蔡 明 鞏亞東 于 寧 高 奇

1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽，1108192.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽，110870

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單晶DD98微尺度銑削表面質(zhì)量試驗(yàn)研究

蔡 明1鞏亞東1于 寧2高 奇1

1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽，1108192.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽，110870

為探究單晶DD98微尺度銑削的表面質(zhì)量，采用直徑為0.6 mm的微銑刀對單晶DD98進(jìn)行三因素五水平的微尺度銑削正交試驗(yàn)。通過極差分析和方差分析發(fā)現(xiàn)：主軸轉(zhuǎn)速對DD98表面質(zhì)量的影響最大，銑削深度的影響次之，進(jìn)給速度的影響最小；單晶DD98表面質(zhì)量最好的工藝參數(shù)組合為主軸轉(zhuǎn)速36 000 r/min，銑削深度5 μm，進(jìn)給速度100 μm/s。得到了主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進(jìn)給速度對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并對其機(jī)理進(jìn)行了分析，從而為單晶DD98材料的微尺度銑削加工提供理論依據(jù)。

單晶DD98；微尺度銑削；表面質(zhì)量；正交試驗(yàn)；極差分析和方差分析；最優(yōu)工藝參數(shù)

0 引言

微尺度銑削[1]加工通常是指對微小尺寸零件的切削加工，其所加工零件的尺寸一般為0.1～10 mm，采用的微銑刀直徑在1 mm以下。銑削加工是最柔性的切削加工方法之一，而微尺度銑削加工是滿足微小三維復(fù)雜形狀零件和材料多樣性加工的有效途徑[2]。微尺度銑削是微切削加工領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用的技術(shù)，以其高效率和高柔性的特點(diǎn)成為一個(gè)極具開發(fā)潛力的研究方向。

單晶材料結(jié)晶取向一致，因此其位錯(cuò)較少，雜質(zhì)原子等微觀缺陷也相對較少，力學(xué)性能較好，與其他晶體材料相比具有良好的拉伸、剪切強(qiáng)度和延展性。單晶材料沒有晶粒邊界，與常規(guī)的晶體材料相比，此種材料具有更好的熱性能、疲勞性能和蠕變性能[3]。

國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對微尺度銑削展開了研究[4-8]，但對單晶材料微尺度銑削的研究鮮有報(bào)道。本文對單晶DD98的微尺度銑削進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 單晶DD98微尺度銑削正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的加工設(shè)備選擇JX-1精密加工機(jī)床，其對刀精度能達(dá)到0.002 mm，工作空間尺寸為490 mm×460 mm×120 mm，切削進(jìn)給速度最高能達(dá)到9 m/min，主軸轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到60 000 r/min，加工精度能達(dá)到亞微米級，并且該機(jī)床還配備有冷卻系統(tǒng)，便于更好地對工件進(jìn)行冷卻；檢測設(shè)備選擇VHX-1000E超景深顯微鏡和Micromeasure三維輪廓儀；試驗(yàn)刀具選擇直徑為0.6 mm的M.A.FORD雙刃硬質(zhì)合金微銑刀，如圖1a所示；試驗(yàn)材料選擇在航空航天和國防等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的鎳基單晶高溫合金——單晶DD98。

合金的強(qiáng)化方式主要有固溶強(qiáng)化和第二相(沉淀相)強(qiáng)化兩種。而鎳基單晶合金除了具有其組成二相結(jié)構(gòu)本身的固溶強(qiáng)化外，還具有第二相(沉淀相)的重要強(qiáng)化作用，其微觀的二相結(jié)構(gòu)由金屬Ni基體(γ相)和析出的中間相Ni3Al(γ′相)組成，單晶DD98的金相組織如圖1b所示。

(a)試驗(yàn)所用微銑刀(b)單晶DD98金相組織圖1 試驗(yàn)條件Fig.1 Experimental conditions

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用三因素五水平L25(53)槽銑削正交試驗(yàn)的方法，分別探究主軸轉(zhuǎn)速(銑削線速度)、銑削深度和進(jìn)給速度(每齒進(jìn)給量)對單晶DD98表面質(zhì)量的影響。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。其中，主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)取12 000(A1)、24 000(A2)、36 000(A3)、42 000(A4)、48 000(A5)；銑削深度ap(μm)取5(B1)、8(B2)、10(B3)、12(B4)、15(B5)；進(jìn)給速度v(μm/s)取20(C1)、40(C2)、60(C3)、80(C4)、100(C5)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)已選定的主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進(jìn)給速度三個(gè)因素及其五個(gè)水平和表面粗糙度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對單晶DD98材料進(jìn)行微尺度銑削正交試驗(yàn)，通過Micromeasure三維輪廓儀對每組試驗(yàn)中工件的表面粗糙度Ra測量3次并取平均值，平均值如表1所示。

2.1 單晶DD98微尺度銑削工藝參數(shù)的優(yōu)化

表1 單晶DD98微尺度銑削正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析和方差分析

采用極差分析法和方差分析法對所測得的單晶DD98微尺度銑削表面粗糙度Ra進(jìn)行分析，如表2所示。其中Kij為第j個(gè)因素在第i個(gè)水平下表面粗糙度Ra之和，每個(gè)因素的極差R為該因素下Kij中的最大值與最小值之差。T為所有表面粗糙度Ra之和，t為試驗(yàn)總數(shù)，t=25，m為每個(gè)因素的水平數(shù)，m=5，r為每個(gè)水平重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)，r=5，Sj為各列偏差平方和，dj為因素自由度，V為方差。相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

dj=m-1

(3)

(4)

從表2中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速的極差和方差最大，銑削深度的其次，而進(jìn)給速度的最小。由于各因素的極差和方差能夠代表該因素對正交試驗(yàn)的影響情況，極差和方差越大，影響程度越大。由此可以得出，在單晶DD98表面粗糙度正交試驗(yàn)中，主軸轉(zhuǎn)速對其微銑削加工中的表面質(zhì)量影響最大，而銑削深度和進(jìn)給速度對其影響較小，所以合理選擇主軸轉(zhuǎn)速對有效控制微銑削加工中的表面質(zhì)量有著十分重要的實(shí)際意義。優(yōu)化出的最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C5，即當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為36 000 r/min，銑削深度為5 μm，進(jìn)給速度為100 μm/s時(shí)表面粗糙度Ra最小，表面質(zhì)量最好。對此方案進(jìn)行5次加工試驗(yàn)，得到表面粗糙度的Ra平均值為0.915 μm，表明該組合為最佳工藝參數(shù)組合。

2.2 各因素對表面粗糙度的影響規(guī)律

根據(jù)單晶DD98微尺度銑削正交試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制出主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進(jìn)給速度三個(gè)因素對表面粗糙度Ra的影響規(guī)律曲線，如圖2、圖3、圖4所示，并分析表面粗糙度Ra變化的原因。

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律

從圖2中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度Ra先增大后減小再增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為24 000 r/min和36 000 r/min。分析其原因，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較小時(shí)，切削受到最小切削厚度效應(yīng)的影響，刀具在工件表面進(jìn)行滑擦和耕犁，而沒有進(jìn)行切削，表面粗糙度Ra會(huì)增大。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，切屑與微銑刀前刀面的接觸處會(huì)局部熔化并形成一層液態(tài)薄膜，可以有效減小微銑刀前刀面的平均摩擦因數(shù)，使變形系數(shù)減小，能夠縮短切屑變形時(shí)間，使得切屑在瞬間被切離工件，同時(shí)大部分切削熱被切屑帶走，單晶DD98塑性變形量減小，這樣就大大減小了切削力和產(chǎn)生積屑瘤的可能性，表面粗糙度Ra會(huì)不斷減小。但隨著主軸轉(zhuǎn)速的繼續(xù)提高，機(jī)床主軸振動(dòng)會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，表面粗糙度Ra會(huì)增大。單晶DD98在不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面形貌如圖5所示。

圖2 主軸轉(zhuǎn)速的影響Fig.2 Influence of spindle speed

圖3 銑削深度的影響Fig.3 Influence of milling depth

圖4 進(jìn)給速度的影響Fig.4 Influence of feed rate

(a)主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min

(b)主軸轉(zhuǎn)速36 000 r/min

(c)主軸轉(zhuǎn)速48 000 r/min圖5 單晶DD98不同主軸轉(zhuǎn)速下的表面形貌Fig.5 Surface morphology of single crystal DD98 with different spindle speed

2.2.2 銑削深度對表面粗糙度的影響規(guī)律

從圖3中可以看出，隨著銑削深度的增大，表面粗糙度Ra也先增大后減小再增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為10 μm和12 μm。分析其原因，當(dāng)銑削深度較小時(shí)，由于受到最小切削厚度的影響，微銑刀在工件表面上沒有進(jìn)行切削，而是進(jìn)行滑擦和耕犁，只有少部分材料被去除，因此表面質(zhì)量下降。隨著銑削深度的不斷增大，刀具進(jìn)入切削狀態(tài)，表面質(zhì)量有所提高。但隨著銑削深度繼續(xù)增大，銑削力和銑削溫度不斷提高，工件表面的塑性變形也會(huì)增大，導(dǎo)致微銑刀排屑困難，同時(shí)在工件表面上也會(huì)產(chǎn)生一定的切削燒傷，使得表面質(zhì)量大幅下降。

2.2.3 進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響規(guī)律

從圖4中可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度Ra先減小后增大再減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為60 μm/s和80 μm/s。分析其原因，當(dāng)進(jìn)給速度較小時(shí)，由于受到最小切削厚度的影響，微銑刀在工件表面上沒有進(jìn)行切削，而是進(jìn)行滑擦和耕犁，使得工件表面質(zhì)量較差；同時(shí)，微銑刀前刀面上產(chǎn)生的積屑瘤也會(huì)對加工過程產(chǎn)生一定的影響，其硬度較高，由于積屑瘤很難形成較鋒利的刀刃，因此在加工過程中會(huì)使刀具產(chǎn)生一定的振動(dòng)，切削過程不穩(wěn)定，同樣使工件表面質(zhì)量變差。隨著進(jìn)給速度不斷增大，刀具進(jìn)入切削狀態(tài)且積屑瘤逐漸消失，工件表面質(zhì)量又會(huì)逐漸變好。但隨著進(jìn)給速度繼續(xù)增大，銑削力也顯著增大，同時(shí)產(chǎn)生大量的切削熱，在工件表面上產(chǎn)生一定的切削燒傷，使得工件表面質(zhì)量變差。進(jìn)給速度繼續(xù)增大時(shí)，每齒進(jìn)給量完全擺脫最小切削厚度的束縛，材料實(shí)現(xiàn)完全去除，使得工件的表面質(zhì)量大有改善。但相對于主軸轉(zhuǎn)速和銑削深度兩個(gè)因素，進(jìn)給速度對單晶DD98微尺度銑削表面質(zhì)量的影響是最小的。

2.3 微銑削加工過程中的表面微觀缺陷

微銑削加工過程中的加工表面形成機(jī)理決定了其表面微觀結(jié)構(gòu)，而表面微觀結(jié)構(gòu)會(huì)對表面粗糙度產(chǎn)生較大的影響，在加工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生少量的微觀缺陷。

本試驗(yàn)加工結(jié)束后，工件表面也產(chǎn)生了一定的微觀缺陷，其中包括微凹槽、微突起、微孔洞、微劃痕等，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)中產(chǎn)生的表面微觀缺陷Fig.6 Micro surface defects generated in the experiment

3 結(jié)論

(1)根據(jù)正交試驗(yàn)方案，對單晶DD98材料進(jìn)行微尺度銑削加工，通過極差分析和方差分析得出，主軸轉(zhuǎn)速對其表面質(zhì)量的影響最大，銑削深度的影響次之，進(jìn)給速度的影響最小，因此合理選擇主軸轉(zhuǎn)速對有效控制微銑削加工的表面質(zhì)量有重要意義。

(2)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，單晶DD98微尺度銑削加工的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速36 000 r/min，銑削深度5 μm，進(jìn)給速度100 μm/s。

(3)通過正交試驗(yàn)得出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度先增大后減小再增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為24 000 r/min和36 000 r/min，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為36 000 r/min時(shí)，表面粗糙度Ra最小為1.092 μm；隨著銑削深度的增大，表面粗糙度Ra也先增大后減小再增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為10 μm和12 μm，當(dāng)銑削深度為5 μm時(shí)，表面粗糙度Ra最小為1.106 μm；隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度Ra先減小后增大再減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為60 μm/s和80 μm/s，當(dāng)進(jìn)給速度為100 μm/s時(shí)，表面粗糙度Ra最小為1.122 μm。

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(編輯 王旻玥)

Experimental Study on Surface Quality of Single Crystal DD98 in Micro-milling Processes

CAI Ming1GONG Yadong1YU Ning2GAO Qi1

1.School of Mechanical Engineering & Automation,Northeastern University,Shenyang,110819 2.School of Information Science & Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang,110870

In order to explore the surface quality of single crystal DD98 in micro-milling processes, a three-factor and five-level orthogonal experiments of single crystal DD98 in micro-milling processes were conducted by a micro-milling tool with 0.6 mm diameter. Firstly, after range analysis and variance analysis, the spindle speeds have the greatest effects on surface quality. Then the milling depth follows. The feed rate has the least effect on surface quality. The optimized processing parameter combinations are as the following: spindle speed of 36 000 r/min， milling depth of 5 μm, feed rate of 100 μm/s, and the surface quality of single crystal DD98 is the best. Then the influences of spindle speeds， milling depths and feed rates on surface quality were obtained respectively. Deeply analysis of their causes were also given, providing a theoretical basis for the processing of single crystal DD98 material in micro-milling processes.

single crystal DD98; micro-milling; surface quality; orthogonal experiment; range analysis and variance analysis; optimized processing parameter

2016-07-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375082)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(N160306001)

TH161

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.001

蔡 明，男，1990年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)槟ハ髋c精密加工技術(shù)、微尺度加工理論與技術(shù)。E-mail:caiming199004@126.com。鞏亞東，男，1958年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。于 寧，女，1989年生。沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。高 奇，男，1981年生。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。