切向車銑鋁合金回轉(zhuǎn)體工件表面形貌的試驗研究*

姜增輝 段宗玉 楊大衛(wèi)

(沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

車銑加工是一種新的切削加工方法，在大型回轉(zhuǎn)體的高速切削及弱剛度回轉(zhuǎn)體的精加工中有其獨特的優(yōu)勢［1］。近二十年來，車銑技術(shù)在國內(nèi)外都取得了較大的進展，在表面形貌方面的研究也取得了一定的成果。Choudhury在對黃銅材料工件進行正交車銑試驗后指出，與車削相比采用較低的切削速度，能到得較小的表面粗糙度值，Ra值甚至可減小至車削的1/10［2］。同時，隨刀具半徑增大，表面粗糙度值減小，而隨切深增加，表面粗糙度值會增大［3］。

切向車銑是近幾年發(fā)展起來的主要車銑加工方法。如圖1所示，加工過程中銑刀軸線與工件軸線相互垂直，依靠銑刀旋轉(zhuǎn)運動與工件旋轉(zhuǎn)運動的復(fù)合運動完成各類零件表面加工的一種先進切削加工方法，且只有螺旋圓周刃參與切削，端面刃不參與切削。切向車銑加工過程包括工件的旋轉(zhuǎn)運動，銑刀的旋轉(zhuǎn)運動，銑刀的徑向進給運動和銑刀的軸向進給運動。Vedat指出［4，5］，在中碳鋼的回轉(zhuǎn)體切向車銑加工中能得到很小的表面粗糙度值，它非常接近磨削的加工水平，因此可以在一些情況下代替磨削加工，從而較大地節(jié)約生產(chǎn)成本。

鋁合金材料是航空航天工業(yè)的常用材料，也是目前高速切削的最主要加工對象，研究切向車銑中主要切削參數(shù)對表面形貌的影響對實現(xiàn)其高效、高速加工具有較強的現(xiàn)實意義。

1 主要試驗設(shè)備

如圖2，試驗機床為Mazak200Y臥式車銑加工中心，五軸四聯(lián)動，帶C軸功能。銑削主軸無級調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速6000 r/min。

銑刀為含鈷8%的高速鋼立銑刀，刀具直徑20 mm，刀具齒數(shù)2，刀刃螺旋升角 30°。

工件為ZL101鋁合金棒料。

測量儀器為TR100便攜式表面粗糙度測量儀和IM系列工具顯微鏡。

2 試驗分析與討論

在車銑加工中軸向進給量和周向進給量是對表面形貌影響較大的兩個切削參數(shù)，因此重點對它們進行試驗研究。

2.1 軸向進給量對表面形貌的影響

試驗條件:銑刀轉(zhuǎn)速2700 r/min，工件轉(zhuǎn)速5 r/min，切削深度 0.1 mm，工件直徑 102.2 mm，順銑，干切削。工件每轉(zhuǎn)一周銑刀在工件軸向的進給量從0.4 mm逐漸增加到1.0 mm。

試驗結(jié)果如圖3所示，當(dāng)軸向進給量為0.6 mm/r時，沿工件軸向測得的表面粗糙度Ra為0.68μm，是試驗中得到的最小值。當(dāng)軸向進給量為1.0 mm/r時，Ra為最大值3.41μm。分析結(jié)果可得，盡管Ra在進給量為0.6 mm/r和0.9 mm/r有兩個較小值，但總體上表面粗糙度Ra是隨軸向進給量的增大而增大的。

圖4給出了試驗得到的工件表面形貌。可看到在工件表面同時存在著沿工件軸向分布的加工紋理與沿周向分布的紋理，兩種紋理的分布均勻而有規(guī)律，方向互相垂直。周向紋理間距很小，且軸向進給量對周向紋理的分布沒有影響。軸向紋理分布間距較大，且隨著軸向進給量的增加，軸向紋理的間距也增大。

2.2 周向進給量對表面形貌的影響

周向進給量是車銑加工中特有的一個切削參數(shù)，它在工件圓周方向所表達的含義與平面銑削中的每齒進給量類似。周向進給量可由下式計算得到

式中:nW為工件轉(zhuǎn)速，nT為銑刀轉(zhuǎn)速，D為工件直徑，Z為銑刀齒數(shù)。

由式(1)可知，如其它參數(shù)不變，通過改變工件轉(zhuǎn)速可以改變銑刀的周向進給量。由此選定試驗條件:銑刀轉(zhuǎn)速2700 r/min，軸向進給量 0.4 mm/r，切削深度0.1 mm，工件直徑102.2 mm，順銑，干切削。

試驗結(jié)果如圖5所示，當(dāng)周向進給量為0.3 mm/z時，沿工件軸向測得的表面粗糙度Ra為0.84μm，是試驗中得到的最小值。當(dāng)周向進給量為1.5 mm/z時，Ra為最大值2.91μm。分析結(jié)果可得，軸向進給量保持不變，通過改變周向進給量仍可使工件的表面粗糙度產(chǎn)生很大變化，且表面粗糙度值隨周向進給量的增大而增大。

圖6給出了改變周向進給量得到的表面形貌。可以看到，與軸向進給量相比周向進給量對表面紋理的影響更明顯。通過軸向和周向紋理的復(fù)合、疊加作用，不但使紋理的方向發(fā)生改變，而且使紋理的分布間距也產(chǎn)生了明顯變化。當(dāng)周向進給量取0.9 mm/z時，表面紋理呈網(wǎng)格狀，這是銑刀和工件旋轉(zhuǎn)復(fù)合運動的明顯特征。在有些情況下合理選擇參數(shù)得到的這種網(wǎng)格狀表面紋理有可能為需要儲油結(jié)構(gòu)的表面加工提供一種新的選擇。

3 結(jié)語

(1)切向車銑加工鋁合金回轉(zhuǎn)體工件時，采用干切削也能得到較好的加工表面。

(2)表面粗糙度值不但隨著軸向進給量的增大而增大，而且隨著周向進給量的增大而增大。

(3)周向進給量對表面紋理的影響更為明顯。通過軸向和周向紋理的復(fù)合、疊加，可使紋理的方向和分布間距都發(fā)生明顯變化，并可生成網(wǎng)格狀表面紋理。

1 賈春德，姜增輝.車銑原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

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

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

4 Vedat Savas，Cetin Ozay.Analysis of the surface roughness of tangential turn-milling formachining with endmilling cutter［J］.Journal ofMaterials Processing Technology.2007，186:279 –283

5 Vedat Savas，Cetin Ozay.The optimization of the surface roughness in the process of tangential turn-milling using genetic algorithm.Int JAdv Manuf Technol.2008，37:335–340