摘要：
       本研究利用高速鋼鉆頭對(duì)聚合物復(fù)合材料（PMC）進(jìn)行鉆削加工并研究其表面光潔度。實(shí)驗(yàn)利用800、1000和1200目的碳化硅、氧化鋁磨料，借助冷卻液和泥漿系統(tǒng)對(duì)PMC進(jìn)行鉆削加工。磨料既可以起到冷卻作用，又可以增加表面光潔度和MRR并減緩工具磨損。研究中用到的機(jī)床為CNC鉆床；采用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；利用多性能特征對(duì)鉆削參數(shù)（進(jìn)給速率、主軸速度、磨料粒度、磨料類型、泥漿濃度）進(jìn)行優(yōu)化以便對(duì)表面光潔度進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：進(jìn)給速率、磨料類型和泥漿濃度是影響鉆削工藝中表面光潔度的最顯著因子。
關(guān)鍵詞：
       磨料,ANOVA,鉆削,田口實(shí)驗(yàn)法,聚合物復(fù)合材料,表面粗糙度,MRR
1、引言
       鉆削是一種基礎(chǔ)性加工工藝，用于材料去除的加工，并常用做鉸孔、攻絲、和鉆孔等加工工藝的預(yù)備加工，并朝著高效生產(chǎn)的高速設(shè)備方向發(fā)展。鉆削通常利用鉆頭這類多刃切割刀具在實(shí)體材料上加工圓孔或者擴(kuò)孔。研究表明高切割速度、高進(jìn)給和大切割深度的高效加工和鉆削常常伴隨著較高的熱量和切割溫度，從而降低加工精度并縮短工具壽命。鉆削是汽車制造和航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)性框架裝置的重要加工工藝，而鉆孔的質(zhì)量則顯著影響著接頭的壽命。制造加工業(yè)特別是自由貿(mào)易和全球成本競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)迫切需要高生產(chǎn)效率、高產(chǎn)品質(zhì)量和整體經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也推動(dòng)著切割工具朝著材料去除率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、工具壽命長(zhǎng)的方向發(fā)展。
2、文獻(xiàn)綜述
       J.Pradeep Kumar采用田口實(shí)驗(yàn)法利用HSS螺旋鉆對(duì)OHNS材料進(jìn)行鉆削加工以研究鉆削參數(shù)對(duì)表面粗糙度、工具磨損、材料去除率和孔徑誤差的影響；采用田口正交陣列、S/N比、ANOVA和回歸分析法來(lái)研究鉆削參數(shù)對(duì)鉆孔質(zhì)量的影響。本研究做了L18正交陣列實(shí)驗(yàn)系列；實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行收集并利用MINITAB13軟件進(jìn)行分析。利用線性回歸公式建立鉆削參數(shù)和鉆孔質(zhì)量特征之間的關(guān)系。對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，具有較好的一致性。
       Yogendra Tyagi采用田口實(shí)驗(yàn)法，利用CNC鉆床對(duì)高速鋼進(jìn)行鉆削加工。利用田口法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行闡述以弄清每個(gè)最佳工藝參數(shù)的影響因子。利用L9田口陣列和ANOVA對(duì)參數(shù)配置的變化步驟進(jìn)行闡述分析。研究表明表面光潔度和材料去除率是加工質(zhì)量的一個(gè)特征并直接影響著加工效率。為使表面粗糙度最小化并提高材料去除率，實(shí)驗(yàn)對(duì)最佳加工參數(shù)（主軸速度、切割深度和進(jìn)給速率等）的選擇進(jìn)行了分析。
       Arshad Noor Siddiquee主要研究了以田口法為基礎(chǔ)的深孔鉆削參數(shù)優(yōu)化，以便實(shí)現(xiàn)表面粗糙度最小化。實(shí)驗(yàn)利用整體硬質(zhì)合金刀具在CNC車床上對(duì)奧氏體不銹鋼AISI321進(jìn)行加工；對(duì)切削液、速度、進(jìn)給和孔深進(jìn)行了研究。采用田口L18正交陣列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。利用S/N比和ANOVA分析來(lái)研究加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響及其影響比例。
       B.V.Kavad的研究表明鉆削加工是玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）制備和組裝的重要工藝。實(shí)驗(yàn)嘗試了傳統(tǒng)鉆削、振動(dòng)鉆削、超聲波鉆削等不同工藝，以此來(lái)保持材料的完整性和加工精度。該研究主要分析鉆削加工參數(shù)對(duì)GFRP脫層損害的影響。在傳統(tǒng)加工工藝中，進(jìn)給速率、刀具材料和切割速度是影響分層的重要參數(shù)，因此，高速加工、硬質(zhì)刀具材料和低進(jìn)給速率可以實(shí)現(xiàn)GFRP較少的分層。振動(dòng)鉆削和超聲波鉆削的推力較小，因此比傳統(tǒng)鉆削工藝更能夠?qū)崿F(xiàn)較低的分層。
3、加工裝置
       圖一為實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床；切削液為碳化硅磨粉漿和800、1000、1200目的氧化鋁磨料；粉漿濃度為20%、25%和30%。工件材料為聚合物復(fù)合材料；利用Mtiutoyo SJ-201P儀器對(duì)所有加工試樣的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量并求得平均表面粗糙度Ra。

3.1 聚合物復(fù)合材料
       復(fù)合材料通常包括多種組份，其中聚合物為基體，各種纖維為補(bǔ)強(qiáng)材料。玻璃纖維是PMC材料中最常見(jiàn)的補(bǔ)強(qiáng)材料。只有將樹(shù)脂組份和增強(qiáng)纖維結(jié)合才能發(fā)揮材料的卓越性能。當(dāng)復(fù)合材料受負(fù)載時(shí)，樹(shù)脂基體將載荷分散到纖維之間，從而保護(hù)纖維免受磨損和沖擊。復(fù)合材料強(qiáng)度高、韌性好、復(fù)雜形狀的制模成形比較簡(jiǎn)單，且抗環(huán)境影響性好；整體性能比一些金屬更優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于諸多設(shè)備中。本實(shí)驗(yàn)所用工件材料的組份如表一所示。

3.2 磨料
       磨料可以定義為利用磨削或研磨原理采用硬度極高的材料對(duì)其他材料進(jìn)行成型加工和其他工藝處理的材料。磨料可以用于自由磨粒、砂輪、紗布和砂紙等；也用在金屬加工工藝的陶瓷切割刀具上。由于其耐火性和超高的硬度，磨料在高速加工、切割深度和精加工光滑度方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。人造磨料主要有碳化硅、氧化鋁和立方氮化硼等。
4、實(shí)驗(yàn)
       本研究選取五組不同加工參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工件材料因子有兩組，其他參數(shù)如切割深度、工作臺(tái)速度、粒度和粉漿濃度都各有三組。采用L18正交陣列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中的術(shù)語(yǔ)“signal”代表適宜可取的值，“noise”代表不需要的值。利用ANOVA預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)對(duì)性能特征的影響百分比。表3為五組工藝參數(shù)：磨料類型、進(jìn)給速率、主軸速度、粒度和粉漿濃度。利用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。利用Minitab16軟件對(duì)工藝參數(shù)的影響進(jìn)行建模。利用田口法求得S/N比。

       進(jìn)給速率對(duì)表面粗糙度影響最大。進(jìn)給速率最小時(shí)表面光潔度最好。表面粗糙度隨進(jìn)給速率增大而增大。從進(jìn)給速率三個(gè)不同的值可以看出，在100mm/min處表面光潔度最大，在300mm/min處表面光潔度最小。表面粗糙度還受速度影響。速度為3000rpm時(shí)表面粗糙度最大，1500rpm時(shí)表面粗糙度最小。
       粗磨料的使用導(dǎo)致表面裂縫增大，進(jìn)而使表面粗糙度變大，并降低了表面質(zhì)量。而精細(xì)磨粒則降低了表面粗糙度。1200目的磨料加工出的表面粗糙度要比800目和1000目磨料的好。當(dāng)粉漿濃度為20%和25%時(shí)，表面光潔度最佳。
       實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳化硅磨料鉆削得到的表面粗糙度值要比冷卻液輔助鉆削得到的表面粗糙度值低。這主要是由于碳化硅鉆削加工中的材料去除率低。由于MRR低，鉆削過(guò)程中PMC表面沒(méi)有出現(xiàn)孔穴。

       由此可以看出，碳化硅鉆削過(guò)程中的表面光潔度有21.33%的改善；氧化鋁磨料鉆削過(guò)程中的表面光潔度有3.33%的改善。
6、ANOVA

       從表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：磨料類型是磨料輔助鉆削過(guò)程中最重要的因子，占40.05%；進(jìn)給速率的影響百分比為26.70%；粉漿濃度占25.86%；磨料粒度占0.41%；速度占0.04%。
       對(duì)于MRR，進(jìn)給速率的影響百分比為79.40%;粉漿濃度占8.29%；磨料類型占7.01%。磨料粒度占2.39%；速度占0.09%。
7、結(jié)論
       對(duì)于表面粗糙度，25%濃度的1200目碳化硅、100mm/min進(jìn)給速率和2000rpm旋轉(zhuǎn)速度為磨料輔助鉆削的最佳工藝參數(shù)。
和冷卻液鉆削相比，碳化硅粉漿鉆削得到的表面粗糙度的平均改善程度為21.33%；氧化鋁粉漿鉆削得到的表面粗糙度的平均改善程度為3.33%。
       對(duì)于MRR，35%濃度的800目氧化鋁磨料、300mm/min進(jìn)給速率和2000rpm旋轉(zhuǎn)速度為磨料輔助鉆削的最佳工藝參數(shù)。
       和冷卻液鉆削相比，磨料輔助鉆削（碳化硅粉漿）工藝得到的MRR平均改善程度為2.02%；而氧化鋁粉漿工藝得到的MRR平均改善程度為10.6%。
       在所有所選參數(shù)中，磨料類型、粉漿濃度對(duì)磨料輔助鉆削工藝中PMC材料的表面粗糙度的影響最大；Rpm和粒度影響較小。在高速、大粒度和適當(dāng)濃度的條件下，表面粗糙度達(dá)到最小。進(jìn)給速率和磨料類型對(duì)MRR影響大，而RPM和粒度對(duì)MRR的影響則較小。（編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）