球頭刀銑削表面粗糙度的研究

原恩桃， 邵 兵

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院, 上海 201306)

零件的表面粗糙度是衡量一個(gè)零件表面加工質(zhì)量的一項(xiàng)技術(shù)要求，對(duì)于零件的配合、耐磨性、抗腐蝕性及密封性等都有顯著影響。影響表面粗糙度的因素主要有工件材料、切削參數(shù)、機(jī)床性能以及刀具的材料幾何參數(shù)等。文獻(xiàn)[1-5]通過試驗(yàn)的方式研究了切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量與工件表面粗糙度之間的關(guān)系。雷小寶等[6]對(duì)表面粗糙度的影響因素進(jìn)行了極差分析，得出進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度影響最大。姚倡鋒等[7]利用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)TC11進(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)，得出進(jìn)給量、切削深度及切削速度對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。

在實(shí)際加工零件時(shí)，切削深度、進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速等都是預(yù)先給定且在切削過程保持不變的，因此，如何將影響表面粗糙度的各因素組合優(yōu)化，從而得出最佳表面質(zhì)量值，文獻(xiàn)[8-11]對(duì)表面粗糙度的計(jì)算給出了預(yù)測(cè)模型及優(yōu)化。本文從表面粗糙度的計(jì)算公式開始得到表面粗糙度與切屑厚度之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步探討表面粗糙度與切削深度和進(jìn)給速度之間的規(guī)律，并進(jìn)一步通過試驗(yàn)探討了各因素對(duì)表面粗糙度的影響。

1 表面粗糙度產(chǎn)生機(jī)理

1.1 殘留高度產(chǎn)生機(jī)理

在曲面加工中，殘留高度主要是由刀具沿著刀具路徑移動(dòng)，留在零件表面未去除材料形成的[12-14]。如圖1所示，設(shè)定：P為刀觸點(diǎn)，R為曲面半徑，θa為兩個(gè)半徑線之間的夾角，n為P點(diǎn)處法向矢量。走刀行距dw與殘留高度h有著密切的關(guān)系。根據(jù)圖2(a)可得

(1)

式中：r為刀具半徑；kb為加工表面沿切削進(jìn)給方向的法曲率。

圖1 曲面加工模型

圖2 加工參數(shù)之間的關(guān)系

采用截平面法生成刀具軌跡時(shí)，由于kb的計(jì)算比較困難，在實(shí)際加工中通常采用一個(gè)平面逼近兩相鄰刀軌之間的曲面，如圖2(b)所示，即走刀行距視為截平面之間的法向距離，此時(shí)殘留高度可以用下式描述為

(2)

2.2 表面粗糙度的計(jì)算

由于殘留高度的存在，導(dǎo)致零件經(jīng)過機(jī)械加工后的表面會(huì)留有許多高低不平的凸峰和凹谷，該微觀幾何形狀稱為表面粗糙度，如圖3所示。定義Ra為表面粗糙度，即

(3)

式中：L為取樣長(zhǎng)度。

圖3 表面粗糙度

對(duì)圖3進(jìn)行局部放大得圖4，當(dāng)h′

E(A′)=tanθ(2yE(h′)-E(h′2))

(4)

圖4 表面粗糙度的計(jì)算

當(dāng)h″>ycl，可得出

(5)

式中：E()表示區(qū)域面積。

由于ycl要保證中線上下區(qū)域面積相等，即

p′E(A′)+2p″E(A″t)=p″E(A″b)

(6)

式中：p′和p″為一權(quán)因子，其計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[15]。

p與切屑厚度h密切相關(guān)，經(jīng)過一系列的推導(dǎo)，可以得到

(7)

此時(shí)取樣區(qū)域面積表達(dá)為

E(Ra)=p′E(Ra′)+p″E(Ra″)

(8)

式中：

將式(4)和式(5)代入式(8)，可得

0.5E(h″)]-ycl

(9)

將式(7)代入式(9)并經(jīng)過計(jì)算簡(jiǎn)化，得到表面粗糙度取樣區(qū)域面積與切屑厚度的關(guān)系為

E(Ra)=0.37E(h)

(10)

由上式可知，表面粗糙度與切屑厚度之間具有非常簡(jiǎn)單的影響關(guān)系。當(dāng)采用球頭刀銑削時(shí)，每齒進(jìn)給量是常數(shù)，而切屑厚度根據(jù)切削深度和進(jìn)給速度在不斷變化著。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 試驗(yàn)條件

在穩(wěn)態(tài)切削條件下，通過改變切削深度、進(jìn)給速度，測(cè)量不同參數(shù)組合所得的粗糙度數(shù)值，在三維形貌儀下觀測(cè)其微觀形貌，并分析切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。

該次試驗(yàn)對(duì)如圖5所示的刃口零件采用FANUC精密加工中心機(jī)床進(jìn)行加工，毛坯材料為45#鋼，刀具選用直徑為12.5 mm的高速鋼銑刀，主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，切削深度采用1～6 mm，當(dāng)切削深度為1、2、4和6 mm時(shí)，采用不同的進(jìn)給速度加工，加工過程如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)零件

圖6 零件的加工

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

零件完成加工后，對(duì)圖5所示的零件曲線部分選取測(cè)量點(diǎn)，每組實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)該測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)均進(jìn)行兩次測(cè)量，取其平均值得到實(shí)驗(yàn)值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，采用球頭刀對(duì)零件進(jìn)行加工，當(dāng)進(jìn)給速度不變時(shí)，表面粗糙度隨著切削深度的增加而增加(見圖7)，當(dāng)切深較小時(shí)，表面粗糙度值較小，但是切深過小將導(dǎo)致切削時(shí)間較長(zhǎng)，加工效率低。當(dāng)切削深度不變時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增加其表面粗糙度的值先減小然后再增加，這表明進(jìn)給速度不是越大越好，而是有一個(gè)最優(yōu)值，因此在實(shí)際加工要慎重選擇。本文的試驗(yàn)值和理論值雖然有一定差距，但基本接近。因此，本文所給出的計(jì)算公式可以采用。對(duì)于本文所選擇的加工零件，當(dāng)切削深度為2 mm，進(jìn)給速度為700 mm/min時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最優(yōu)。

圖7 切削深度與表面粗糙度的關(guān)系

3 結(jié) 論

探討了零件銑削過程中一些加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。從理論上探討了表面粗糙度對(duì)零件表面質(zhì)量的影響，根據(jù)表面粗糙度的生成機(jī)理推導(dǎo)了其理論計(jì)算公式。通過試加工的方法，采用不同的參數(shù)數(shù)據(jù)組合，對(duì)加工后的零件采用三維形貌儀測(cè)得表面粗糙度，并將公式計(jì)算出的理論值與試驗(yàn)值作比較。研究證明，計(jì)算公式和加工方法均是可行的。