引言

       微型零部件由于占用空間少、耗材少、能耗低而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，微型加工工藝便應(yīng)運(yùn)而生，微銑削工藝便是其中之一。微加工銑削，也叫做微銑削，是硬質(zhì)材料模具制造中常用的工藝。微銑削在航天航空、汽車、生物制藥、電子、信息技術(shù)、電信等應(yīng)用到微型零部件的領(lǐng)域都有所涉獵。隨著諸多設(shè)備微型零部件的生產(chǎn)和微型化復(fù)雜性的增加，加工材料也由傳統(tǒng)的軟材料（鋁，銅等）轉(zhuǎn)為硬質(zhì)工程材料，如超合金。但超合金的熱導(dǎo)率低，硬度高，對這些材料進(jìn)行微加工存在一定難度。

       Ti-6Al-4V是一種含有6%鋁和4%釩的鈦合金，具有良好的承重性和抗腐蝕性、質(zhì)材輕、極限抗拉強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率低；熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好。常用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、飛機(jī)機(jī)身、渦輪葉片、熱交換器零部件和賽車零件等。鑒于Ti-6Al-4V合金的以上性能，對其進(jìn)行微型零部件加工就不能用傳統(tǒng)的工藝如澆鑄、成型等；而是采用放電微加工，微銑削等加工工藝。放電微加工工藝由于耗時(shí)長，微銑削便成為最佳加工方法。

       本研究就表面粗糙度和毛刺寬度對重要的切削參數(shù)如工具類型、主軸轉(zhuǎn)速、軸向切削深度和每齒進(jìn)給量進(jìn)行分析；并通過多目標(biāo)優(yōu)化的方法得到切削參數(shù)的優(yōu)化值，最終減小表面粗糙度和毛刺寬度。

實(shí)驗(yàn)

       本研究由實(shí)驗(yàn)和工藝優(yōu)化兩部分組成。通過實(shí)驗(yàn)來研究切削參數(shù)對表面粗糙度和毛刺寬度的影響；石川圖用來分析影響表面粗糙度和毛刺寬度的因子；根據(jù)以前的文獻(xiàn)選擇重要的因子，并在本研究做了文獻(xiàn)綜述。微銑削過程中采用田口正交陣列L18進(jìn)行工藝優(yōu)化以找到最佳參數(shù)。

文獻(xiàn)綜述

       Lai 通過尺寸效應(yīng)、微型刀具的刃口半徑和最小切屑厚度進(jìn)行建模并分析了微銑削加工工藝。首先用修改后的JC方程對微米級材料進(jìn)行建模，然后建立微米正交切削FE模型，并在此基礎(chǔ)上建立OFHC Cu微銑削的切削力模型。研究結(jié)果表明當(dāng)未切屑厚度小于最小切屑厚度時(shí)剪切力大大增加。

       Aramcharoen利用TiN，CrN，TiCN，TiAlN 和CrTiAlN鍍附工具和未鍍附工具對脆硬鋼微銑削加工的影響得出結(jié)論：TiN鍍附在銑刀磨損和表面拋光方面能達(dá)到最佳加工效果。

       Ozel 研究了CBN鍍附對Ti-6Al-4V合金微銑削的影響。結(jié)果表明在銑刀磨損和表面拋光方面CBN鍍附工具要比未鍍附工具加工性能更加優(yōu)越；CBN鍍附工具的工具溫度要比未鍍附的WC/Co工具溫度低。但尺寸效應(yīng)、最小切屑厚度不甚理想。

       Thepsonthi 利用田口正交陣列L9對合金微銑削的加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究對每齒進(jìn)給量、軸向切削深度和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了優(yōu)化，并建立了RSM模型。

       Ding H根據(jù)實(shí)驗(yàn)評價(jià)和數(shù)值模擬對淬硬鋼H13微銑削加工的表面粗糙度、尺寸效應(yīng)和銑刀磨損進(jìn)行了研究；用FE模型對微切槽和微側(cè)銑加工過程中的切屑形成進(jìn)行了模擬。

實(shí)驗(yàn)

       實(shí)驗(yàn)采用有效切削直徑為500μm的TiN鍍附和未鍍附工具在微加工中心上進(jìn)行Ti-6Al-4V合金的微銑削。在表面粗糙度和毛刺寬度方面對工具鍍附、主軸轉(zhuǎn)速、軸向切削深度和每齒進(jìn)給量等參數(shù)進(jìn)行了研究。每次實(shí)驗(yàn)都求得表面粗糙度（Ra）和毛刺寬度的平均值。用Mitutoyo SJ-301數(shù)字表面光潔度檢查儀在切槽底部進(jìn)行表面粗糙度測量；在切槽兩邊沿形成的毛刺的寬度即毛刺總寬度，由光學(xué)顯微鏡測得。圖一為實(shí)驗(yàn)裝置。圖二為石川圖，分析了諸多因素對表面粗糙度和毛刺寬度的影響。        已經(jīng)有研究證明當(dāng)切削長度較短時(shí)銑刀磨損影響幾乎忽略不計(jì)。因此在本實(shí)驗(yàn)中，切削長度僅10mm，忽略銑刀磨損對表面粗糙度和毛刺寬度的影響。實(shí)驗(yàn)采用由美國肯納硬質(zhì)合金公司生產(chǎn)的有類似幾何形狀的整體硬質(zhì)合金立銑刀，因此材料效應(yīng)和工具形狀就不計(jì)考慮。實(shí)驗(yàn)所用工具適用于干加工，其他四個(gè)因素分別為：

       鍍附類型、主軸速度、每齒進(jìn)給量、切削深度。

       表一為這些加工參數(shù)的值。其中，工具類型有兩個(gè)量級因素，切削速度、進(jìn)給速度和切削深度有三個(gè)量級因素。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正交陣列L18，它可以擁有一個(gè)控制因子，兩個(gè)量級；總共多達(dá)七個(gè)因子，每個(gè)因子三個(gè)量級。18組實(shí)驗(yàn)即可有效計(jì)算出主要效果。
結(jié)果與討論

切削參數(shù)對毛刺寬度影響

       圖三為微銑削過程中光學(xué)顯微鏡（變焦 ×50）下觀察到的毛刺形成頂視圖。逆銑的毛刺要比順銑的毛刺多；將逆銑和順銑毛刺寬度相加從而得出毛刺總寬度。圖四、五、六和七分別為工具類型、主軸速度、每齒進(jìn)給量和軸向切削深度變量。





       圖四可以明顯看出TiN鍍附工具比未鍍附工具產(chǎn)生的毛刺更多，這可以是鍍附了TiN的工具的切削刃半徑較大的緣故。圖五、六可以看出毛刺寬度隨著每齒進(jìn)給量和主軸速度的增加而變??；毛刺寬度還隨軸向切削深度的增加而減小。從這些圖標(biāo)可以看出，軸向切削深度對毛刺寬度影響最大。

切削參數(shù)對表面粗糙度影響

       圖8、9、10、11分別為工具類型、主軸速度、每齒進(jìn)給量和軸向切削深度變量。表面粗糙度隨切削參數(shù)和工具類型的變化如圖8所示。TiN鍍附工具的微銑削比未鍍附工具的微銑削加工能夠產(chǎn)生更好的表面光潔。這是由于工具鍍附增加了刀尖半徑。



       從圖中還可以看出表面粗糙度隨著主軸速度的增加和進(jìn)給速度的降低而有所改善。速度增大時(shí)產(chǎn)生更多熱量從而軟化工件，這可能就是切削速度較高時(shí)表面粗糙度較好的原因。隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度也會(huì)有所增加。

結(jié)論

       本實(shí)驗(yàn)研究了切削參數(shù)對毛刺寬度和表面粗糙度的影響，并進(jìn)行優(yōu)化求得減小毛刺寬度和表面粗糙度的切削參數(shù)值。有以下結(jié)論：

       •TiN鍍附工具要比未鍍附工具產(chǎn)生更多毛刺；隨著主軸速度、每齒進(jìn)給量和軸向切削深度的增加，毛刺寬度變小。

       •TiN鍍附工具要比未鍍附工具產(chǎn)生更好的表面光潔度。表面粗糙度隨著主軸速度的增加而降低、隨每齒進(jìn)給量的增加而增大。

       •毛刺總寬度優(yōu)化值為88.33 μm，表面粗糙度值為0.2594 μm，該數(shù)值為TiN鍍附工具、每齒進(jìn)給量為3 μm/齒、主軸速度為5000 rpm、軸向切削深度為50 μm的條件下求得。