金屬材料組織變形后的銑床加工方法研究

張 倩

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

金屬材料的加工變形是制造業研究重點，在實際工作中，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，其整體結構件在加工中存在較為復雜的變形問題，嚴重影響金屬構件的生產效率和產品精度[1]。因此，金屬材料組織變形后的銑床加工一直是研究重點，對于該內容的研究，外國的發展相對較快，特別是在一些發達國家，在過去的幾十年中，這些國家一直在投入大量的財政和人力資源，發展前景十分明朗[2]。

與國外的各方面研究相比，國內銑床加工方法起步比較晚，但是也取得了一些關鍵成果，但仍然存在較大差距，引進技術比較多，自主研發比較少[3]。

目前，比較傳統的銑床加工方法均是從影響金屬材料加工變形的各項因素下手，設計多種多樣的銑床加工方法，但是對于現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，很難達到實際應用的標準要求[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計

1.1 判斷刀齒-工件接觸判斷

復合金屬工件的實際機加工表面不一定是連續表面。有必要確定切削范圍內是否有齒。在實際加工中，技術材料加工表面的整體輪廓被視為一個或多個連續且封閉的區域使其成為加工區域。判斷刀齒與金屬工件是否接觸，采用射線法判斷點與多邊形的關系，在金屬工件上確定以固定點，在此固定點沿任何方向繪制射線，并通過射線與多邊形區域的邊緣之間的相交數來估計測量點（接觸點）位置，當交點計算結果為奇數，說明該點位置在多邊形區域內部，如果計算結果顯示為偶數，則說明被測點在多邊形外部；如果多邊形區域的某段線段恰好在射線上或射線恰好通過多邊形區域頂點[5]。此時，重新判斷刀齒與金屬工件接觸。

在實際處理過，使用刀具的中心作為原點來設置坐標系，并根據要加工的曲面的法線方向設置刀具軸。假設n為銑刀刀齒數，初始時刻刀具中心在坐標系下的位置是(x0,y0)，進給速度為v0，加工時間為t，刀具半徑為r，η表示轉速。則第i個刀齒的坐標位置為：

過刀齒點(xi,yi)繪制梁并通過計算梁與多邊形之間的相交數來確定牙齒是否在切削范圍內，隨著刀具的旋轉，對交點個數進行判斷，直到全部判斷完為止。

1.2 施加切削載荷

金屬材料在加工過程中，銑床刀具對金屬材料的作用與瞬態切削溫度載荷和切削力對金屬材料產生的作用是相同的，由此可知切削載荷的施加是銑床加工中的重要一環。銑床加工中，刀具同時做旋轉運動和進給運動，其運動軌跡為擺線，在處理金屬材料過程中，形成類似扇形的切削層。實際銑床加工時，隨著刀齒位置的變化，切削厚度也隨之改變，同時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對金屬材料的銑床加工產生不良影響。為了減少對這些因素對銑床加工的影響，適當簡化銑床加工中的切削層。

銑床加工過程中，隨著刀具的旋轉，刀具對工件的切削載荷將以弧線形式作用在金屬加工面上，對于金屬材料的底面，請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程就是上述過程的循環過程。

另外，在上述過程中，切削載荷主要用于銑削寬度不等于刀具直徑的情況。當銑削寬度等于刀具直徑時，請調整刀具的旋轉角度，以邊對邊的斜線作為切入點，連續四次施加載荷。

1.3 確定銑床加工控制參數

銑削金屬材料時，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，應選擇最大的軸向切削深度。減少加工變形。降低切削力。如果在實際處理中，選用大切深加工，在穩定切削力的區域選擇它是為了在確保加工效率的同時最大程度地避免對工藝變形的影響。

對于徑向切深的選擇，以銑床刀具半徑作為選擇條件，當徑向切深大于刀具半徑，徑向切深的增加，將進一步促進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隨之增加；當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隨之改變，并且從理論上分析，其接觸線與刀具的長度是相同的。從實際的工作經驗中可知，刀具切入的初始方向會發生改變，刀具切削的形式也會不斷變化，在處理過程中將切削力最大值保持在一個穩定值，用以提高銑床加工效率。

在加工過程中，每齒進給量的選擇對加工精度有一定影響，如果選擇一個中等值，則更改該值不會影響金屬材料。從實際工作經驗中可以了解到，每齒進給量變化對切削力變化的影響與對金屬變形的影響相同，在加工過程中金屬可能會在切削熱的作用下容易產生化學反應，形成硬化層，這樣的情況會引起切削力的增大，降低刀具壽命，會嚴重影響加工精度。因此，通常選擇超過0.15mm/z的中間值以確保加工質量。

2 金屬材料組織變形后的銑床加工方法實驗研究

實驗中在機床VDL-100E立式加工中心上進行，在比較實驗的基礎上，設置統一的合適的切削參數，完成銑削過程后，對百分表顯示的卷尺進行均勻的測量，得到每個測量點的偏移量。

實驗結束后，收集通過銑床的每種加工方法加工的目標測量點的坐標值，然后從理論值中減去所得的坐標值以獲得偏差值。將實驗結果與變形最大的每個測量點的實際變形結果進行比較，得到統計結果。

待以上過程完成之后，輸出統計結果，得到提出的加工方法與傳統的兩種加工方法的變形量誤差實驗結果。具體結果如表1所示。

表1 不同加工方法變形量誤差實驗結果

通過表1中數據可得出以下結論：坐標距離的增加對變形量誤差的影響比較小，實驗中可忽略。在三種加工方法中傳統加工方法1和傳統加工方法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驗條件下，其實驗結果與理論值基本相符，誤差極小，在可接受范圍內，吻合性較好，具有一定的現實應用價值。

3 結束語

本文基于原有的銑床加工方法和研究材料，設計了新的金屬材料組織變形后的銑床加工方法，并在方法設計完成后，通過大量對比實驗驗證了加工方法的可行性，解決了傳統銑床加工方法中存在的問題。但是本文在研究中受到時間和技術水平的限制，存在些許的不足之處，如加工偏度系數的矯正等，為了進一步提高銑床加工方法的可信度，在未來研究中，針對這一方面展開深入研究，加以補足，為提高金屬材料質量和加工水平提供建議。