高速銑削工藝參數對鋁合金表面質量與效率的影響研究

引言

高速銑削（High-Speed Milling, HSM）作為現代制造業的關鍵技術之一，以其高材料去除率、優良的表面質量和低切削力等優勢，廣泛應用于航空航天、汽車零部件及精密模具等領域。尤其對于鋁合金這類輕質材料，高速銑削不僅能顯著縮短加工周期，還能避免傳統銑削中易出現的粘刀、毛刺等問題。然而，高速銑削過程中切削參數（如切削速度、進給量、背吃刀量）的選擇直接影響加工效率與表面質量，不合理的參數組合可能導致刀具過度磨損、表面粗糙度惡化甚至工件報廢。因此，通過系統的試驗研究揭示參數與性能之間的內在規律，對優化高速銑削工藝具有重要的工程意義。

本文以鋁合金6061-T6為試驗材料，選取切削速度（v_c）、每齒進給量（f_z）、背吃刀量（a_p）為變量，采用正交試驗設計方法，重點分析各參數對表面粗糙度（Ra）和材料去除率（MRR）的影響規律，旨在為實際生產中高速銑削鋁合金的參數選擇提供參考。

試驗準備

1. 試驗設備與材料

• 機床：某型號立式高速銑床（主軸最高轉速20000r/min，最大功率15kW，定位精度±0.005mm）；
• 刀具：φ10mm鎢鋼立銑刀（TiAlN涂層，4齒，螺旋角30°，刃口圓角半徑0.05mm）；
• 工件材料：鋁合金6061-T6（尺寸100mm×80mm×20mm，硬度HB95~105，抗拉強度310MPa）；
• 測量儀器：表面粗糙度儀（分辨率0.001μm，測量范圍0~10μm）、三坐標測量機（精度±0.003mm）、電子天平（精度0.01g）。

2. 試驗變量與水平

選取3個對高速銑削性能影響顯著的參數，每個參數設置4個水平（見表1），采用L??(4³)正交表設計試驗，共16組試驗。

試驗方法

1. 工件裝夾：采用虎鉗將工件固定在機床工作臺上，確保工件表面與工作臺面平行度誤差≤0.01mm；
2. 刀具安裝：刀具通過ER32刀柄裝夾，刀柄跳動量≤0.005mm；
3. 切削參數設置：根據正交表調整機床主軸轉速（n=1000v_c/πD，D為刀具直徑）、進給速度（v_f=n×z×f_z，z為刀具齒數）及背吃刀量；
4. 切削過程：采用順銑方式，干式切削（鋁合金高速銑削中常用干式以避免冷卻液殘留），每完成一組試驗更換新刀具，確保刀具狀態一致；
5. 數據測量：
   • 表面粗糙度：在工件加工表面沿進給方向選取3個均勻分布點，用表面粗糙度儀測量Ra值，取平均值；
   • 材料去除率：通過電子天平測量切削前后工件質量差（Δm），結合鋁合金密度（ρ=2.7g/cm³）計算材料去除體積（ΔV=Δm/ρ），再除以切削時間（t）得到MRR=ΔV/t。

結果與分析

1. 表面粗糙度（Ra）分析

圖1為各參數對Ra的影響趨勢曲線（數據為正交試驗結果的極差分析）。由圖可知：

• 切削速度v_c：當v_c從1000m/min增加到3000m/min時，Ra從0.78μm降至0.39μm，降幅達50%；繼續增加至4000m/min時，Ra反而上升至0.52μm。這是因為低速時刀具與工件接觸時間長，易產生積屑瘤，導致表面粗糙度增大；中高速時切削溫度升高（鋁合金熔點約660℃），積屑瘤被抑制，且刀具刃口對材料的剪切作用更充分，表面質量改善；但v_c過高時，刀具磨損加劇（主要為后刀面磨損），刃口變鈍，表面粗糙度回升。
• 每齒進給量f_z：Ra隨f_z增大呈單調上升趨勢，從0.05mm/z時的0.41μm增至0.20mm/z時的0.68μm。這是由于f_z增大，刀具每轉進給量增加，工件表面殘留面積高度（h= f_z/(2√(r_ε×(D/2 - r_ε)))，r_ε為刃口圓角半徑）增大，導致表面粗糙度惡化。
• 背吃刀量a_p：a_p對Ra的影響較小，當a_p從0.2mm增加到0.8mm時，Ra僅從0.45μm增至0.51μm。這是因為高速銑削中，a_p主要影響切削力（切削力隨a_p增大而線性增加），但對表面殘留面積的影響較小，因此Ra變化不明顯。

通過方差分析（顯著性水平α=0.05），各參數對Ra的影響顯著性順序為：f_z > v_c > a_p，其中f_z和v_c為顯著因素，a_p為不顯著因素。

2. 材料去除率（MRR）分析

MRR是衡量加工效率的關鍵指標，計算公式為：
$\text{MRR} = v_c \times a_p \times f_z \times z$MRR=vc?×ap?×fz?×z
（注：z為刀具齒數，此處z=4）

由公式可知，MRR與v_c、a_p、f_z均呈線性正相關。試驗結果驗證了這一規律（見圖2）：

• 當v_c從1000m/min增至4000m/min時，MRR從12cm³/min增至48cm³/min；
• 當f_z從0.05mm/z增至0.20mm/z時，MRR從24cm³/min增至96cm³/min；
• 當a_p從0.2mm增至0.8mm時，MRR從24cm³/min增至96cm³/min。

然而，實際生產中不能無限增大參數以追求高MRR，需兼顧表面質量與刀具壽命。例如，當f_z=0.20mm/z、a_p=0.8mm時，MRR可達192cm³/min，但此時Ra高達0.68μm，可能無法滿足精密零件的表面要求；而當v_c=3000m/min、f_z=0.15mm/z、a_p=0.6mm時，MRR為108cm³/min，Ra為0.42μm，實現了效率與質量的平衡。

3. 最優參數組合確定

以“最小Ra”和“最大MRR”為目標，采用綜合評分法（Ra權重0.6，MRR權重0.4）對正交試驗結果進行優化，得到最優參數組合為：v_c=3000m/min，f_z=0.15mm/z，a_p=0.6mm。此時，Ra=0.40μm，MRR=108cm³/min，滿足航空航天鋁合金零件（如飛機框架）的表面質量要求（Ra≤0.6μm），同時加工效率較傳統銑削（v_c=500m/min）提高了4倍以上。

1. 高速銑削鋁合金6061-T6時，每齒進給量對表面粗糙度的影響最顯著，切削速度次之，背吃刀量影響較小；
2. 表面粗糙度隨切削速度的增加呈“先降后升”趨勢，最優切削速度范圍為2500~3500m/min；
3. 材料去除率與切削速度、每齒進給量、背吃刀量均呈線性正相關，但需通過參數優化平衡效率與質量；
4. 最優參數組合為v_c=3000m/min、f_z=0.15mm/z、a_p=0.6mm，此時表面粗糙度Ra=0.40μm，材料去除率MRR=108cm³/min，可滿足精密零件的加工要求。

本研究為高速銑削鋁合金的工藝參數選擇提供了試驗依據，后續可進一步研究刀具涂層、冷卻液類型等因素對加工性能的影響，以實現更全面的工藝優化。