张贝贝，秦 涛

(许昌学院 电气与机械工程学院(工程训练中心)，河南 许昌 461000)

铝合金以轻结构、抗腐蚀性能强等突出优点，在车辆、航空航天设备、医学器材等领域得到了广泛的应用，是实现轻量化、现代化的优良材料，其中6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，属于热处理可强化合金，具有良好的可成型性、焊接性，切削性能优良，具有中等强度.针对铝合金材料的加工特性，刀具厂家研制了专业适用于铝合金切削的刀具，且针对不同的铝合金材料和刀具，生产商都给出了相应的参考工艺参数，但这些参数都具有保守性，为了在提高加工效率和保证加工质量之间找到平衡，丁涛[1]等建立了6061铝合金加工的粗糙度预测模型，伍文进[2]等对工艺参数进行了研究，但都没有考虑刀具本身的材质和螺旋角对实验结果的影响[3-6].以6061铝合金材料为例,采用正交实验的方法，以不同的加工参数，通过铝合金加工专用刀具在毛坯上试加工不同的几个面，利用极差分析方法,分析出主轴转速、进给速度、精加工余量对表面粗糙度的影响规律，探究合适的工艺参数组合.

1 铝用立铣刀的特点

铝合金材料的加工特性是强度比较低，表面硬度比较软，更容易形成加工工件瘤，塑性变形量小，切屑容易卷曲，影响排屑.铝加工专用立铣刀具的刃口锐利，降低切削阻力，45°、55°的螺旋角，大排屑槽，能够保障切削顺畅不容易积屑，较大的刀芯增强了刚性和抗震性，不容易崩刀，且能够有效减少加工震纹.

2 实验设计

2.1 实验条件

加工设备选择马扎克VCS530CL三轴立式加工中心，该机床主轴功率22 kW,最高转速12 000 r/min,开粗的刀具选用φ16 mm的立铣刀，精铣选用φ8 mm，刀长45 mm,刃长20 mm,螺旋角为55°的3刃铝合金加工专用立铣刀,材质类型为整体钨钴类硬质合金.

2.2 实验方案及结果

影响表面粗糙度的主要因素有主轴转速、进给速度、精加工余量等，采用如图1所示的零件，在30×30×50 mm的6061铝合金块上铣削出25×15 mm的4个面，通过UG编程软件编写开粗和精铣的加工程序，精铣方式为顺铣，切削深度选为0.75倍的刃长(15 mm)，加工过程使用切削液.

图1 精铣刀路

为了更准确地反映各因素对精加工效果的影响，以企业常见的加工设备为例，选择了从低速切削到高速切削机床的四个精加工常见水平进行试验(表1).选用五因素四水平的固定规格正交试验表，可以进行16次试验，完全满足需求，最后选用便携式粗糙度测量仪测量各表面粗糙度取平均值，并将试验数据及所得表面粗糙度值记录在表2中.

表1 精铣影响因素及水平表

表2 实验设计(L1645正交实验表)

3 结果分析及验证

3.1 结果分析

表3 粗糙度极差分析结果

通过分析表3数据我们可以得出RB>RA>RC，即在这3个因素中进给速度F对侧壁精加工的粗糙度影响最大，精加工余量h影响最小.

对比各因素的水平平均值，可以看出随着主轴转速的提高表面粗糙度在降低，随着进给速度的增加粗糙度在增大，精加工余量对粗糙度的变化趋势很小.

为了更直观的找出主轴转速和进给速度对粗糙度的影响，我们引用两因素都相关的变量fz(每齿进给量mm/t).

fz表示每齿进给量；F表示进给速度；Z表示刀具刃(齿)数；S表示主轴转速.

通过EXCEL办公软件计算出各个实验编号中对应的每齿进给量，以fz为主序列进行升序排列，其结果如表4.

表4 每齿进给量fz与粗糙度Ra的对应数据

通过表4中相关数据制作出相应的散点图如图2所示，可得出：每齿进给量与粗糙度成正比，在常规的加工中，一般粗糙度数值要求为Ra3.2、Ra6.3、Ra12.5等，每齿进给量fz为0.05～0.1 mm·t-1时粗糙度为3～6.3 μm，0.1～0.15 mm·t-1时粗糙度为6.3～12.5 μm.

图2 每齿进给量fz与粗糙度Ra的散点图

3.2 结果验证

为了验证实验结果的准确性，我们在3刃铝用铣刀的前提下，选择不同的工艺参数(表5)进行验证.

表5 验证实验及结果

4 结论

通过以上结果分析，我们可以得出在使用铝合金加工专用立铣刀精铣侧壁时有以下几点.

(1)在极差分析中可以得出，精加工三要素对粗糙度大小的影响程度为进给速度F>主轴转速S>精加工余量h.

(2)每齿进给量fz与表面粗糙度Ra成明显的线性关系，fz为0.05～0.1 mm·t-1时粗糙度为3.2～6.3 μm，fz为0.1～0.15 mm·t-1时粗糙度为6.3～12.5 μm.可在用铝合金专用加工刀具加工6061铝合金时，结合图纸的实际粗糙度要求，精加工余量为0.2 mm.选择每齿进给量fz，根据机床的实际功率和特性选择主轴转速S，最后计算出侧壁精加工时的合理进给F.