切向車(chē)銑鋁合金回轉(zhuǎn)體工件表面形貌的試驗(yàn)研究*

姜增輝 段宗玉 楊大衛(wèi)

(沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159)

車(chē)銑加工是一種新的切削加工方法，在大型回轉(zhuǎn)體的高速切削及弱剛度回轉(zhuǎn)體的精加工中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1］。近二十年來(lái)，車(chē)銑技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都取得了較大的進(jìn)展，在表面形貌方面的研究也取得了一定的成果。Choudhury在對(duì)黃銅材料工件進(jìn)行正交車(chē)銑試驗(yàn)后指出，與車(chē)削相比采用較低的切削速度，能到得較小的表面粗糙度值，Ra值甚至可減小至車(chē)削的1/10［2］。同時(shí)，隨刀具半徑增大，表面粗糙度值減小，而隨切深增加，表面粗糙度值會(huì)增大［3］。

切向車(chē)銑是近幾年發(fā)展起來(lái)的主要車(chē)銑加工方法。如圖1所示，加工過(guò)程中銑刀軸線與工件軸線相互垂直，依靠銑刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)完成各類(lèi)零件表面加工的一種先進(jìn)切削加工方法，且只有螺旋圓周刃參與切削，端面刃不參與切削。切向車(chē)銑加工過(guò)程包括工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銑刀的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和銑刀的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。Vedat指出［4，5］，在中碳鋼的回轉(zhuǎn)體切向車(chē)銑加工中能得到很小的表面粗糙度值，它非常接近磨削的加工水平，因此可以在一些情況下代替磨削加工，從而較大地節(jié)約生產(chǎn)成本。

鋁合金材料是航空航天工業(yè)的常用材料，也是目前高速切削的最主要加工對(duì)象，研究切向車(chē)銑中主要切削參數(shù)對(duì)表面形貌的影響對(duì)實(shí)現(xiàn)其高效、高速加工具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 主要試驗(yàn)設(shè)備

如圖2，試驗(yàn)機(jī)床為Mazak200Y臥式車(chē)銑加工中心，五軸四聯(lián)動(dòng)，帶C軸功能。銑削主軸無(wú)級(jí)調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速6000 r/min。

銑刀為含鈷8%的高速鋼立銑刀，刀具直徑20 mm，刀具齒數(shù)2，刀刃螺旋升角 30°。

工件為ZL101鋁合金棒料。

測(cè)量?jī)x器為T(mén)R100便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)x和IM系列工具顯微鏡。

2 試驗(yàn)分析與討論

在車(chē)銑加工中軸向進(jìn)給量和周向進(jìn)給量是對(duì)表面形貌影響較大的兩個(gè)切削參數(shù)，因此重點(diǎn)對(duì)它們進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 軸向進(jìn)給量對(duì)表面形貌的影響

試驗(yàn)條件:銑刀轉(zhuǎn)速2700 r/min，工件轉(zhuǎn)速5 r/min，切削深度 0.1 mm，工件直徑 102.2 mm，順銑，干切削。工件每轉(zhuǎn)一周銑刀在工件軸向的進(jìn)給量從0.4 mm逐漸增加到1.0 mm。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)軸向進(jìn)給量為0.6 mm/r時(shí)，沿工件軸向測(cè)得的表面粗糙度Ra為0.68μm，是試驗(yàn)中得到的最小值。當(dāng)軸向進(jìn)給量為1.0 mm/r時(shí)，Ra為最大值3.41μm。分析結(jié)果可得，盡管Ra在進(jìn)給量為0.6 mm/r和0.9 mm/r有兩個(gè)較小值，但總體上表面粗糙度Ra是隨軸向進(jìn)給量的增大而增大的。

圖4給出了試驗(yàn)得到的工件表面形貌?？煽吹皆诠ぜ砻嫱瑫r(shí)存在著沿工件軸向分布的加工紋理與沿周向分布的紋理，兩種紋理的分布均勻而有規(guī)律，方向互相垂直。周向紋理間距很小，且軸向進(jìn)給量對(duì)周向紋理的分布沒(méi)有影響。軸向紋理分布間距較大，且隨著軸向進(jìn)給量的增加，軸向紋理的間距也增大。

2.2 周向進(jìn)給量對(duì)表面形貌的影響

周向進(jìn)給量是車(chē)銑加工中特有的一個(gè)切削參數(shù)，它在工件圓周方向所表達(dá)的含義與平面銑削中的每齒進(jìn)給量類(lèi)似。周向進(jìn)給量可由下式計(jì)算得到

式中:nW為工件轉(zhuǎn)速，nT為銑刀轉(zhuǎn)速，D為工件直徑，Z為銑刀齒數(shù)。

由式(1)可知，如其它參數(shù)不變，通過(guò)改變工件轉(zhuǎn)速可以改變銑刀的周向進(jìn)給量。由此選定試驗(yàn)條件:銑刀轉(zhuǎn)速2700 r/min，軸向進(jìn)給量 0.4 mm/r，切削深度0.1 mm，工件直徑102.2 mm，順銑，干切削。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，當(dāng)周向進(jìn)給量為0.3 mm/z時(shí)，沿工件軸向測(cè)得的表面粗糙度Ra為0.84μm，是試驗(yàn)中得到的最小值。當(dāng)周向進(jìn)給量為1.5 mm/z時(shí)，Ra為最大值2.91μm。分析結(jié)果可得，軸向進(jìn)給量保持不變，通過(guò)改變周向進(jìn)給量仍可使工件的表面粗糙度產(chǎn)生很大變化，且表面粗糙度值隨周向進(jìn)給量的增大而增大。

圖6給出了改變周向進(jìn)給量得到的表面形貌?？梢钥吹?，與軸向進(jìn)給量相比周向進(jìn)給量對(duì)表面紋理的影響更明顯。通過(guò)軸向和周向紋理的復(fù)合、疊加作用，不但使紋理的方向發(fā)生改變，而且使紋理的分布間距也產(chǎn)生了明顯變化。當(dāng)周向進(jìn)給量取0.9 mm/z時(shí)，表面紋理呈網(wǎng)格狀，這是銑刀和工件旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的明顯特征。在有些情況下合理選擇參數(shù)得到的這種網(wǎng)格狀表面紋理有可能為需要儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)的表面加工提供一種新的選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)切向車(chē)銑加工鋁合金回轉(zhuǎn)體工件時(shí)，采用干切削也能得到較好的加工表面。

(2)表面粗糙度值不但隨著軸向進(jìn)給量的增大而增大，而且隨著周向進(jìn)給量的增大而增大。

(3)周向進(jìn)給量對(duì)表面紋理的影響更為明顯。通過(guò)軸向和周向紋理的復(fù)合、疊加，可使紋理的方向和分布間距都發(fā)生明顯變化，并可生成網(wǎng)格狀表面紋理。

1 賈春德，姜增輝.車(chē)銑原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

2 Dr.S.K.Choudhury，K.S.Mangrulkar.Investigation of orthogonal turn-milling for the machining of rotationally symmetrical work pieces［J］.Journal of Materials Processing Technology.2000，99:120-128

3 S.K.Choudhury，J.B.Bajpai.Investigation in orthogonal turn-milling towards better surface finish［J］.Journal of Materials Processing Technology.2005，170:487 – 493

4 Vedat Savas，Cetin Ozay.Analysis of the surface roughness of tangential turn-milling formachining with endmilling cutter［J］.Journal ofMaterials Processing Technology.2007，186:279 –283

5 Vedat Savas，Cetin Ozay.The optimization of the surface roughness in the process of tangential turn-milling using genetic algorithm.Int JAdv Manuf Technol.2008，37:335–340