數(shù)控車削鋁合金表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)研究*

羅永新 龍 華

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410208）

鋁合金在切削性能上與鋼材和鑄鐵材料差別很大，具有很多顯著特點(diǎn):與鋼材比，強(qiáng)度與硬度低，塑性好，切削力小，導(dǎo)熱性好。切削時(shí)易粘刀，高速切削時(shí)可能在刀刃上產(chǎn)生熔焊現(xiàn)象，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)使刀具喪失切削能力。鋁合金熱脹系數(shù)大，切削熱容易引起工件熱變形，降低加工精度。鍛造鋁合金在輕量化結(jié)構(gòu)零件中占有重要地位，研究其切削工藝具有重大意義。在鋁合金工件的切削制造中，正確選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量，是提高切削效率和保證切削質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 實(shí)驗(yàn)條件

機(jī)床:CAK3265。刀具:山特維克 CoroTurn RC。工件材料:鍛鋁 2A16，工件尺寸:φ50 mm×200 mm。粗糙度測(cè)量?jī)x:JB－3C粗糙度測(cè)試儀，分辨率0.001 μm，Ra值測(cè)量范圍0.001～10 μm。

2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

考慮到車削表面粗糙度影響因素很多，且在同一條件下，影響程度不一樣，故實(shí)驗(yàn)方案涉及到以下兩個(gè)方面。

2.1 切削用量的因素

采用正交實(shí)驗(yàn)法，選擇車削轉(zhuǎn)度nc（因?qū)嶒?yàn)工件尺寸變化不大，代替切削速度）、進(jìn)給量f和吃刀深度ap三個(gè)因素，分別取三組數(shù)據(jù)做三個(gè)水平實(shí)驗(yàn)，為了便于結(jié)果分析，在考察切削用量對(duì)車削表面質(zhì)量的影響時(shí)，刀具幾何參數(shù)條件固定不變，均采用rε=0.3 mm，γo=0°，αo=10°，Kr=90°，Kr'=25°的刀具條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2 刀具幾何因素

采用單因素法實(shí)驗(yàn)。分別選擇刀具刀尖圓弧半徑rε、前角γo、主偏角Kr三個(gè)因素，為了方便結(jié)果分析，車刀的其他主要幾何參數(shù)恒定，后角αo=10°、λs=0°、Kr'=25°，選定切削用量參數(shù)恒定，主軸轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，ap=1 mm，f=150 mm/min，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表1 切削用量對(duì)車削表面粗糙度的影響（刀具因素:rε=0.3 mm，γo=0°，Kr=90°）

表2 刀具幾何因素對(duì)車削表面粗糙度的影響（切削用量:n=1 500 r/min，ap=1 mm，f=150 mm/min）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面粗糙度Ra與切削速度nc的關(guān)系

圖1表達(dá)了車削轉(zhuǎn)速與車削表面質(zhì)量的關(guān)系。隨著切削轉(zhuǎn)速的提高，工件表面粗糙度值呈減小的趨勢(shì)。隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，切削速度增大，切削刃對(duì)工件材料進(jìn)行“耕犁”、擠壓程度減少，“切割”能力提高，刀具工作副后角減小，副后刀面的熨燙修復(fù)作用加強(qiáng)，對(duì)已加工表面起到修復(fù)光整的作用，從而使表面粗糙度值會(huì)隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小。實(shí)驗(yàn)中，切削深度ap還較大程度地左右著切削速度對(duì)表面粗糙度的影響。其中當(dāng)ap=5 mm時(shí)，在低于3 500 r/min時(shí)粗糙值產(chǎn)生劇增，且粗糙度變化不遵守隨速度提高粗糙度值減小的規(guī)律;但切削速度高于3 500 r/min后，粗糙度值又回到了較小水平。這是因?yàn)樵谳^低的切削速度下，較大的吃刀深度處于不穩(wěn)定車削狀態(tài)，切削產(chǎn)生了振動(dòng)［1－3］，模擬仿真切削穩(wěn)定性如圖2所示，當(dāng)切削速度低于3 500 r/min時(shí)，5 mm吃刀深度正處于不穩(wěn)定切削狀態(tài)，產(chǎn)生的粗糙度值很大。可見，只有在穩(wěn)定切削情況下，提高切削速度，才能減小表面粗糙度值。

3.2 表面粗糙度Ra與進(jìn)給量f、刀尖圓弧半徑rε關(guān)系

工件的表面粗糙度受進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑的影響較大。多數(shù)研究認(rèn)為，表面粗糙度值與進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑存在如下關(guān)系［3－4］:

f值增大，Ra值增大，實(shí)驗(yàn)定性地驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論，如圖3所示。由圖3還可以看出，切削深度仍然較大地影響了f與Ra的關(guān)系，當(dāng)ap值增大時(shí)，f直線斜率下降，f對(duì)Ra的影響程度有所降低，特別是在f小于200 mm/min時(shí)ap影響更加明顯。

圖4是刀尖圓弧rε單因素對(duì)Ra的影響關(guān)系圖。由式（1）可知，rε增大，Ra值變小。但是隨著刀尖圓弧半徑增加，切削變形增大，刀具磨損加劇，又有加大表面粗糙度值的趨勢(shì)。因而刀尖圓弧半徑對(duì)Ra的影響不能完全遵照式（1）的變量關(guān)系運(yùn)算。有研究者［5］認(rèn)為，rε在精加工時(shí)，rε≈0.5 mm最有利于減小表面粗糙度值。

3.3 吃刀深度ap對(duì)表面粗糙度值的影響

圖5是切削深度ap與工件表面粗糙度Ra的關(guān)系圖。可以看出，當(dāng)nc=3 500 r/min時(shí)，隨著吃刀深度的增加，Ra值增大，但趨勢(shì)平緩。說明當(dāng)切削速度選擇合理時(shí)，切削深度對(duì)表面粗糙度的影響不大［6］。但是當(dāng)切削速度選擇不合理，切削深度選擇超過穩(wěn)定切削切深臨界值時(shí)，切削在不穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，工件表面出現(xiàn)振紋，表面粗糙度值Ra值變得很大。可見，精加工時(shí)，采用高速切削，為提高材料切除率，可以適當(dāng)選擇較大的吃刀深度。但切削深度對(duì)切削力影響較大，當(dāng)車削剛度較差的工件時(shí)，較深的切削深度會(huì)引起較大的尺寸誤差，且因工件剛性問題引起表面粗糙度變壞。

3.4 刀具前角γO對(duì)表面粗糙度值的影響

圖6是刀具前角γO與工件表面粗糙度Ra的關(guān)系圖。前角對(duì)Ra的影響很小，也沒有一致的變化規(guī)律，為了便于切屑卷屑，減小切削變形，加工鋁合金時(shí)，多選擇較大正γO。

4 結(jié)語

在高速切削條件下，影響鋁合金表面粗糙度的主要因素是進(jìn)給量，刀具幾何參數(shù)和吃刀深度影響不大。刀尖圓弧半徑rε≈0.5 mm時(shí)，最有利于降低表面粗糙度值。為提高切削效率，減少走刀次數(shù)，可采用較大的吃刀深度，實(shí)現(xiàn)大余量切削情況下的精加工，同樣可以得到表面質(zhì)量較高的零件。

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