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      鎂合金(AZ31B)銑削加工工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究

      2023-10-14 07:51:20常星星馬浩騫袁讓兵李林朕
      機(jī)械工程師 2023年10期
      關(guān)鍵詞:鎂合金彎矩轉(zhuǎn)矩

      常星星,馬浩騫,袁讓兵,李林朕

      (安徽天航機(jī)電有限公司,安徽 蕪湖 241000)

      0 引言

      隨著科技與國防實(shí)力的不斷發(fā)展,航空航天事業(yè)正如火如荼地大力創(chuàng)新,一系列新型材料被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。其中應(yīng)用較多的如鈦合金、高溫合金、鎳基合金和鎂合金等等,它們特有的物理屬性和使用性能成為人們熱衷的研究課題,作為綠色輕量化的材料代表鎂合金被廣泛研究,范磊等[1-3]對ZK61M鎂合金車削加工的工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)切削的深度對切削力的影響最為顯著,同時(shí)采用低溫切削比常溫切削可以得到更好的表面質(zhì)量。錢景行等[4-6]針對AZ31B鎂合金低溫切削進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究,探究切削速度、切削厚度、刀刃半徑的增加與表面粗糙度之間的關(guān)系,為提高工件加工的表面質(zhì)量提供指導(dǎo)方向。馮鑫等[7-9]通過鎂合金加工進(jìn)行二維、三維的建模,分析切削量對加工后的切屑及溫度的影響規(guī)律,并用線性回歸對實(shí)驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行分析,總結(jié)仿真及實(shí)驗(yàn)的影響結(jié)果。

      為進(jìn)一步揭示不同的銑削加工參數(shù)對彎矩、轉(zhuǎn)矩及工件表面粗糙度的影響規(guī)律,實(shí)現(xiàn)綠色、輕量化加工,即加工無需切削液排屑及冷卻,采用干式的銑削方式,在零部件加工中刀具保護(hù)和生產(chǎn)安全、效率提升方面實(shí)現(xiàn)雙贏,為后續(xù)鎂合金在制造領(lǐng)域上粗加工、半精加工及精加工提供借鑒。

      1 實(shí)驗(yàn)儀器

      1.1 加工機(jī)床

      關(guān)于鎂合金銑削的試驗(yàn)機(jī)床采用五軸加工中心UCP 800 Duro,優(yōu)越的刀庫裝置可以滿足零部件的車、銑、鉆等加工方式。其機(jī)體與操作界面如圖1所示。

      圖1 五軸加工中心UCP 800 Duro

      1.2 切削力測量儀器

      為保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)加工中軸向力測量的穩(wěn)定性,選擇Spike無線測力刀柄,其整體的工作狀態(tài)如圖2所示,當(dāng)電腦、刀柄、機(jī)床形成連接后,使用測量軟件“Tool Measurement”進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和保存,為準(zhǔn)確地分析采集曲線中所隱含的數(shù)據(jù)信息,使用與之匹配的分析軟件“Spike_Tool Analyser”,將測量的數(shù)據(jù)圖樣導(dǎo)入分析軟件中,對分析的原始圖進(jìn)行分離處理,并對所有的采集點(diǎn)進(jìn)行均值提取。

      圖2 Spike無線測力刀柄

      1.3 加工工件

      為更好地探究鎂合金銑削加工的工藝參數(shù),選擇航空航天常用的鎂合金牌號(AZ31B),規(guī)格為100 mm×100 mm×50 mm的方形塊,其機(jī)械加工如圖3所示,通過平口鉗將加工件在機(jī)床工作臺固定,選擇立式銑刀進(jìn)行每組參數(shù)的銑削加工。

      圖3 鎂合金機(jī)加圖

      1.3.1 化學(xué)成分

      鎂合金(AZ31B)的化學(xué)成分如表1所示。

      表1 鎂合金(AZ31B)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

      1.3.2 力學(xué)性能

      鎂合金(AZ31B)其優(yōu)越的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

      表2 鎂合金(AZ31B)的力學(xué)性能參數(shù)

      2 實(shí)驗(yàn)方案

      保持其他加工參數(shù)的一致性,對銑削加工中的主要參數(shù)進(jìn)行單因素探究,以不同的刀具前角、線速度、最大切削厚度及切削深度為影響因子,為保證所有加工參數(shù)的合理性和可操作性,根據(jù)生產(chǎn)加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)篩選,如表3所示。

      表3 試驗(yàn)參數(shù)數(shù)值表

      對表3的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)的排布,如表4所示。

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      為探究銑削加工中刀具前角、線速度、最大切削厚度、切削深度對鎂合金加工所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩、彎矩的影響規(guī)律,借助Spike無線測力刀柄對每組試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,“Tool Measurement”原始采集圖如圖4所示,原始圖為轉(zhuǎn)矩、彎矩?cái)?shù)據(jù)的混合顯示,方便觀察轉(zhuǎn)矩、彎矩各自變化的趨勢和規(guī)律,為進(jìn)一步揭示轉(zhuǎn)矩與彎矩各自的數(shù)值規(guī)律,通過后臺軟件操作將原始圖進(jìn)行拆分顯示。

      圖4 Tool Measurement數(shù)據(jù)采集圖

      通過上述采集的轉(zhuǎn)矩、彎矩圖可以發(fā)現(xiàn),在銑削加工時(shí),刀具從進(jìn)入工件到加工完成后刀具離開,每組采集的數(shù)據(jù)有明顯的變化趨勢,為了使試驗(yàn)數(shù)值結(jié)果更加精確,對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理,根據(jù)試驗(yàn)的組號對每組彎矩和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì),如表5所示。

      表5 轉(zhuǎn)矩、彎矩均值表

      圖5(a)為刀具前角對彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖,由圖可知:隨著刀具前角的增大,轉(zhuǎn)矩變化較為明顯,在刀具前角為12°時(shí),轉(zhuǎn)矩值最大;彎矩呈現(xiàn)先降低、后增大的趨勢,同時(shí)在刀具前角為16°時(shí),所對應(yīng)的彎矩、轉(zhuǎn)矩最小,當(dāng)?shù)毒咔敖窃?6°~20°區(qū)間內(nèi),兩者的變化趨勢較為緩慢。圖5(b)為線速度對彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn):隨著銑削加工中線速度的增大,轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先急劇降低、后增大的變化趨勢,在線速度為2400 mm/s時(shí),轉(zhuǎn)矩值最小,同時(shí)彎矩出現(xiàn)拐點(diǎn),其值可達(dá)到18.5 N·m。通過對加工后鎂合金表面質(zhì)量及整體加工現(xiàn)狀分析可知,此加工狀態(tài)下,加工效率高,排屑效果好。圖5(c)為最大切削厚度的影響對銑削加工彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn):隨著最大切削厚度的增加,彎矩值整體呈現(xiàn)上升的趨勢,當(dāng)最大切削厚度在0.06~0.07 mm區(qū)間內(nèi),變化較為緩慢,同時(shí)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)先增大、后降低、再增大的趨勢,對加工后的工件進(jìn)行測量及整體加工狀態(tài)的分析,在滿足精加工的粗糙度要求下,最大切削厚度0.08 mm為其極限值。圖5(d)為切削深度對彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn):隨著切削深度的增加,銑削加工彎矩、轉(zhuǎn)矩均出現(xiàn)增大的趨勢,且變化的程度相似。

      圖5 不同參數(shù)對試驗(yàn)的影響圖

      4 結(jié)論

      由于鎂合金的化學(xué)性能活潑,為防止在加工過程中氧化燃燒,鎂合金零件不得使用潤滑油和冷卻液,同時(shí)為保證鎂合金零部件加工性能良好,可以采用較大的進(jìn)刀量和高速切削,當(dāng)線速度為2400 mm/s時(shí),轉(zhuǎn)矩值最小,同時(shí)彎矩出現(xiàn)拐點(diǎn),其值的大小可達(dá)到18.5 N·m。在滿足精加工的粗糙度要求下,最大切削厚度0.08 mm為其極限值,在加工過程中使用的刀具必須銳利,在合適的范圍內(nèi)可以優(yōu)先選用較大的前角,并且隨著刀具前角的增大,轉(zhuǎn)矩變化較為明顯,在刀具前角為12°時(shí),轉(zhuǎn)矩值最大并且彎矩呈現(xiàn)先降低、后增大的趨勢,同時(shí)在刀具前角為16°時(shí),所對應(yīng)的彎矩、轉(zhuǎn)矩最小,結(jié)合整體試驗(yàn)的加工情況,特殊情況下刀具前角可以選擇負(fù)角度加工。

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