閆雪峰，李文

（1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066000

隨著國(guó)防及民用技術(shù)領(lǐng)域?qū)?fù)雜程度高、制造精度高的微小型零件的需求日益迫切，開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微小零件的微細(xì)加工技術(shù)具有重要意義。微米級(jí)的小型零件及相關(guān)產(chǎn)品具有體積小、質(zhì)量輕、精度高及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、微電子等領(lǐng)域。微細(xì)加工技術(shù)是制造微小尺寸零件最常用的加工方法。與傳統(tǒng)加工方式相同，微細(xì)加工技術(shù)也是一種材料去除技術(shù)，不同的是，其能夠在微尺度上進(jìn)行操作。微細(xì)銑削技術(shù)是微細(xì)加工中應(yīng)用最廣、實(shí)用性最強(qiáng)的加工工藝。近年來(lái)，其廣泛應(yīng)用于解決三維表面形貌加工問題，技術(shù)不斷發(fā)展，成為微細(xì)切削領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。

微細(xì)銑削技術(shù)是微細(xì)加工中應(yīng)用最廣、實(shí)用性最強(qiáng)的加工工藝。近年來(lái)，其廣泛應(yīng)用于解決三維表面形貌加工問題，技術(shù)不斷發(fā)展，成為微銑切削領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。

微銑削具有加工效率高、加工材料多樣性、加工成本低、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為微小型結(jié)構(gòu)及微小型零件的主流加工方法。微銑削可對(duì)硬材料、軟材料以及非導(dǎo)電材料進(jìn)行加工，該技術(shù)材料去除率可達(dá)電火花加工(EDM) 加工技術(shù)的五倍，仍保持良好的尺寸。但是，由于微細(xì)銑削所使用的刀具直徑小，加工過程中主軸轉(zhuǎn)速高，所以會(huì)呈現(xiàn)出如刀具破損、刀具磨損快、表面質(zhì)量低、微毛刺等一系列弊端。微細(xì)銑削中零件尺寸在數(shù)十納米至微米之間且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工過程中表面質(zhì)量較難保證。零件表面質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的使用性能和可靠性有較大的影響，零件的表面質(zhì)量可分為表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面冷作硬化和毛刺。本文以此為脈絡(luò)展開，分別探討了切削參數(shù)對(duì)其影響的研究現(xiàn)狀，提出了一些提高加工表面質(zhì)量的建議。

1 微細(xì)銑削表面粗糙度

微細(xì)銑削中已加工表面粗糙度對(duì)零件的配合性質(zhì)、耐磨性、耐蝕性、疲勞強(qiáng)度和接觸剛度等各項(xiàng)性能影響較大，尤其是微小型結(jié)構(gòu)工件更難以控制和預(yù)測(cè)加工后表面粗糙度。研究微細(xì)銑削技術(shù)，選擇合理的切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的改善顯得尤為重要。

K. Aslantas 等人通過微細(xì)銑削Ti-6Al-4V合金的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑床高主軸轉(zhuǎn)速下，刀具前刀面變形和磨損較小，切屑被快速帶走產(chǎn)生較小的材料表面變形，因此，主軸轉(zhuǎn)速越高表面粗糙度值越大。王文通過微細(xì)銑削黃銅材料的正交試驗(yàn)，研究銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，亦得出表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低。

Zhanwen Sun 等人通過對(duì)微細(xì)銑削Al6061 正交試驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)每齒進(jìn)給量小于1.2μm時(shí)，表面粗糙度隨著進(jìn)給量的增加而變差，隨著切削深度的增加略有減小。同樣，K．Vipindas 等人通過對(duì)微細(xì)銑削Ti6A14V合金的試驗(yàn)研究，也得出了相同的結(jié)論，切削深度和進(jìn)給量是影響表面粗糙度的最主要因素。每齒進(jìn)給量大于切削刃刃口半徑時(shí)，表面粗糙度隨進(jìn)給量增加而增加；切削深度大于最小切削厚度時(shí)，減少切削深度即減小刀具與工件之間的摩擦力和擠壓力，可明顯降低表面粗糙度值。隨著切削深度增大，刀具磨損嚴(yán)重增加，刀具幾何形狀的變形增大，表面粗糙度值增大。

D.Brahmeswara Rao 等人通過微細(xì)銑削AlSI304 不銹鋼的試驗(yàn)，并采用田口方法對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速6000r/m，每齒進(jìn)給量95μm，切削深度50μm。K.Venkata rao 等人采用響應(yīng)曲面法對(duì)Ti-6Al-4V合金進(jìn)行微細(xì)銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)在切削速度為19.78m/min、每齒進(jìn)給量為75mm、切削深度為50mm時(shí)，工藝的性能得到了最大限度的提高。

綜上所述，切削參數(shù)中對(duì)微細(xì)銑削表面粗糙度影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給量次之，銑削深度影響相對(duì)較小。表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而降低，隨進(jìn)給量增加而增加，減少切削深度可明顯降低表面粗糙度值。因此，在一定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，提高銑削速度，減少每齒進(jìn)給量和切削深度，減少切削刃口圓弧半徑或減少切削厚度，都可以有效降低微細(xì)銑削表面粗糙度值。

2 微細(xì)銑削表面殘余應(yīng)力

加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布對(duì)零件的疲勞壽命、耐蝕性和精密耐久性有著重要的影響。尤其是微細(xì)加工技術(shù)中，由于零件很小，殘余應(yīng)力引起的任何微量的形變都會(huì)對(duì)微零件的工作性能造成較大的影響。微細(xì)銑削已加工表面殘余應(yīng)力的研究對(duì)提升微小型零部件的使用性能和使用壽命有重大意義。

在加工過程中，工件的應(yīng)力變化過程決定了最終的殘余應(yīng)力分布，切削力和溫度都會(huì)影響工件在切削過程中的應(yīng)力狀態(tài)。Denkena 等人分析和驗(yàn)證了熱致殘余應(yīng)力的形成存在溫度極限，當(dāng)工件溫度低于臨界值時(shí)，熱載荷對(duì)殘余應(yīng)力形成的影響可以忽略不計(jì)。Jin X 等人通過有限元仿真軟件也得出溫度對(duì)微細(xì)銑削加工表面的殘余應(yīng)力具有一定的影響。

馬世玲等人基于ABAQUS 有限元軟件建立硬質(zhì)合金立銑刀微細(xì)銑削高溫合金GH4169 的三維有限元模型。發(fā)現(xiàn)工件表面殘余應(yīng)力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨每齒進(jìn)給量的增大先增大后減小，隨銑削深度的增大而增大。周金華等人分別用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法對(duì)微銑削殘余應(yīng)力與切削速度和每齒進(jìn)給量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加殘余應(yīng)力，整體上有十分顯著的增加。隨著進(jìn)給量的增加，殘余應(yīng)力在時(shí)存在最高值。H.H.Zeng 等人通過對(duì)鋼進(jìn)行微細(xì)銑削的實(shí)驗(yàn)，得出隨著切削深度的增加，殘余應(yīng)力先增大后減小，最后在切削深度約2μm 深度處獲得最大殘余應(yīng)力。

微細(xì)銑削表面殘余應(yīng)力會(huì)在溫度高于臨界值時(shí)，受切削熱的影響。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度的增加時(shí)，殘余應(yīng)力都會(huì)隨之增大，但隨每齒進(jìn)給量的增大時(shí)，殘余應(yīng)力存在最大值。因此，為減少微細(xì)銑削已加工表面的殘余應(yīng)力，可以適當(dāng)?shù)剡x擇較低的主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，且增加切削液來(lái)降低溫度。

3 微細(xì)銑削表面加工硬化

表面加工硬化作為衡量機(jī)械加工表面完整性的重要指標(biāo)之一，對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度具有很大的影響。適當(dāng)?shù)募庸び不瘯?huì)在零件表面形成硬化層，有效地防止表面裂紋的形成和擴(kuò)展，但過高的加工硬化會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有微裂紋的擴(kuò)大和新裂紋的出現(xiàn)，降低零件的表面質(zhì)量和疲勞強(qiáng)度，影響零件的性能和使用壽命。微細(xì)銑削過程中，工件表面被刀刃擠壓的同時(shí)也被后刀面擠壓和摩擦，發(fā)生塑性變形使晶粒破碎拉長(zhǎng)、晶格擠壓變形，在彈性回復(fù)時(shí)重組產(chǎn)生加工硬化層，如圖1 所示。其中，與傳統(tǒng)銑削加工硬化受切削熱、切屑等因素影響外，由于微細(xì)銑削加工尺度小，還存在著尺度效應(yīng)、最小切削厚度等現(xiàn)象，使得其硬化的形成機(jī)理區(qū)別于傳統(tǒng)銑削中的加工硬化現(xiàn)象。因此，研究微細(xì)銑削加工過程中切削參數(shù)對(duì)零件已加工表面加工硬化的影響規(guī)律具有重要意義。

Sabrina Bodziak 等人研究了微細(xì)銑削P20 模具鋼和H13鋼后已加工表面完整性，通過對(duì)比加工前后零件表面層顯微硬度差，發(fā)現(xiàn)這兩種材料切削后表表面層顯微硬度是基體的3倍，說明微細(xì)銑削中存在加工硬化。盧曉紅等人借助ABAQUS仿真軟件模擬Inconel718 的微細(xì)銑削過程，發(fā)現(xiàn)材料塑性應(yīng)變與加工硬化程度成正比。材料塑性應(yīng)變隨著每齒進(jìn)給量的增加先下降再上升再緩慢下降，在0.7μm/z 的時(shí)候塑性應(yīng)變最小。Xiaohong Lu 等人通過微細(xì)銑削Inconel 718 合金試驗(yàn)研究微細(xì)銑削過程中切削參數(shù)對(duì)表面加工硬化的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微細(xì)銑削過程中，切削參數(shù)中對(duì)加工硬化影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速，然后，依次是軸向切削深度和每齒進(jìn)給量。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，加工表面的顯微硬度隨之減小，隨著軸向切削深度的增加顯微硬度也隨之增大。當(dāng)每齒進(jìn)給量增加時(shí)，顯微硬度先增加后減小，且當(dāng)每齒進(jìn)給量等于最小切削厚度(0.7μm/z)時(shí)存在最值。路彥君等人基于ABAQUS 有限元仿真軟件模擬微細(xì)銑削鎳基高溫合金的過程，并采用響應(yīng)曲面法分析仿真數(shù)據(jù)，再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了相同的結(jié)論。微細(xì)銑削過程中存在表面加工硬化的現(xiàn)象，且加工硬化程度與塑性應(yīng)變成正比。主軸轉(zhuǎn)速越高加工硬化越小，但軸向切削深度約深加工硬化大。當(dāng)進(jìn)給量增加時(shí)，加工硬化在每齒進(jìn)給量等于最小切削厚度時(shí)存在最大值。因此，為使微細(xì)銑削過程中零件加工硬化程度減小，可在生產(chǎn)中選取適當(dāng)大點(diǎn)的主軸轉(zhuǎn)速和較小的軸向切深，在每齒進(jìn)給量選取上盡量大于最小切削厚度。

圖1 微細(xì)銑削表面加工硬化路線

4 微細(xì)銑削毛刺

毛刺是加工過程中在零件加工表面，工件材料受切削力作用表面發(fā)生復(fù)雜變形且超出了預(yù)期表面的部分。零件表面存在毛刺會(huì)降低了零件的表面質(zhì)量、形位精度和尺寸精度，甚至?xí)绊懥慵墓δ芎脱b配性能。與傳統(tǒng)銑削相比，微細(xì)銑削被加工零件的特征尺寸達(dá)到微米級(jí)，會(huì)受到尺寸效應(yīng)、最小切削層厚度、刀具剛度不足、偏心等多種因素的影響，更易產(chǎn)生毛刺。經(jīng)過研究表明，諸多對(duì)毛刺的影響因素中，切削參數(shù)是最為直接的因素之一。

袁美霞等人在微細(xì)銑削鋁合金6061 的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著切削深度的增加，零件表面的毛刺形狀由長(zhǎng)條須狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ诵武忼X狀，且毛刺也逐漸邊長(zhǎng)。D.Brahmeswara Rao 等人采用田口方法研究切削參數(shù)對(duì)微細(xì)銑削過程中毛刺寬度的影響規(guī)律，得出毛刺隨主軸轉(zhuǎn)速和切削深度的增加先變窄后變寬；隨每齒進(jìn)給量的增加，毛刺都會(huì)隨之變窄。

Teng W、Chakradhar B.、Zhao K 等人均在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給速度、切削深度保持不變時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，毛刺尺寸變化不明顯。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速恒定，毛刺形態(tài)和大小會(huì)隨著切削深度的減小及進(jìn)給量的增加而減小。

Vipindas K 等人對(duì)Ti6A14V合金進(jìn)行微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，通過方差分析得出微細(xì)銑削過程中產(chǎn)生的毛刺會(huì)隨著進(jìn)給量的增加而變窄。逆銑邊毛刺尺寸明顯小于順銑邊，且最小毛刺寬度的最佳切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速1462r/min，進(jìn)給量2mm/min，直徑1mm 刀具切削深度0.1mm。張志陽(yáng)等人通過微細(xì)銑削鋁合金的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微細(xì)逆銑邊的毛刺小于微細(xì)順銑邊毛刺，且每齒進(jìn)給量對(duì)毛刺尺寸影響最大、軸向銑削深度次之、主軸轉(zhuǎn)速最小。

綜上所述，微細(xì)銑削加工后零件表面的毛刺受進(jìn)給量影響最大，切削深度次之。由于剪切區(qū)切削溫度的升高，去除材料所需的切削力就會(huì)降低，毛刺寬度隨主軸速度和切削深度的增加先減小后增大。毛刺形狀和大小受主軸轉(zhuǎn)速影響不明顯,隨著切削深度的減小及進(jìn)給量的增加都會(huì)減小。微細(xì)逆銑產(chǎn)生毛刺明顯小于順銑。因此，微細(xì)銑削加工中采用逆銑且適當(dāng)較高的切削速度和進(jìn)給量，可以減少毛刺的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

有關(guān)微細(xì)銑削表面質(zhì)量的研究仍處于初級(jí)階段，研究成果偏少。由上文分析可以看出，微細(xì)銑削加工中，切削參數(shù)對(duì)零件的表面粗糙度、殘余應(yīng)力、加工硬化、毛刺具有一定影響規(guī)律，通過控制主軸轉(zhuǎn)速、軸向切削深度、進(jìn)給量和徑向切削深度這四個(gè)切削參數(shù)可以有效地提高零件的表面質(zhì)量。但是，微細(xì)銑削加工中切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的研究多集中在四個(gè)切削參數(shù)因素對(duì)單個(gè)目標(biāo)的影響，多因素交互作用對(duì)表面質(zhì)量影響的研究也較少，且多因素對(duì)多個(gè)目標(biāo)的研究較少，這些領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)微細(xì)銑削表面質(zhì)量的研究重點(diǎn)。