正交車銑工件表面粗糙度的試驗研究*

閆家超 李海峰

(沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽110159)

正交車銑是目前應(yīng)用較廣的典型車銑加工方式之一，它不是車削與銑削的簡單結(jié)合，而是利用銑刀與工件的合成運動來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體工件的切削加工(如圖1所示)。由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它不能對內(nèi)孔進(jìn)行加工，但在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進(jìn)給，因此在加工外圓表面時效率較高。正交車銑有如下特點［1-4］:

(1)由于是間斷切削，無論加工何種材料的工件都能得到較短的切屑，易于自動除屑;

(2)由于切削速度是由工件和刀具的回轉(zhuǎn)速度共同合成，因此不需使工件高速旋轉(zhuǎn)也能實現(xiàn)高速切削，有利于對大型工件進(jìn)行高速切削;

(3)工件轉(zhuǎn)速相對較低，加工薄壁件時幾乎沒有由于離心力產(chǎn)生的變形;

(4)刀具散熱好，切屑和刀具帶走熱量較多，因此工件溫度相對較低，熱變形小;

(5)多刃切削過程平穩(wěn)，刀具磨損小對新型難加工材料和大型回轉(zhuǎn)體毛坯粗加工十分有益。

綜上可知，正交車銑易于實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體工件的高速切削加工［1］，特別適合于大型鍛件回轉(zhuǎn)體毛坯的高效粗加工和弱剛度回轉(zhuǎn)體工件的高速精加工。由于其獨特的切削過程，形成的工件表面也有其自身的特點，切削參數(shù)對表面粗糙度的影響也不同于車削與銑削［5］，因此有必要對軸向進(jìn)給量、周向進(jìn)給量、切削速度以及切削深度等參數(shù)對表面粗糙度的影響進(jìn)行研究。

1 試驗設(shè)備

實驗所用機(jī)床為日本Mazak公司的Integrex 200Y車銑復(fù)合加工中心(如圖2所示)。它采用日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)，主軸功率15 kW，銑削主軸功率7.5 kW、轉(zhuǎn)速6 000 r/min。銑刀選用硬質(zhì)合金YG8立銑刀，刀具直徑20 mm，刀具齒數(shù)2，刀刃螺旋升角30°，工件材料為45鋼棒料，切削冷卻方式為乳化液冷卻。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 軸向進(jìn)給量對粗糙度的影響

實驗條件:切削速度100 m/min，周向進(jìn)給量0.3 mm/齒，切削深度1 mm，工件直徑150 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結(jié)果如圖3所示，在上述實驗條件下，隨著軸向進(jìn)給量增大已加工件表面粗糙度值呈增大趨勢。主要原因是隨軸向進(jìn)給量增大，銑刀在工件母線方向的加工殘留高度增大，致使工件的表面粗糙度值增大。

2.2 周向進(jìn)給量對粗糙度的影響

周向進(jìn)給量是車銑加工特有的一個切削參數(shù)，它表征切削時刀具在工件圓周展開方向的相對進(jìn)給速度。

實驗條件:切削速度100 m/min，軸向進(jìn)給量0.4 mm/r，切削深度1 mm，工件直徑160 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結(jié)果如圖4所示，在上述實驗條件下，隨著周向進(jìn)給量增大工件表面粗糙度增大趨勢比較明顯。主要原因是隨周向進(jìn)給量增大，由銑刀和工件復(fù)合運動形成的在工件圓周方向加工殘留高度明顯增大，使工件表面粗糙度值增大。

2.3 切削速度對粗糙度的影響

實驗條件:軸向進(jìn)給量0.4 mm/r，周向進(jìn)給量0.3 mm/齒，切深1 mm，工件直徑155 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結(jié)果如圖5，切削速度在60 m/min和220 m/min時，工件表面粗糙度值較小。在100 m/min和140 m/min時，工件表面粗糙度值較大。分析原因，是由于在100 m/min和140 m/min時，銑刀轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和3 000 r/min，銑刀的切削頻率可能接近切削系統(tǒng)的固有頻率，產(chǎn)生了較大的切削振動。切削速度在60 m/min和220 m/min時，銑刀的切削頻率遠(yuǎn)離了切削系統(tǒng)振動的固有頻率，從而降低了切削系統(tǒng)的振動，減小了工件的表面粗糙度值。

2.4 切削深度對粗糙度的影響

實驗條件:軸向進(jìn)給量0.4 mm/r，周向進(jìn)給量0.3 mm/齒，切削速度100 m/min，工件直徑150 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結(jié)果如圖6，切削深度從0.4 mm增加到1.2 mm，工件表面粗糙度沒有明顯變化，即切削深度在1 mm以下對工件表面粗糙度沒有明顯影響。

3 結(jié)語

(1)合理選擇切削參數(shù)，采用正交車銑可以使工件的表面粗糙度達(dá)到1 μm以下。

(2)隨軸向和周向進(jìn)給量增加，工件表面粗糙度值增大明顯，因此按不同的使用要求合理選擇軸向和周向進(jìn)給量是正交車銑加工的重要工藝內(nèi)容。

(3)切削速度和深度對工件表面粗糙度影響趨勢不明顯，但是在精加工中仍需對它們進(jìn)行仔細(xì)的選擇，選擇不合理的切削速度可能會引起切削系統(tǒng)的振動，使工件表面粗糙度值增大。

［1］SCHULZ H.High speed turn－milling a new precision manufacturing technology for the machining of rotationally symmetrical workpieces［J］.Annals of the CIRP，1990，39(1):107 －109.

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

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

［4］姜增輝，賈春德.正交車銑工件表面形成機(jī)理研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2004，40(9):121 －124.

［5］姜增輝，賈春德.正交車銑鋁合金工件表面粗糙度的研究［J］.機(jī)械工程師，2001(10):21 －22.