普通銑床零件加工表面粗糙度的影響因素分析

王 震

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110000）

引言

在工業(yè)市場(chǎng)上，普通銑床具有速度快、成本低、制作靈活，易于滿足多種小批量生產(chǎn)需求的優(yōu)勢(shì)，牢牢占據(jù)了中小企業(yè)市場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用；但其缺點(diǎn)也顯而易見，那就是加工精度低、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)大、惡性競(jìng)爭(zhēng)屢見不鮮，易被市場(chǎng)淘汰。隨著近些年來科技的發(fā)展，加工中心、數(shù)控機(jī)床等大型全自動(dòng)零件加工設(shè)備的興起，逐步取代了普通銑床的市場(chǎng)占有率，壟斷了部分加工行業(yè)。因此，普通銑床行業(yè)只有不斷地提升機(jī)床加工能力，提高產(chǎn)品精度、增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟，擴(kuò)大行業(yè)范圍。

零件表面粗糙度是一項(xiàng)衡量零件質(zhì)量的重要指標(biāo)，其直觀體現(xiàn)了銑床的加工工藝水平，同時(shí)零件表面粗糙度越小，與其他零件的適配度也就越高，可以減少摩擦，增加機(jī)械使用年限。在普通銑床上想要降低表面粗糙度，則要考慮多方因素[1-2]。

1 零件加工表面粗糙度影響因素試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

零件表面粗糙度的影響要素要從軟件和硬件兩方面來進(jìn)行分析。普通銑床自帶程序輸入功能，需要手動(dòng)輸入，而根據(jù)毛坯用料、切割刀具、產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量要求等原因，在程序上會(huì)有細(xì)微的變化，例如余量的存留、加工的次數(shù)等。從硬件角度來說，工作臺(tái)的操作工具的選擇與使用方式，對(duì)零件的粗糙度有著最直接的影響。在普通銑床的加工過程中，刀具和零件表面所產(chǎn)生的摩擦力與相互作用力、余料分離時(shí)的離心力所產(chǎn)生的塑性變形，以及機(jī)械快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的高頻振動(dòng)都會(huì)提高加工零件表面粗糙度。

通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的計(jì)算研究，對(duì)零件加工表面的粗糙度造成影響的可控因素主要有進(jìn)給速度、切削深度以及主軸轉(zhuǎn)速，另外一些工具損耗、機(jī)械振幅、負(fù)面傾斜等因素對(duì)粗糙度造成的影響較小，可以忽略不計(jì)。將上述3 個(gè)可控的主要因素作為試驗(yàn)對(duì)象，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并分析數(shù)據(jù)結(jié)果，從而計(jì)算出零件表面粗糙度的參數(shù)，作為試驗(yàn)的結(jié)果。

在試驗(yàn)中，結(jié)合日常實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，將切削深度設(shè)置在0.5～2.5 mm，以此為基準(zhǔn)，每增長(zhǎng)0.5 mm 對(duì)應(yīng)5 個(gè)不同的因素水平，主軸速度在300～900 r/min，進(jìn)給速度為30～50 mm/min，取中間值與切削深度相對(duì)應(yīng)增長(zhǎng)，一共進(jìn)行25 組數(shù)據(jù)試驗(yàn)，詳見表1。

表1 3 種影響因素水平

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備的選取

本試驗(yàn)采用西門子840d 系統(tǒng)銑床機(jī)，因生產(chǎn)年代久遠(yuǎn)，廣為應(yīng)用，可以更直觀有效地分析普通銑床廠對(duì)于零件粗糙度的控制效果，所用毛坯材料為45號(hào)鋼，長(zhǎng)度30 mm、直徑6 mm。刀片選取直徑為50 mm 的硬合金銑床刀，鑲嵌3 個(gè)刀片，采用逆銑發(fā)進(jìn)行切削，GB 6061.2—1986，比較樣塊表面粗糙度為0.2～6.4 μm，配備放大鏡、游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)安排，最終取得25 組試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)參數(shù)見表2?；谶@些試驗(yàn)參數(shù)，采用極差方式對(duì)進(jìn)行分析，分別測(cè)算出3 種要素進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和切削深度對(duì)零件表面粗糙度的平均影響效果，結(jié)果見表3。

表2 表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果

表3 中的K 參數(shù)代表了試驗(yàn)因素在5 個(gè)不同試驗(yàn)因子下所產(chǎn)生的的零件表面粗糙度的對(duì)比結(jié)果的平均值，R 則代表切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度3 個(gè)因素在5 個(gè)不同切削深度水平下所產(chǎn)生的最大方差，通過對(duì)方差參數(shù)的計(jì)算可以反應(yīng)切削深度、轉(zhuǎn)軸速度、給進(jìn)速度3 個(gè)因素對(duì)普通銑床零件加工表面粗糙度的影響效果，可以直觀反饋出因素與粗糙度之間的數(shù)據(jù)關(guān)系[3]。

由表3 可知，銑床加工時(shí)對(duì)零件表面影響程度由大至小的排序分別為切削深度＞主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度，同時(shí)由表2 可知，隨著銑床機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的不斷增大，表面粗糙度會(huì)先小后大，逐步遞增，這是由于金屬刀具屬于間接性切削，具有一定的金屬疲憊性，當(dāng)加工精度達(dá)到一定高度時(shí)，零件表面的粗糙度降低，但隨著加工強(qiáng)度的進(jìn)一步推薦，刀片與毛坯之間阻力增加，從而使刀片的消耗程度加大，從而損傷毛坯增加零件表面的粗糙度。此外，為了試驗(yàn)的公正客觀，本次切削沒有使用冷卻液，單純計(jì)算切削深度、轉(zhuǎn)軸速度、給進(jìn)速度三個(gè)主要因素的變化對(duì)零件表面粗糙度所產(chǎn)生的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，冷卻液可以有效地對(duì)刀片和毛坯的接觸進(jìn)行潤(rùn)滑降溫，可以減少刀具的磨損，降低成本損耗，增加零件精度，但不同的冷卻液以及不同的使用量在生產(chǎn)中產(chǎn)生的實(shí)際效果是不一樣的，因此需要銑床加工企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中自行摸索，找到最合適的生產(chǎn)工作行為。

表3 極差分析結(jié)果

另外，由表2 可以看出，當(dāng)切削深度為0.5 mm、主軸轉(zhuǎn)速為750 r/min、進(jìn)給速度為118 mm/min 的時(shí)候，加工零件表面的粗糙度為最低，僅有3.2 μm，縱向?qū)Ρ壬舷聰?shù)據(jù)，均降低了1 個(gè)度左右的損耗。這說明，在此種狀況下，切削深度、轉(zhuǎn)軸速度、給進(jìn)速度達(dá)到了最合適的平衡，對(duì)于刀片產(chǎn)生了較小的磨損負(fù)擔(dān)，但從橫向數(shù)據(jù)對(duì)比來看，切削深度對(duì)銑床零件加工表面粗糙度的影響作用最大，是決定零件加工表面粗糙度的重要數(shù)值，在實(shí)際生產(chǎn)中，工廠可以選擇降低切削深度，多次切削的方式來進(jìn)行加工，進(jìn)一步提高加工零件的精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

3 結(jié)語

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得知，在同等操作環(huán)境下，零件表面粗糙度隨著切削深度的增加而增加，在同樣的切削深度下，會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的遞增而增加，整體粗糙度先小后大，并逐步擴(kuò)大。通過方差數(shù)據(jù)的分析對(duì)比可知，銑床加工時(shí)對(duì)零件表面影響因素由大至小的排序分別為切削深度＞主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度，其中切削深度對(duì)粗糙度的影響遠(yuǎn)超于主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，是影響零件表面粗糙度的最主要因素。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在750 r/min、切削深度為0.5 mm、進(jìn)給速度為118 mm/min 的時(shí)候，普通銑床在加工中表面粗糙度數(shù)值最低。當(dāng)主軸加速時(shí)，粗糙度先小后大，并穩(wěn)步上升，這是由于當(dāng)主軸達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，刀具的磨損影響了加工質(zhì)量，從而導(dǎo)致粗糙度上升，因此根據(jù)刀具材質(zhì)及零件的不同，需要固定時(shí)間更換刀片，避免其對(duì)零件粗糙度產(chǎn)生過大的影響。