車銑加工切削機(jī)理分析*

□ 李慎旺 □ 卜 勻 □ 劉純祥 □ 王 偉

唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計及過程仿真重點(diǎn)實驗室 河北唐山 063000

1 車銑加工概述

在普通車削基礎(chǔ)上增加一個轉(zhuǎn)動的自由度,變?yōu)檐囥娂庸ず蜐L切加工。這種通過增加一個自由度來切削的方法稱為多自由度切削加工方法,如圖1所示。多自由度切削加工方法可以分為多自由度車削加工方法、多自由度銑削加工方法,以及其它類型多自由度切削加工方法,其中每一類多自由度切削加工方法又可以有多種實現(xiàn)形式。

車銑加工是多自由度車削加工方法的一種實現(xiàn)形式,純粹的車銑加工將車刀更換為銑刀,并增加一個銑刀轉(zhuǎn)動的自由度,通過工件轉(zhuǎn)動和銑刀轉(zhuǎn)動的合成運(yùn)動來完成對工件的加工,使工件達(dá)到形狀和尺寸精確度、表面粗糙度、表面形貌、表面變質(zhì)層、殘余應(yīng)力、顯微硬度等使用要求,是一種先進(jìn)的多自由度車削加工方法。

2 車銑加工優(yōu)勢

與普通車削相比,車銑加工通過增加一個自由度來切削,主要有九方面優(yōu)勢。

▲圖1 多自由度切削加工方法

(1)斷屑更容易。車銑加工通過增加一個銑刀轉(zhuǎn)動的自由度,將連續(xù)切削變?yōu)殚g斷切削,因此與普通車削相比,車銑加工能得到較短的切屑,易于自動除屑。

(2)切削溫度低。間斷切削的刀具有充足的冷卻時間,刀具切削溫度相對較低。

(3)切削力小。車銑加工通過工件轉(zhuǎn)動和銑刀轉(zhuǎn)動的合成運(yùn)動來完成對工件的加工,因此極易實現(xiàn)高速切削,在加工過程中產(chǎn)生的切削力相比傳統(tǒng)切削減小30%。由于切削力較小,機(jī)床和刀具承受的負(fù)荷較小,有利于機(jī)床精度的保持。同時引起工件變形的徑向力明顯減小,有利于提高工件,尤其是薄壁件和細(xì)長件加工的形狀精度。

(4)工件低速旋轉(zhuǎn)也能實現(xiàn)高速切削。當(dāng)銑刀高速轉(zhuǎn)動時,即使工件低速旋轉(zhuǎn),也能實現(xiàn)高速切削,這有利于對大型工件進(jìn)行高速切削。尤其是對于大型鍛件毛坯而言,工件低速旋轉(zhuǎn)將消除因工件偏心而引起的振動及徑向切削力的高頻周期變化,這些特點(diǎn)使此類工件的切削過程變得十分平穩(wěn),有利于減小工件的形狀誤差。

(5)工件轉(zhuǎn)速相對較低,加工薄壁件時幾乎沒有由離心力產(chǎn)生的變形。

(6)采用高速車銑時,切削變形過程主要是絕熱剪切,切屑和刀具帶走的熱量較多,工件溫度相對較低,熱變形小。

(7)使用較大的縱向進(jìn)給,也能得到較小的表面粗糙度值。

(8)車銑加工是多刃切削,結(jié)合高速切削可較大幅度提高生產(chǎn)效率。

(9)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)體毛坯的加工而言十分有益。

由以上分析可知,車銑加工技術(shù)特別適用于:① 重型或難加工材料回轉(zhuǎn)體毛坯的粗加工,如大型軋輥、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、大型鑄管模、大型船舶用曲軸、火炮身管等;② 大型薄壁件回轉(zhuǎn)體的精加工;③ 大型回轉(zhuǎn)體的高速、超高速切削;④ 需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件[1-2]。

3 車銑加工切削機(jī)理

車銑加工的研究主要集中在刀具磨損機(jī)理、切屑形成機(jī)理、工件表面質(zhì)量、難加工材料切削加工等多方面。

在國外,車銑復(fù)合加工領(lǐng)域的先驅(qū)者德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)完成了車銑加工滾柱軸承試驗,重點(diǎn)研究了正交和軸向車銑加工的表面完整性、幾何精度、切屑形成等,得到的工件表面粗糙度值達(dá)到0.5 μm以下[3]。Choudhury等[4]研究了通過車銑加工完成車削加工難以完成的硬質(zhì)材料精密加工,分析了刀具的徑向移動對表面質(zhì)量的影響,應(yīng)用優(yōu)化后的切削參數(shù),使用單晶金剛石材質(zhì)刀具切削加工洛氏硬度(HRC)為62的100Cr62合金時,工件的表面粗糙度值達(dá)到2 μm以下,并且應(yīng)用優(yōu)化后的切削參數(shù)可以延長刀具使用壽命。Pogacnik和Kopac[5]研究了振動對車銑加工表面質(zhì)量的影響,得出機(jī)床動靜態(tài)剛度對車銑加工工件的表面質(zhì)量影響較大的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]表明,切向車銑加工SAE1050鋼時,與普通車削相比,切屑更短,表面粗糙度值更低。文獻(xiàn)[7]通過試驗得出,軸向車銑復(fù)合加工50號鋼時,刀具、工件轉(zhuǎn)速、加工深度、軸向進(jìn)給量對加工表面粗糙度的影響公式,繪制了表面粗糙度值隨軸向進(jìn)給量、切削深度、工件轉(zhuǎn)速的變化曲線。Kopac和Pagacnik[8]還認(rèn)為,主軸轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)的提高可以提高表面加工質(zhì)量,刀具振動可以顯著影響工件的表面粗糙度。

在國內(nèi),文獻(xiàn)[9]通過一系列高強(qiáng)度鋼材料正交車銑刀具磨損試驗,得出切削速度對車銑刀具的磨損過程、磨損形態(tài)、磨損機(jī)理等影響最大的結(jié)論。文獻(xiàn)[10]通過氮化鈦涂層硬質(zhì)合金銑刀正交車銑58SiMn高強(qiáng)度鋼刀具磨損試驗,發(fā)現(xiàn)切削速度越高,正交車銑刀具耐用度越低,在不同切削速度下,刀具的磨損曲線具有相同的磨損規(guī)律,軸向進(jìn)給量、每齒進(jìn)給量與車銑刀具耐用度在雙對數(shù)坐標(biāo)下都呈現(xiàn)線性下降的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]對正交車銑高強(qiáng)度鋼的不同切屑形態(tài)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,正交車銑切屑屬于短鋸齒形切屑,正交車銑鋸齒形切屑產(chǎn)生的原因是切屑內(nèi)部局部產(chǎn)生突變性剪切。文獻(xiàn)[12]研究了高速車銑LD5鋁合金和D60鋼等塑性材料的切屑變形機(jī)理,高速車銑鋁合金和鋼時,將產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)現(xiàn)象,切屑形態(tài)為不對稱鋸齒形,切削速度越高,剪切變形越集中,熱塑剪切帶越窄,與切削鋁合金相比,高速車銑鋼時發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)的切削速度較低。文獻(xiàn)[13]表明,高速正交車銑加工的表面粗糙度主要取決于理論軸向殘留面積高度。徐驏[14]通過研究表明,工件轉(zhuǎn)速提高,工件的表面粗糙度值增大,刀具每齒進(jìn)給量增大,工件的表面粗糙度值也增大,二者近似成線性關(guān)系。文獻(xiàn)[15]表明,與傳統(tǒng)車削、銑削相比,軸向車銑切削力的變化更為復(fù)雜,刀具半徑、工件半徑、刀具齒數(shù)、切削深度、軸向進(jìn)給量等多個參數(shù)會對切削力產(chǎn)生影響。吳波[16]在分析切削用量對工件表面質(zhì)量的影響時,通過對車銑后鈦合金表面紋理進(jìn)行觀察,并測量表面粗糙度,發(fā)現(xiàn)銑刀轉(zhuǎn)速對表面質(zhì)量的影響最大,其次為偏心量,同時討論分析了其中的原因。文獻(xiàn)[17]通過對車銑復(fù)合加工高強(qiáng)度鋼的不同切屑形態(tài)進(jìn)行分析,表明隨軸向進(jìn)給量和切削深度的增大,切屑變長,并在建立車銑切削變形模型的基礎(chǔ)上,分析了車銑切屑的形成機(jī)理,切削層金屬裂紋的周期破裂和形成是車銑切屑形成的根本原因。文獻(xiàn)[18]在車銑復(fù)合加工中心上進(jìn)行了車銑加工高強(qiáng)度鋼材料的刀具磨損強(qiáng)度試驗,分析了車銑切削用量對刀具磨損強(qiáng)度的影響,表明在影響車銑刀具磨損的切削參數(shù)中,切削速度對車銑刀具的磨損強(qiáng)度影響最大,并以車銑刀具的磨損試驗為基礎(chǔ),以切削速度為變量,建立了車銑高強(qiáng)度鋼的刀具磨損強(qiáng)度分析模型。

4 結(jié)論

車銑加工將車刀更換為銑刀,并增加一個銑刀轉(zhuǎn)動的自由度,通過工件轉(zhuǎn)動和銑刀轉(zhuǎn)動的合成運(yùn)動來完成對工件的加工。

通過實踐確認(rèn),車銑加工具有斷屑更容易、切削溫度低、切削力小,以及工件低速旋轉(zhuǎn)也能實現(xiàn)高速切削,使用較大的縱向進(jìn)給也能得到較小的表面粗糙度值等優(yōu)點(diǎn)。

車銑加工切削機(jī)理的研究主要集中在刀具磨損機(jī)理、切屑形成機(jī)理、工件表面質(zhì)量、難加工材料切削加工等方面。