車銑加工切削機理分析*

□ 李慎旺 □ 卜 勻 □ 劉純祥 □ 王 偉

唐山學院河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室 河北唐山 063000

1 車銑加工概述

在普通車削基礎上增加一個轉動的自由度,變為車銑加工和滾切加工。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形式。

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

2 車銑加工優勢

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動的自由度,將連續切削變為間斷切削,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動和銑刀轉動的合成運動來完成對工件的加工,因此極易實現高速切削,在加工過程中產生的切削力相比傳統切削減小30%。由于切削力較小,機床和刀具承受的負荷較小,有利于機床精度的保持。同時引起工件變形的徑向力明顯減小,有利于提高工件,尤其是薄壁件和細長件加工的形狀精度。

(4)工件低速旋轉也能實現高速切削。當銑刀高速轉動時,即使工件低速旋轉,也能實現高速切削,這有利于對大型工件進行高速切削。尤其是對于大型鍛件毛坯而言,工件低速旋轉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,這些特點使此類工件的切削過程變得十分平穩,有利于減小工件的形狀誤差。

(5)工件轉速相對較低,加工薄壁件時幾乎沒有由離心力產生的變形。

(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,結合高速切削可較大幅度提高生產效率。

(9)多刃切削過程平穩,刀具磨損小,對新型難加工材料和大型回轉體毛坯的加工而言十分有益。

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

3 車銑加工切削機理

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

在國外,車銑復合加工領域的先驅者德國達姆施塔特工業大學完成了車銑加工滾柱軸承試驗,重點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材料精密加工,分析了刀具的徑向移動對表面質量的影響,應用優化后的切削參數,使用單晶金剛石材質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到2 μm以下,并且應用優化后的切削參數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量的影響,得出機床動靜態剛度對車銑加工工件的表面質量影響較大的結論。文獻[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[7]通過試驗得出,軸向車銑復合加工50號鋼時,刀具、工件轉速、加工深度、軸向進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給量、切削深度、工件轉速的變化曲線。Kopac和Pagacnik[8]還認為,主軸轉速在一定范圍內的提高可以提高表面加工質量,刀具振動可以顯著影響工件的表面粗糙度。

在國內,文獻[9]通過一系列高強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、磨損機理等影響最大的結論。文獻[10]通過氮化鈦涂層硬質合金銑刀正交車銑58SiMn高強度鋼刀具磨損試驗,發現切削速度越高,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律,軸向進給量、每齒進給量與車銑刀具耐用度在雙對數坐標下都呈現線性下降的關系。文獻[11]對正交車銑高強度鋼的不同切屑形態進行了研究,結果表明,正交車銑切屑屬于短鋸齒形切屑,正交車銑鋸齒形切屑產生的原因是切屑內部局部產生突變性剪切。文獻[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理,高速車銑鋁合金和鋼時,將產生熱塑剪切失穩現象,切屑形態為不對稱鋸齒形,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,高速車銑鋼時發生熱塑剪切失穩的切削速度較低。文獻[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,工件轉速提高,工件的表面粗糙度值增大,刀具每齒進給量增大,工件的表面粗糙度值也增大,二者近似成線性關系。文獻[15]表明,與傳統車削、銑削相比,軸向車銑切削力的變化更為復雜,刀具半徑、工件半徑、刀具齒數、切削深度、軸向進給量等多個參數會對切削力產生影響。吳波[16]在分析切削用量對工件表面質量的影響時,通過對車銑后鈦合金表面紋理進行觀察,并測量表面粗糙度,發現銑刀轉速對表面質量的影響最大,其次為偏心量,同時討論分析了其中的原因。文獻[17]通過對車銑復合加工高強度鋼的不同切屑形態進行分析,表明隨軸向進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上,分析了車銑切屑的形成機理,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[18]在車銑復合加工中心上進行了車銑加工高強度鋼材料的刀具磨損強度試驗,分析了車銑切削用量對刀具磨損強度的影響,表明在影響車銑刀具磨損的切削參數中,切削速度對車銑刀具的磨損強度影響最大,并以車銑刀具的磨損試驗為基礎,以切削速度為變量,建立了車銑高強度鋼的刀具磨損強度分析模型。

4 結論

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

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

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