由于切削温度下降较快,切削温度对切屑形成的影响降低,切削速度成为影响切削的主要因素。较高的切削速度导致被切削金属层快速发生变形和

11、断裂,这种变形和断裂在金属表层的传播时间很短,尚未来得及影响或刚刚开始影响待成型表面时,切屑就已经与基体材料脱离。此时已加工表面很少发生剪切滑移和晶格畸变,因此表面粗糙度明显下降。但是,当切削速度提高到一定程度后,表面粗糙度将会呈现一种稳定状态(图4中的A区),此时萨洛蒙曲线也是一种平直状态,即切削温度、切削力对表面粗糙度的影响呈现相对稳定的状态。在图4a中,由于总的进给速度不变,随着切削据文献6介绍,在高速切削加工中,每齿进给量fz对残留高度的影响远大于铣削行距P。用球头铣刀高速加工试件(材料为铜)平面时,每齿进给量产生的残留高度是同等行距产生残留高度的34倍。因此,为使进给方向与切削方向的

12、残留高度值相同,必须合理选择每齿进给量和行距。 3 试验条件与方法(1)试验条件高速铣削试验在瑞士Mikron600U数控五轴加工中心上进行,该机床主轴转速最高可达42000r/min,进给速度最高40m/min,可进行超高速切削。刀具采用30F硬质合金棒磨制的4刃球头立铣刀,球头半径R5mm,螺旋角40b,刃长13mm,刀长32mm,全长119.6mm。该刀具材料具有较好的强度、韧性和抗热冲击性能。该刀具已加工了几件叶轮,正处于稳定磨损区,可用于高速切削。表面粗糙度测量采用日本三丰的SJ-201表面粗糙度测试仪;用日本奥林巴斯显微镜观察刀具磨2007年第41卷l1223(2)每齿进给量对表面

13、粗糙度的影响根据图6所示试验结果可以看出,图6a中A区和图6b都反映出表面粗糙度随fz的减小而有减小趋势。fz的减小使进给方向的表面残留高度减小,因此会使表面粗糙度降低。在图6a中,B区内01022fz0104这一区间的表面粗糙度值相对稳定,说明此区域内的切削相对平稳,fz的改变对切削过程影响最小,因此推荐切削在此区域内进行。当每齿进给量减小到0102mm附近时,表面粗糙度值最小,而再进一步减小每齿进给量,表面粗糙度值反而有所增大。这说明对于试验采用的刀具来说,fz=0102mm是一个分界点,当fz0102mm时(图中的C区),受刀具锋利程度的限制,表面粗糙度值不可能继续下降。任何刀具的刃口圆

14、弧半径都不可能为零,因此每把刀具都存在一个加工能力极限,达到该极限后,要想获得更高的加工表面质量,就必须选择更锋利的刀具。(a)进给速度不变(F=2100mm/min)(b)每齿进给量不变(fz=0.05mm/齿)图4 切削速度对表面粗糙度的影响速度的提高,每齿进给量减小。因此图4a比图4b的下降斜率更大。同时,图4a中B区的出现也是由于每齿进给量的急速减小。但当每齿进给量减小到一定程度后,再近一步降低时表面粗糙度反而出现上升趋势。这就表明,在这种情况下(图4a的C区),单纯提高加工速度和降低每齿进给量,并不能达到提高加工表面质量的目的。图5为在每齿进给量(fz=0.05mm/齿)保持不变时高

15、速铣削4个叶片的表面形貌图(图4b中A区的四个点)。可以看出,在此加工状态下,进给方向和行距方向均较平稳,但每齿进给量对表面残留高度的影响仍然较大。(a)主轴转速改变(F=2100mm/min)(b)主轴转速不变(n=22000r/min)(a)434m/min (b)565m/min图6 每齿进给量对表面粗糙度的影响(c)691m/min (c)1068m/min图(f=0.05mm/齿)据文献7介绍,刚刃磨好的硬质合金球头铣刀的刃口圆弧半径一般在0.0050.015mm左右。刀具经过一段时间使用磨损后,估计刃口圆弧半径在0.020.03mm左右。切削铝合金时,最小切削厚度为刀具刃口圆弧半径

16、的0.30.6倍8。因此,本试验所用刀具的最小切削厚度在0.0060.018mm之间。切削试验中,最小每齿进给量达到0.0154mm(图6a中的C区),处于最小切削厚度范围之内,此,24磨擦待加工表面。待加工表面经过这种挤压会产生一定的塑性变形,此时表层金属的硬度会提高。接下来,下一个切削刃转到切削位置,此时该切削刃的实际切削厚度增大,超过了最小切削厚度,可以产生切屑。由于表层金属经过挤压磨擦而硬化,使表面组织结构受到破坏,导致表面粗糙度值有所增大。据文献3介绍,在高速切削加工中,一般每齿进给量产生的表面残留高度约为同等行距产生残留高度的34倍。但由于本试验采用四轴加工,受切削刀具倾角的影响,

17、相对于叶片曲面的倾角大约为13b,所以此时每齿进给量对表面粗糙度的影响仍大于行距P(0.3mm)的影响,即每齿进给量在0.040.08mm范围内仍是产生残留高度的主要因素。据推断,当每齿进给量在0.020.04mm范围内时,其影响与行距P的影响相当。由图7所示的叶片表面形貌可观察到,当主轴转速为22000r/min时,每齿进给量约为0.02mm时(图7c)加工出的表面质量较好。故综合推荐优化加工参数为:主轴转数n=22000r/min,每齿进给量fz=0.020.04mm,以获得最好加工效果。工具技术5 结论本文研究了在高速铣削状态下选取不同切削参数加工铝合金叶片时表面粗糙度的变化情况。试验结

18、果表明:(1)切削速度和进给量对表面粗糙度都有很大影响,加工时需要进行合理的参数匹配。(2)切削速度的提高有利于改善加工表面粗糙度,但当超过一定范围后,进一步提高切削速度对降低表面粗糙度的作用并不明显。(3)在高速加工中,每齿进给量对表面粗糙度有很大影响。在一定范围内,减小每齿进给量有利于提高表面粗糙度;但超过该范围后,继续减小进给量反而会使表面粗糙度有一定增加。(4)为了兼顾加工质量与加工效率,每齿进给量与铣削行距应合理匹配。在铝合金叶轮叶片曲面的铣削加工中,选取切削速度700900m/min,每齿进给量0.020.04mm时可获得较低的表面粗糙度值和较高的加工效率。本研究的结果对于叶片类曲面高速铣削参数的优选具有一定指导意义。参考文献1 艾 兴,赵 军,刘战强等.高速切削摩擦学的研究及发展.高速切削会议论文,20052 王西彬,解丽静.超高速切削技术及其新进展.中国机(a)0