金屬材料組織變形后的銑床加工方法研究

張 倩

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

金屬材料的加工變形是制造業(yè)研究重點(diǎn)，在實(shí)際工作中，金屬材料在切削加工中受到切削力大小或切削溫度的影響，其整體結(jié)構(gòu)件在加工中存在較為復(fù)雜的變形問題，嚴(yán)重影響金屬構(gòu)件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度[1]。因此，金屬材料組織變形后的銑床加工一直是研究重點(diǎn)，對(duì)于該內(nèi)容的研究，外國(guó)的發(fā)展相對(duì)較快，特別是在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，在過(guò)去的幾十年中，這些國(guó)家一直在投入大量的財(cái)政和人力資源，發(fā)展前景十分明朗[2]。

與國(guó)外的各方面研究相比，國(guó)內(nèi)銑床加工方法起步比較晚，但是也取得了一些關(guān)鍵成果，但仍然存在較大差距，引進(jìn)技術(shù)比較多，自主研發(fā)比較少[3]。

目前，比較傳統(tǒng)的銑床加工方法均是從影響金屬材料加工變形的各項(xiàng)因素下手，設(shè)計(jì)多種多樣的銑床加工方法，但是對(duì)于現(xiàn)階段的銑床方法在處理中隨著金屬材料的去除，金屬材料剛度的不斷降低，金屬材料銑床加工變形量與理論值誤差相差較大，很難達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。因此，提出金屬材料組織變形后的銑床加工方法研究，解決上述中存在的問題。

1 金屬材料組織變形后的銑床加工方法設(shè)計(jì)

1.1 判斷刀齒-工件接觸判斷

復(fù)合金屬工件的實(shí)際機(jī)加工表面不一定是連續(xù)表面。有必要確定切削范圍內(nèi)是否有齒。在實(shí)際加工中，技術(shù)材料加工表面的整體輪廓被視為一個(gè)或多個(gè)連續(xù)且封閉的區(qū)域使其成為加工區(qū)域。判斷刀齒與金屬工件是否接觸，采用射線法判斷點(diǎn)與多邊形的關(guān)系，在金屬工件上確定以固定點(diǎn)，在此固定點(diǎn)沿任何方向繪制射線，并通過(guò)射線與多邊形區(qū)域的邊緣之間的相交數(shù)來(lái)估計(jì)測(cè)量點(diǎn)（接觸點(diǎn)）位置，當(dāng)交點(diǎn)計(jì)算結(jié)果為奇數(shù)，說(shuō)明該點(diǎn)位置在多邊形區(qū)域內(nèi)部，如果計(jì)算結(jié)果顯示為偶數(shù)，則說(shuō)明被測(cè)點(diǎn)在多邊形外部；如果多邊形區(qū)域的某段線段恰好在射線上或射線恰好通過(guò)多邊形區(qū)域頂點(diǎn)[5]。此時(shí)，重新判斷刀齒與金屬工件接觸。

在實(shí)際處理過(guò)，使用刀具的中心作為原點(diǎn)來(lái)設(shè)置坐標(biāo)系，并根據(jù)要加工的曲面的法線方向設(shè)置刀具軸。假設(shè)n為銑刀刀齒數(shù)，初始時(shí)刻刀具中心在坐標(biāo)系下的位置是(x0,y0)，進(jìn)給速度為v0，加工時(shí)間為t，刀具半徑為r，η表示轉(zhuǎn)速。則第i個(gè)刀齒的坐標(biāo)位置為：

過(guò)刀齒點(diǎn)(xi,yi)繪制梁并通過(guò)計(jì)算梁與多邊形之間的相交數(shù)來(lái)確定牙齒是否在切削范圍內(nèi)，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)，對(duì)交點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷，直到全部判斷完為止。

1.2 施加切削載荷

金屬材料在加工過(guò)程中，銑床刀具對(duì)金屬材料的作用與瞬態(tài)切削溫度載荷和切削力對(duì)金屬材料產(chǎn)生的作用是相同的，由此可知切削載荷的施加是銑床加工中的重要一環(huán)。銑床加工中，刀具同時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，在處理金屬材料過(guò)程中，形成類似扇形的切削層。實(shí)際銑床加工時(shí)，隨著刀齒位置的變化，切削厚度也隨之改變，同時(shí)由于刀具銑削存在不同的刃傾角，傾角與厚度這些因素均會(huì)對(duì)金屬材料的銑床加工產(chǎn)生不良影響。為了減少對(duì)這些因素對(duì)銑床加工的影響，適當(dāng)簡(jiǎn)化銑床加工中的切削層。

銑床加工過(guò)程中，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)，刀具對(duì)工件的切削載荷將以弧線形式作用在金屬加工面上，對(duì)于金屬材料的底面，請(qǐng)使用輔助切削刃施加切削載荷，直到切削層為等厚度的切削層為止。切削載荷作用中，刀齒加工部位大小不同，但是其作用是等效的、相同的。金屬材料的施加切削載荷過(guò)程就是上述過(guò)程的循環(huán)過(guò)程。

另外，在上述過(guò)程中，切削載荷主要用于銑削寬度不等于刀具直徑的情況。當(dāng)銑削寬度等于刀具直徑時(shí)，請(qǐng)調(diào)整刀具的旋轉(zhuǎn)角度，以邊對(duì)邊的斜線作為切入點(diǎn)，連續(xù)四次施加載荷。

1.3 確定銑床加工控制參數(shù)

銑削金屬材料時(shí)，銑削力隨軸向切削深度而增加，效果總是更大；高速切削金屬材料時(shí)，應(yīng)選擇最大的軸向切削深度。減少加工變形。降低切削力。如果在實(shí)際處理中，選用大切深加工，在穩(wěn)定切削力的區(qū)域選擇它是為了在確保加工效率的同時(shí)最大程度地避免對(duì)工藝變形的影響。

對(duì)于徑向切深的選擇，以銑床刀具半徑作為選擇條件，當(dāng)徑向切深大于刀具半徑，徑向切深的增加，將進(jìn)一步促進(jìn)金屬材料待加工面與刀具之間的接觸線的增加，在此作用下，切削面積和切削力也會(huì)隨之增加；當(dāng)徑向切深小于刀具半徑，增加徑向切深，金屬材料待加工面與刀具之間的接觸線不會(huì)隨之改變，并且從理論上分析，其接觸線與刀具的長(zhǎng)度是相同的。從實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)中可知，刀具切入的初始方向會(huì)發(fā)生改變，刀具切削的形式也會(huì)不斷變化，在處理過(guò)程中將切削力最大值保持在一個(gè)穩(wěn)定值，用以提高銑床加工效率。

在加工過(guò)程中，每齒進(jìn)給量的選擇對(duì)加工精度有一定影響，如果選擇一個(gè)中等值，則更改該值不會(huì)影響金屬材料。從實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)中可以了解到，每齒進(jìn)給量變化對(duì)切削力變化的影響與對(duì)金屬變形的影響相同，在加工過(guò)程中金屬可能會(huì)在切削熱的作用下容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬化層，這樣的情況會(huì)引起切削力的增大，降低刀具壽命，會(huì)嚴(yán)重影響加工精度。因此，通常選擇超過(guò)0.15mm/z的中間值以確保加工質(zhì)量。

2 金屬材料組織變形后的銑床加工方法實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)中在機(jī)床VDL-100E立式加工中心上進(jìn)行，在比較實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置統(tǒng)一的合適的切削參數(shù)，完成銑削過(guò)程后，對(duì)百分表顯示的卷尺進(jìn)行均勻的測(cè)量，得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的偏移量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集通過(guò)銑床的每種加工方法加工的目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后從理論值中減去所得的坐標(biāo)值以獲得偏差值。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與變形最大的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際變形結(jié)果進(jìn)行比較，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

待以上過(guò)程完成之后，輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到提出的加工方法與傳統(tǒng)的兩種加工方法的變形量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同加工方法變形量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：坐標(biāo)距離的增加對(duì)變形量誤差的影響比較小，實(shí)驗(yàn)中可忽略。在三種加工方法中傳統(tǒng)加工方法1和傳統(tǒng)加工方法2與金屬加工變形量理論值相差比較大，其工件變形量的吻合性比較差，相比之下，提出的加工方法在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本相符，誤差極小，在可接受范圍內(nèi)，吻合性較好，具有一定的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于原有的銑床加工方法和研究材料，設(shè)計(jì)了新的金屬材料組織變形后的銑床加工方法，并在方法設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加工方法的可行性，解決了傳統(tǒng)銑床加工方法中存在的問題。但是本文在研究中受到時(shí)間和技術(shù)水平的限制，存在些許的不足之處，如加工偏度系數(shù)的矯正等，為了進(jìn)一步提高銑床加工方法的可信度，在未來(lái)研究中，針對(duì)這一方面展開深入研究，加以補(bǔ)足，為提高金屬材料質(zhì)量和加工水平提供建議。