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摘要：汽车铝合金件粗糙度加工作为现代化铣削粗糙度加工的主要方式，在对汽车铝合金件粗糙度加工质量判断上，最为主要标准就是为加工表面粗糙度。在汽车铝合金件实际生产加工过程中，分析人员一直在探索最合理切削参数，进而对汽车铝合金件加工表面粗糙度进行控制。本文在对汽车铝合金件加工表面粗糙度预测分析分析中，首先对表面粗糙度理论进行分析，进而探索对表面粗糙度影响的因素，最后对汽车铝合金件加工表面粗糙度进行预测分析，希望能够有效提高汽车铝合金件加工表面粗糙度的控制质量。在铝合金的铣削加工中，刀具的磨损状态会影响切削性能和切削效果，同时工件的表面粗糙度会随着刀具磨损状态的不同而发生很大变化，因此在建立工件的表面粗糙度预测模型时，将刀具磨损量作为影响因素考虑进去是有必要的。由于铝合金属于易加工材料，在切削过程中对刀具的磨损较小，基于此本文通过分析不同磨损状态刀具切削铝合金工件时的加工特点，将功率信号作为刀具磨损量的监测信号，建立刀具磨损量的监测模型，然后利用监测得到的刀具磨损量及工艺参数对相应工况下的表面粗糙度进行预测。
关键词：汽车铝合金件加工；表面粗糙度；刀具磨损
一、汽车铝合金表面粗糙度
通过转速、切深的单因素试验探寻三种材料对应刀具的切削稳定区,稳定区断续力的颤振频率最小,有利于提高工件的加工表面质量,为生产中特别在精加工提供试验依据。汽车工业中用大长径比的刀具是不可避免的,这些刀具常用于加工深腔和薄壁型的零件,本试验的目的是选取适当的刀具悬长配合高转速的机床能大幅度的提高单位时间的金属去除率。本方法是尝试调整机床的结构动态性最大限度的发挥主轴能动性,在高速加工中,主轴的转速有可能达到最大,对于具有恒定扭矩的主轴也就具有最大的功率,这是导致金属去除率具有潜在最大值的主要原因。因此,通过调整稳定加工区中的最大主轴转速使金属去除率达到最大。高速切削加工中伴随的振动是限制提高金属去除率的主要原因之一,鉴于此,有大量的研究用于探测和避免切削中的振动,例如通过利用波瓣图的稳定性效应、减小切削的径向和轴向切深、调整刀具路径、变换主轴转速等方法。所有上述的方法都是固定机床一刀具一工件系统的动态性,通过调整加工状况以适应它们,测量和计算的机床一刀具一工件系统的动态性作为选取切削参数的基础。对于具有单一动态特性的系统,稳定区常常是在多齿刀具的偶然频率与系统的基频相符时,如下式:
p—单位长度上的质量
二、汽车铝合金试验铣削粗糙度
选取两种除长度不同外其它几何参数完全相同的刀具,在相同切深情况下,测试其在不同转速时,铣削粗糙度加工平面时的主切削力,绘制不同切深时,转速与铣削力Fx的变化关系曲线,从而分析不同悬臂长度对应的稳定粗糙度加工区。加工过程如下图1所示:
实验材料:LFS刀具选取,FraiasØ65275、5277硬质合金端铣刀,刀具长度分别为:I1=92mm，I2=11mm,悬长(夹具到刀尖的长度)分别为:I1=43mmI2=66mm长径比L/D分别为5.75和7.19,螺旋角λ=30°前角λ=15°刀尖圆角λ=2°齿数:Z=2
切削参数的选取:最小转速从2000r/min,至最大转速42000r/min,相邻转速间的间隔最大为2500r/min。切深的选取:对于悬臂长度为43mm的刀具,切深从0.lmm开始,每次增加0.lmm;对于悬臂长度为66mm的刀具切深从0.2mm开始,每次增加0.2mm;其它参数步距ae=4mm,进给量f=0.25mm/z,喷雾速度v==0.075ml/min。
图2不同长度刀具的PrP稳定性波瓣图(a)l二92mm;(b)l=115mm;
转速的变化关系曲线。图中的每条曲线代表一个稳定切深,沿轴向从底端的切深依次增大,图3.1.2(a)中的最大切深ap;=1.7mm,相临两条曲线的切深相差仅o.lmm。稳定区是指一定转速下,切削力变化相对较平缓的区域(但在一个稳定切深下都是不平滑的曲线)。图2(a)中,刀具长92mm,悬长43mm,它的稳定区在n=30000rpm左右,对应最大主轴转速的最大稳定切深ap,=1.7mm。图2(b)对应的刀具长115mm,悬长“mm,我们看到此时的稳定粗糙度加工转速明显左移,稳定转速在n=25000rpm左右,对应的最大稳定切深ap=3.8mm。验的结果表明:刀具长度增加23mm,单位时间的金属去除率增加了224%。
通常的规则是:当刀具的长度增加时,最高主轴转速允许的轴向切深减小,但在最高主轴转速时,当系统的基频与多齿刀具的偶然频率相符时,会导致局部轴向切深的增大。试验中长度为115mm刀具的稳定最大转速对应的最大切深大于相同切削条件下的长度为92mm的刀具,这为下面对其它材料的单因素试验提供了依据。下面将针对这一结果变换不同刀具和材料,寻找对应材料和刀具的切削稳定区。
三、转速、切深的变化对铣削力和表面粗糙度
探讨了各因素对四种材料三个目标值的影响程度,试验结果表明:微波材料RT5880在高速铣削中的性能较不理想,出现在粗糙度加工过程中上面一层复合材料与基底的铝合金相分离的现象,使上面的复合层向上翘起。所以下面的单因素试验将针对其它三种材料。
3.1铣削力的变化分析
试验目的：讨论了刀具长度对金属去除率的影响,通过做出一定切深下转速与铣削力的变化关系曲线,寻找不同切深下在一定转速区间内铣削力变化较平缓的区域。在本单因素试验中将同样采用上述方法,但只针对一种型号的刀具,寻找对应刀具一加工材料的切削稳定区。从图3(a)中可以看出当转速在n=21000〜29000rpm时主切削力的变化比较平缓，也即在此转速下，系统的基频与刀具的多齿刀具的偶然频率相符，此时对应的最大稳定切深为：ap=3.2mm:图中6063T6的铣削力&变化幅度较小的转速区域在n=33000~41000rpm,对应的最大稳定切深ap=3.0mm;图(c)屮RT6010的稳定转速范围在《=27000~32000r/wz,对应的思•大稳定切深在ap=2.45mm下面将从分析试验过程中产生的切屑形状和加工工件表面粗糙度入手，讨论切削过程中切屑变化的机理与切削稳定性的关系。
图3表面粗糙度和切屑的变化分析
四、表面粗糙度的变化分析
对三种材料的单因素试验中同时也测试了各粗糙度加工参数下,工件表面的粗糙度值,三种材料在稳定转速下不同切深时的加工表面的粗糙度的变化情况。在同一切深下对应不同转速曲线上的表面粗糙度间的差距:LFS和RT6010都是0.05um,6063T6是0.06um。说明在稳定转速下的相同切深时的表面粗糙度的波动幅度比较小,此时机床系统的固有频率远大于铣削中断续力或其谐波分量的频率,也即系统处于稳定状态,此时的转速通常称作是可使系统发生再生颤振的临界不稳定转速。下面将从切屑形状的变化结合频域分析切削过程的稳定性。
首先采用转速、切深与切削力关系的单因素试验,讨论了刀具悬臂长度对金属去除率的影响。然后利用前面得出的结论,对两种铝合金及一种微波复合材料进行了同样的单因素试验,绘制出了对应刀具—工件不同切深下,转速与切削力的变化关系曲线,寻找出对应材料的切削加工稳定区。同时比较了在稳定区内相同切深下的不同转速时工件加工表面的粗糙度,最后分析了不同状态下采集的切屑形状,对应加工过程的三种状态,即:稳定切屑、不稳定切屑以及临界切屑。通过分析加工过程中采集的切屑形状的变化,把加工过程分为:稳定状态、不稳定状态和临界状态,可以通过观察切屑形状的变化监控加工状态。
图4三种材料的稳定转速下切深与表面粗糙度的变化曲线
结束语
由于汽车铝合金粗糙度加工表面对机器零件的使用性能如耐磨性、接触刚度、疲劳强度、配合性质、抗腐蚀性能及精度的稳定性等有很大的影响,因此对机器零件的重要表面应提出一定的表面质量要求。由于影响表面质量的因素是多方面的,因此应该综合考虑各方面的因素,只有了解和掌握影响汽车铝合金粗糙度加工表面质量的因素,才能在生产实践中,采取相应的工艺措施,减少零件因表面质量缺陷而引起的粗糙度加工质量问题,从而提高汽车铝合金产品的性能、可靠性和使用寿命。人们对零件及铣削设备需求不断提高，其中主要判断标准就是表面粗糙度。为了能够最大程度降低零件表面粗糙度，构建粗糙度预测模型就是有效的解决方法。
参考文献：
[1]赖华训.汽车铝缸盖铸造工艺方法.铸造装备与技术，2013.1.
[2]华玉贵.铝合金发动机缸盖制造技术与工艺研究.大众汽车，2015.9.
[3]沈宏林.铝合金缸盖低压铸造模具及工艺系统设计.环球市场信息.2012.9.
[4]桂荣明.铝合金汽缸盖重力铸造应控制的几个关键点.铸造装备与技术，2015.4.
[5]邵国.汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状.热加工工艺，2018.9.
[6]严康.汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制.失效分析与预防.2016.4.
论文作者:何信庆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/24
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