对A6061铝合金的镗孔表面粗糙度研究

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A6061铝合金是-种应用广泛的新型铝合金，属于铝--硅--铜 (A1-Si-Cu)系铝合金，该类合金材料通过合金元素的强化作用，提高材料的抗拉强度，减小塑性材料受外力作用时的变形程度。由于硅元素具有显著的机械强化作用，该类铝合金具有结构刚度大、屈服强度高的特性。加入铜元素使该类合金较纯铝材料具有更为优良的耐腐蚀性能，合金元素的加入还显著增强 A6061材料在高温环境下的耐用度和使用范围，该型材料机械强度高，足以抵抗高温环境下的材料热变形及疲劳失效。因此作为结构件在航空工业、生物工程领域、民用建筑等诚获得广泛的应用。

表 1 A6061铝合金材质化学成分Tablel The ingredient of A6061 aluminum aloy为获扔工工艺经验和更为合理的切削参数，需要对该型金属材料进行详尽的切削试验。本文主要研究 A6061铝合金在不同切削参数和切削条件 (如切削速度 vc、进给速率 f以及不同的刀具材质)下，所获得的表面粗糙度(Ra)和尺寸精度(IT)等情况，采用正交试验法进行切削试验，获取数据后利用方差分析法 (ANOVA：the analysis of variance)对切削参数进行分析并获得试验结论。

1 材料加工特性分析金属材料的加工性能直接影响加工工艺设计和切削参数设置，合理的刀具选用和合适的切削参数能显著提高加工效能。机械加工工艺的评价因素较多，切削材质特性对加工工艺起决定性作用，但切削参数的设置并不局限于此，加工机床类型、刀具类别、切削参数、刀具寿命、切削阻力、机床功率消耗、刀具切削力和工件被加工面表面粗糙度等都是切削工艺的重要组成，值得深入探讨和研究。

对 A6061类铝合金工件，国内企业已广泛采用K类硬质合金刀具进行加工。以往的生产实践表明工件表面的粗糙度与刀具刀尖圆角半径及刀片几何形状有-定的关系↑年来推广使用的 PCD刀具在镜面加工和积屑瘤控制等方面，较 K类硬质合金展现出更为优异的切削性能，同时PCD刀具在刀具寿命方面亦大幅优于 K类硬质合金刀片，因此有必要对PCD刀具的切削特性进行对比研究。

2 切削试验细节2.1切削试验设备及加工材料试样在不同切削刀具和切削参数下进行切削试验，以获取表面粗糙度 Ra、尺寸精度 IT等数据。为满足 PCD刀具在最佳速度区间进行试验，设定内孔镗削的起始孔径为 40mm。

试验采用型号为 CCGT-09T3(YJ尖圆角 0.4mm)的刀片，材质分别为 PCD和 N类硬质合金。其中PCD刀片前角 8o、后角 7。，PCD刀尖钎焊于硬质合金刀片上。N类硬质合金刀片前角 20。、后角7。，前刀面带有树枝状的导屑槽，可控制切屑流向和抑制积屑瘤产生。

收稿日期：2012-10-21作者简介：游新彦(1983-)，男，辅福州人，福州大学讲师，硕士研究生。

2013年第 1期 福 建 教 育 学 院 学 报 126试验用镗杆型号为 $25-SCLCL-09，刀杆材质为中碳合金钢，镗杆悬伸长度为 3倍直径，镗杆几何角度为前角-5。、后角 12。、主偏角93。、副偏角 7。。

试验平台机床为卧式全功能数控车床，斜床身后置刀架，卧式回转刀塔，主轴功率 16KW，主轴最高转速 4000RPM。

图 1试验平台示意图Fig.1 Sehemie diagram of test platform根据加工经验，铝合金材质的切削抗力对机床功率影响较校加工参数调整后切削力不论绝对数值还是相对变量均较小，因此本次试验不对切削力进行实时测量 。

2.2试撒 计正交试验法是-种广泛应用于工程研究的试验设计方法，正交法通过对试验组合的合理安排，只需较少的试验次数即可获得满意的参数组合，可缩短试验时间并节约试验资源。本次试验工作将对 3个水平的两种切削因素进行正交试验安排。

表 2相关联因素的试验水平Tab1e 2 The assoeimed faeto of test level试验指标为表面粗糙度，但要均衡考虑切削工时，以确定最佳工艺。

如果按照常规的试验方法对切削试验进行安排，需要考察各因素对试验的影响，如果对全部三个因素的三个水平进行全面试验，共计需进行 27次试验，这要消耗大量的时间和资源。在生产实践中进行概率统计学研究发现，利用正交试验设计精简试验方案，选取有代表性的搭配进行试验，仍可获得满意的试验结果。利用正交表选取有代表性的搭配，按 L9(33)表中的前 3列的情况从27个试验中选出9个，序号分别为 1、5、9、11、15、16、21、22、26，将这 9个试验按编号列出，得到下表。

表 3正交试验表Table 3 OhogonM test tab le2.3利用正交表安排试验并分析试验结果的设想本切削试验以工件加工后的表面粗糙度指标为核心考核指标。

根据试验目的考量试验所涉及的各因素，具体分析实际问题选出主要因素、略去次要因素并确定各因素的水平数。在本次试验中，切削环境(含机床、工件等)是-致的，考虑到切削三要素(切削速度 Vc、进给速率 f、切削深度 ap)是工件表面粗糙度的主要影响因素，因此选取切削速度 Vc(m/min)、进给速率f(mm/r)、切削深度 aD(mm)作为主要因素，同时分别选冗有代表性的三个水平进行试验。这是机械加工行业利用正交表进行试验的特色，即更多的依靠实践经验来进行试验设计，而不仅仅是依赖数学方法或数学模型。

根据各因素的相应水平选用合适的正交表，并查询正交试验表，选取表中因素个数与试验考察因素个数相等的正交表进行试验设计，这样既能确保实现试验目的，又能有效减少试验次数，节省试验工时。

在完成试验后，对试验结果进行计算分析，获得合理的结论。

3 切削试验结果与数据分析进行切削试验，对获得的试验结果进行分析和总结，评估参数为工件表面粗糙度(Ra)和工件形状尺寸精度 (IT)。

127 游新彦：对 A6061铝合金的镗孔表面粗糙度研究 2013年第 1期该表显示不同切削参数组合下表面粗糙度的变化情况。从中能得出结论：表面粗糙度数值与切削速度成正比、与进给率成反 比、与切削深度的关系需进-步进行研究。显见 PCD刀片的表面粗糙度指标优于 N类硬质合金刀片。此外，提高切削速度、降低进给速率能同时提升被加工面的表面粗糙度指标。

表 5正交试验数据分析表Table 5 analysis of Orthogonal test data越好极差值负的越大则粗糙度数值越小，表面光洁度采用 A3-Bl-C2组合，PCD刀具能获得最优的表面粗糙度数值。采用 A3-B1-C3组合，N类硬质合金刀具能获得最优的表面粗糙度数值。

对获得切削结果进行方差分析(ANOVA)：2013年第 1期 福 建 教 育 学 院 学 报 128N类硬质合金刀具切削速度 (/rain)进给速率 (mm/r)切削深度 (mm)误 差总和0.3896.8290.0310.0447.262由上表可知，使用 PCD刀具时进给速率的显著性指数(P值)高达 458/464.198.69%，具有统计上的显著特性，是影响工件表面粗糙度的主要因素和核心因素，其次分别是切削速度和切削深度，但后两者所占比重甚校使用 N类硬质合金刀具时，进给速率仍占主导地位，是影响工件表面粗糙度的主要因素和核心因素，但切削速度所占的比值较 PCD刀具更为重要，因此对于 N类硬质合金刀具的切削试验，切削速度也是重要的影响因素，随着切削速度的提升，工件表面光洁度也获得较为显著的提升。

4 结论铝合金工件的镗孔试验表明：进给速率对工件表面粗糙度起决定性作用；表面粗糙度数值与进给速率成正比，与切削速度成反比；使用 PCD刀具能获得较N类硬质合金刀具更为优良的表面光洁度(PCD刀具Ra0.6-2.3 m，N类硬质合金刀具 Ra1.1-3.61xm)。

为获得较好的表面光洁度效果，应选取的切削参数为：切削速度 Vc350m/min、进给速率 fz0.05mm/r、切削深度 apO.3mm。在本次试验中运用的正交试验法能有效减少试验次数，提高试验工作效率。

O.1943.4140.0160.0220.9517.5307.30.08334.884.464.464.464.463.92/68.9/料0.0275.1