車銑加工表面粗糙度的形成機(jī)理

車銑加工表面粗糙度的形成機(jī)理,加工,表面,粗糙,粗拙,毛糙,形成,構(gòu)成,機(jī)理 目 錄 1緒論 1 1.1 車銑加工的特點(diǎn)及分類 1 1.2 車銑加工技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展 3 1.3 本文主要研究內(nèi)容 4 2 車銑的加工形式分析 4 2.1 運(yùn)動分析 4 2.2 水平運(yùn)動模型 5 3 車削及車銑加工表面粗糙度的影響因素分析 8 3.1切削加工中的表面粗糙度及其控制 8 3.1.1 殘留面積產(chǎn)生的粗糙度 9 3.1.2 切削過程中不穩(wěn)定因素產(chǎn)生的粗糙度 10 3.1.3 影響表面粗糙度的主要因素 11 3.2 車削加工的表面粗糙度 12 3.2.1車削的主要加工范圍 12 3.2.2影響車削加工表面粗糙度的主要因素 13 3.3車銑軸向殘留面積高度計(jì)算 14 3.3.1無偏心正交車銑軸向殘留面積高度計(jì)算 14 3.3.2 偏心正交車銑軸向殘留面積高度計(jì)算 17 3.4車銑加工和車削加工的比較與改進(jìn)措施 20 4 結(jié) 論 20 致 謝 22 參考文獻(xiàn) 23 1緒論 車銑技術(shù)是20世紀(jì)80年代初在發(fā)達(dá)國家發(fā)展起來的一種新型的機(jī)械加工方法，它以全新的概念開辟了機(jī)械加工領(lǐng)域的新紀(jì)元，并成為20世紀(jì)90年代以來西方各國競相研究和開發(fā)的熱點(diǎn)高新技術(shù)之一。 車銑加工將車削和銑削加工有機(jī)結(jié)合在一起，利用車銑合成運(yùn)動對工件進(jìn)行加工，特別適合大型軋輥、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、曲軸等大型、精密復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的高效粗加工和精密加工，是實(shí)現(xiàn)所謂“全部加工”和“一次性完成的加工”的先進(jìn)制造工藝。采用告訴車銑技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，是一種高金屬去除率的“整體制造”技術(shù)，被世界公認(rèn)為最具技術(shù)帶動性、高技術(shù)覆蓋面廣的關(guān)鍵先進(jìn)制造技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，事機(jī)械制造流域的重要發(fā)展方向。 1.1 車銑加工的特點(diǎn)及分類 傳統(tǒng)的車削和銑削加工中，離心力對卡盤和刀具的影響河大，工藝性和經(jīng)濟(jì)性往往成為切削速度和加工精度提高的瓶頸而制約其進(jìn)一步發(fā)展。高速車銑加工技術(shù)則是將工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相結(jié)合，同時(shí)給予刀具和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的先進(jìn)加工方法，它充分發(fā)揮了高速銑削力小、加工過程產(chǎn)生的熱量對工件影響小、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)勢，一次裝夾就可以完成平面和槽、圓柱表面和孔加工等工序，形為誤差較小。由于其具有加工速度快、加工表面質(zhì)量高、刀具和工件殘留熱應(yīng)力小、切削短、易實(shí)現(xiàn)加工過程自動化等優(yōu)點(diǎn)，起研究應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，用于回轉(zhuǎn)對稱零件的精密加工時(shí)甚至可以代替磨削加工，因此，它是今后將車削、銑削和鉆削加工綜合在一起而大力發(fā)展的新技術(shù)，是對傳統(tǒng)機(jī)械加工方法和概念的拓展和提升。 如圖1所示，根據(jù)刀具幾何形狀和切削運(yùn)動的不同，車銑加工大致可分為軸向車銑(coaxialturn-milling)和正交車銑(orthogonal turn-milling)兩種形式，按照銑刀與工件相對運(yùn)動方向的不同又可以分為順銑和逆銑兩種情況。軸向車銑時(shí)，刀具和工件的軸線平行，銑刀作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，工件作低速回轉(zhuǎn)。該方法適合于回轉(zhuǎn)對稱工件內(nèi)、外表面的加工，正交車銑中刀具的軸線于工件的軸線相垂直，主要用于軸對稱回轉(zhuǎn)體的外表面加工。在高的切削熟讀條件下將車削和銑削技術(shù)相組合，是的車銑加工具有以下優(yōu)點(diǎn)： 圖1 車銑加工示意圖一 （1）由于工件轉(zhuǎn)速低，車銑加工過程切削力小，離心力對工件變形影響小，軸線方向的振動頻率小，加工表面尺寸、形狀精度高，尤其適合薄壁零件的加工。 （2）車銑加工屬多刃切削，整個(gè)加工過程中總是同時(shí)有多個(gè)切削刃于工件保持接觸，切削振動小，減少了刀具的磨損，對大型回轉(zhuǎn)體毛胚的粗加工十分有益，使用多刃刀具，提高了加工效率，降低了成本。 （3）車銑是間斷切削，切削較短，易于排屑，甚至在加工塑性材料時(shí)也是如此。同時(shí)，間斷切削使刀具有一定得冷卻時(shí)間，刀具切削溫度相對較低，切削區(qū)的熱量不斷由切削快速帶走，使被加工工件的表面殘留的熱量很小，加工表面基本上午熱應(yīng)力產(chǎn)生熱變形。 （4）當(dāng)?shù)毒哂诠ぜ乃俦茸銐虼髸r(shí)，可獲得很高的表面質(zhì)量，可與磨削相媲美；通過對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還可以對大型非對稱工件和小直徑零件進(jìn)行加工。 （5）切削速度是由工件和刀具的回轉(zhuǎn)速度共同合成，從而不需要使工件高速旋轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)高速切削，有利于對大型回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行高速切削，以及實(shí)現(xiàn)難加工材料的干式切削。 （6）需車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件能在1次裝夾中完成加工，不需要更換機(jī)床，縮短生產(chǎn)周期，避免重復(fù)裝夾的誤差。 （7）與傳統(tǒng)車削相比，車銑極易實(shí)現(xiàn)高速切削，而高速切削的一切優(yōu)點(diǎn)可在車銑中得以體現(xiàn)。如切削力比傳統(tǒng)切削可下降30%。機(jī)床和刀具承受的負(fù)荷小，也有利于機(jī)床精度的保持。 1.2 車銑加工技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展 車銑加工技術(shù)是由德國于20世紀(jì)80年代最早研究開發(fā)的。目前，對車銑技術(shù)的研究主要集中在道具的磨損機(jī)理、表面質(zhì)量和加工表面的完整性、切削形成機(jī)理以及硬質(zhì)材料切削等方面。對滾柱軸承座圈進(jìn)行了高速車銑加工，研究了軸向車銑和正交車銑中切削條件、刀具和工件相對位置以及刀具幾何形狀等幾何精度和加工表面質(zhì)量的影響，加工表面粗糙度達(dá)到0.5μｍ以下。 美國研究了高硬度材料的取、進(jìn)給度的優(yōu)化，以及車銑加工中切削的形成機(jī)理。當(dāng)以優(yōu)化的參數(shù)用CBN刀具切削100Cr62（HRC62）時(shí)，工件表面粗糙度<2μｍ，刀具耐用度大大提高，達(dá)10h，且能夠?qū)崿F(xiàn)干切削。以車銑加工代替硬質(zhì)材料的告訴精密車削加工，不需冷卻、刀具加工時(shí)間長，表面質(zhì)量達(dá)到磨削水平。慕尼黑大學(xué)對高速車銑切入一切處條件進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化，獲得了影響車銑加工動態(tài)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。研究了振動對車銑加工表面質(zhì)量的影響，指出機(jī)床的動態(tài)和靜態(tài)剛度對車銑加工質(zhì)量有著重要影響。國外研究了正交車銑在500—2000r/min加工速度范圍內(nèi)，切削長度及進(jìn)給量對工件表面光潔度的影響，指出刀具轉(zhuǎn)速的提高和軸向進(jìn)給速度的減少有利于表面精度的提高，實(shí)驗(yàn)獲得的正交車銑表面精度是車削加工的10倍，且切屑短小，易于排屑。在切屑刀具幾何形狀和切削參數(shù)優(yōu)化方面，國外開發(fā)了1中新型的盤式刀具，這種刀具使得個(gè)切削刃在切削過程中有一定的冷卻和休息時(shí)間，刀具與切削之間的摩擦系數(shù)減少，刀具耐用度減小，刀具耐用度提高，美國科學(xué)家將道具設(shè)計(jì)成平截圓錐體，在適當(dāng)?shù)那邢魉俣认?，切削力減小10%左右，切屑厚度較小。德國研究所等研究了兩個(gè)重要的參數(shù)切削溫度和切削細(xì)加工表明：刀具切削刃的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶走了切削區(qū)大量的熱量，降低了切削溫度，旋轉(zhuǎn)刀具的切削力大大小于固定刀具。研究了自驅(qū)動回轉(zhuǎn)刀具的驅(qū)動和操作，認(rèn)為傾斜的回轉(zhuǎn)刀具切削效率最高。研究了降低硬質(zhì)材料生產(chǎn)時(shí)間和成本的方法。硬度超過HRC60的材料的拋光通常使用磨削加工，隨著加工技術(shù)的進(jìn)步和刀具材料的發(fā)展，通過對刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化，利用車銑技術(shù)即可獲得磨削所能達(dá)到的尺寸精度和表面光潔度，且加工速度高，生產(chǎn)成本低。但是由于車銑加工的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性非常復(fù)雜，加工刀具的剛性和幾何形狀要求較高，同時(shí)，刀具的最小直徑限制了其使用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，在這些領(lǐng)域還有許多問題以待研究和解決。 1.3 本文主要研究內(nèi)容 車銑加工由于其表面形成過程較為復(fù)雜，已加工表面表面粗糙度的理論計(jì)算較為困難。 本文通過對正交車銑加工的研究，綜合考慮了刀具幾何參數(shù)、刀具和工件的相對運(yùn)動及切削用量，找出影響車銑加工表面粗糙度的主要因素。并據(jù)此提出了正交車銑加工表面粗糙度理論計(jì)算模型和軸向殘留面積高度計(jì)算公式。 2 車銑的加工形式分析 車銑技術(shù)就是以銑代車實(shí)現(xiàn)加工的高效率。由于銑刀是多齒刀具，而銑刀自身又具有高速的轉(zhuǎn)動速度，在單位時(shí)間內(nèi)可以加大金屬的切削量。此外，切削熱可以被切削快速帶走使被加工工件的表面殘留的熱量很小，加工表面基本無熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱變形。又由于銑刀在切削過程中是斷續(xù)切削，因此無斷屑問題。 圖2 車銑加工示意圖二 圖2所示的是在車床上利用銑刀銑內(nèi)、外圓柱面的加工示意圖。由圖中可以看出車銑加工的機(jī)床與刀具的運(yùn)動方式。在加工外圓柱面時(shí)，銑刀可以從水平或垂直設(shè)置。水平設(shè)置刀具可以得到較大的切削深度、進(jìn)給量和較高的表面質(zhì)量，但加工表面的長度受到銑刀長度受到銑刀長度的限制。垂直設(shè)置刀具與水平設(shè)置刀具相逼有較低的切削力和表面質(zhì)量，但被加工面得長度不受約束。 2.1 運(yùn)動分析 車銑運(yùn)動是一個(gè)復(fù)合運(yùn)動，工件和道具分別以轉(zhuǎn)速和作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)在進(jìn)給機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，刀具以作沿工件軸向的進(jìn)給運(yùn)動，如圖3所示為常見的車銑運(yùn)動組合，運(yùn)動組合如箭頭所示。因此，銑刀切削刃上某點(diǎn)在順勢相對于工件同時(shí)有速度和，這兩個(gè)向量的和形成該點(diǎn)的合成切削速度，但切削刃上該點(diǎn)還要咬著銑刀的軸線旋轉(zhuǎn)，一次該點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動軌跡應(yīng)是一種延長擺線,但從整個(gè)刀具中心的運(yùn)動可以只考慮和，則切削表面可以近似堪稱螺旋面，即切削刃上某點(diǎn)切削軌跡是近似螺旋線。 對圖3中的正交車銑 建立的以銑刀回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的X—Y—Z指教坐標(biāo)系，如圖4所示。X軸正向?yàn)殂姷哆M(jìn)給速度方向，Z軸正向?yàn)楣ぜ€速度方向，則Y軸為銑刀的旋轉(zhuǎn)軸。 圖3 車銑的運(yùn)動組合 圖4 正交車銑直角坐標(biāo)的建立與運(yùn)動分析 2.2 水平運(yùn)動模型 銑刀水平設(shè)置，銑刀與工件相對轉(zhuǎn)動，切削點(diǎn)的運(yùn)動形成了空間的螺旋軌跡。如圖所示在軸向進(jìn)給時(shí)切削表面的軌跡曲線。圖5a為縱向觀測的運(yùn)動軌跡，圖5b是軸向觀測的運(yùn)動軌跡。工件轉(zhuǎn)動，銑刀即轉(zhuǎn)又實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給。為了能更好的描述其切削點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，設(shè)定進(jìn)給量為固定值的常量。此時(shí)得出運(yùn)動過程的矢量圖。如圖6所示，車銑運(yùn)動的過程完全可以通過矢量圖加以描述。矢量V表示圍繞工件轉(zhuǎn)動的銑刀運(yùn)動速度。引用文獻(xiàn)計(jì)算公式分析。 圖5 矢量圖 圖6 坐標(biāo)軸圖 =（） （1） 式中：D----工件的直徑； d----銑刀的直徑； Ω----工件的角速度。 銑刀的徑向進(jìn)給速度矢量為： = (2) 式中：----切削點(diǎn)瞬間徑向往復(fù)移動函數(shù)；銑刀的切入角 ---在加工過程中銑刀同時(shí)參加切削工件的刀齒時(shí)， 銑刀在（）坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)動矢量為： = (3) 銑刀在（x,y）坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)動矢量是為： == (4) 銑刀在工件上切入點(diǎn)的軌跡曲線矢量為 =-+;將（1）（2）（4）式代入上式可得： =（）- + (5) 而得長度為： =(+) = (6) R值的大小取決于切入角、銑刀和工件的直徑及瞬間的徑向進(jìn)給量。而軌跡矢量角為tg=/ (7) 由圖3得知為： =+=+ (8) 式中：---工件與銑刀的切削擺動角； ---銑刀的刀齒數(shù)； ---轉(zhuǎn)動頻率比（λ=）； ---銑刀的轉(zhuǎn)速； ---工件的轉(zhuǎn)速 切削擺動角φ的計(jì)算可以通過（）坐標(biāo)系來求得，在（）坐標(biāo)上的切入點(diǎn)軌跡矢量為： = 式中：= （9） 將（9）式代入（5）式中可得： = （10） 此時(shí)切削擺動角為: (11) 則8式可寫成為： =+arctg (12) 由此可得銑刀切削點(diǎn)瞬間徑向往復(fù)移動函數(shù)為： 式中：----工件每一轉(zhuǎn)時(shí)銑刀的徑向進(jìn)給量 3 車削及車銑加工表面粗糙度的影響因素分析 3.1切削加工中的表面粗糙度及其控制 經(jīng)過切削或磨削加工后的表現(xiàn)總會有圍觀幾何不平度，不平度的高度稱為粗糙度。其產(chǎn)生的原因可歸納為兩個(gè)方面。 （1）幾何因素產(chǎn)生的粗糙度，也稱為理論粗糙度，由切削運(yùn)動和刀具的幾何形狀產(chǎn)生，主要取決于殘留面積的高度。 （2）切削過程中不穩(wěn)定因素所產(chǎn)生的粗糙度，包括積屑瘤、鱗刺、切削變形、刀具的邊界磨損、切削刃與工件相對位置變動等。 由于車銑加工表面粗糙度主要取決于殘留面積的高度，所以本文主要研究幾何因素對車銑加工表面粗糙度的影響。 3.1.1 殘留面積產(chǎn)生的粗糙度 切削時(shí)，由于刀具與工件相對運(yùn)動以及刀具幾何形狀的關(guān)系，有一小部分金屬未被切削下來，殘留在已加工表面上，稱為殘留面積。如圖7所示，其高度直接影響到已加工表面的橫向粗糙度。理論的殘留面積高度R可以根據(jù)刀具的主偏角、副偏角、刀尖圓弧半徑r和進(jìn)給量f，按幾何關(guān)系計(jì)算出來。 圖7 加工過程 刀尖圓弧半徑r=0時(shí)： = () （14） 刀尖圓弧半徑r不等于0時(shí)： (15) 由上面的分析可知，減小進(jìn)給量f，可以降低零件的理論粗糙度，但是會影響生產(chǎn)效率。適當(dāng)?shù)臏p小副偏角和增大刀尖圓弧半徑r，可以減小理論粗糙度。因此精加工時(shí)往往在刀尖處磨出一定得圓弧或修磨出一小段副偏角=0的修光刃，來降低零件的表面粗糙度。但是過度的減小副偏角和增大刀尖圓弧半徑，會使刀具和工件之間的摩擦增大，產(chǎn)生振動，使工件表面質(zhì)量下降。 3.1.2 切削過程中不穩(wěn)定因素產(chǎn)生的粗糙度 1）積屑瘤 當(dāng)切削塑性材料時(shí)，常在靠近切削刃及刀尖的簽到面上產(chǎn)生積屑瘤，積屑瘤的硬度很高，可以代替切削刃進(jìn)行其切削。由于積屑瘤會引起過切，并且自身不規(guī)則，且處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不斷生長和破碎，導(dǎo)致各處的過切量不一致。同時(shí)，一部分破碎的積屑瘤碎片嵌入已加工表面形成鱗片狀毛刺。積屑瘤的生長于破碎導(dǎo)致切削力的波動，容易引起振動。所以除了殘留面積造成的粗糙度外，就要數(shù)積屑瘤的生長于破碎對粗糙度的影響嘴嚴(yán)重。 2）鱗刺 鱗刺就是已加工表面上出現(xiàn)的鱗片狀毛刺，常常發(fā)生于中低速、大進(jìn)給量、較小前角切削塑性、韌性較大的金屬時(shí)。鱗刺對表面粗糙度由嚴(yán)重的影響，使已加工表面變得很粗糙，是加工中獲得較小粗糙度表面的一大障礙。 鱗刺可以在下述三種情況下形成 ①形成節(jié)狀切削或單元切削時(shí)。 ②形成伴有積屑瘤的帶狀切削時(shí)。 ③形成無積屑瘤的帶狀切削時(shí)。 綜上所述得知，鱗刺的成因是：切削刃金屬周期的在節(jié)狀切削單元體前方或在積屑瘤前方積層，并周期性的被切削而形成鱗刺。 3）切削過程中的變形 圖8 切屑形成 如圖8所示，在擠裂或單元切屑的形成過程中，由于切削單元帶有周期性的斷裂，這種斷裂要深入到切削表面下，從而在加工表面上留下擠裂的痕跡而形成波浪形。而在崩碎切削的形成過程中，從主切削刃處開始的裂紋在接近主應(yīng)力方向斜著向下延伸形成過切，造成已加工表面凹凸不平。 4）振動 切削過程中如果有振動，表面粗糙度就會顯著增大,振動式由于徑向切削力太大，或者加工系統(tǒng)的剛度太小所引起的。 3.1.3 影響表面粗糙度的主要因素 1）刀具方面 A．幾何參數(shù) 刀具幾何參數(shù)中對表面粗糙度影響最大的是刀尖圓弧半徑r，副偏角和修光刃。 刀尖圓弧半徑r對表面粗糙度由雙重影響：r增大時(shí)，殘留高度減小，另一方面變形將增加。由于前一種影響較大，所以當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑r增大時(shí)，表面粗糙度將降低。因此在剛度允許的情況下，增大刀尖圓弧半徑r是降低表面粗糙度的好方法。副偏角越小，表面粗糙度越低。但是減小副偏角容易引起振動，故減小副偏角，必須視機(jī)床系統(tǒng)的剛度而定。采用一段長度稍大于進(jìn)給量的修光刃是降低表面粗糙度的有效措施，利用增加修光刃來消除殘留面積是實(shí)際加工工件中常用的方法。 2）切削條件 A 切削速度v 加工塑性材料時(shí)，切削速度對積屑瘤和鱗刺的影響非常顯著。切削速度較低易產(chǎn)生鱗刺，低速至中速一形成積屑瘤，粗糙度較大。避開這個(gè)速度區(qū)域，表面粗糙度會減小。加工脆性材料時(shí)，因?yàn)橐话悴粫纬煞e屑瘤 和鱗刺，所以切削速度對表面粗糙度基本無影響。 由此可見，用較高的切削速度，既可以提高生產(chǎn)率，同時(shí)又可使加工表面粗糙度較小。 B 進(jìn)給量f 從幾何因素中可知，減小進(jìn)給量f可以降低殘留面積的高度。同時(shí)也可以降低積屑瘤和鱗刺的高度，因而減小進(jìn)盡量可以使表面粗糙度值減小。是進(jìn)給量減小到一定值時(shí)，再減小，塑性變形要占主導(dǎo)地位，粗糙度值不會明顯下降。當(dāng)進(jìn)給量更小時(shí)，由于塑性變形程度增加，粗糙度反而會有所上升。 C 切削深度 一般來說，切削深度對加工表面粗糙度的影響是不明顯的，擔(dān)當(dāng)切削深度小于0.002—0.003mm時(shí)，由于刀刃不是絕對尖銳而是有一定得圓弧半徑，這時(shí)正常切削就不能進(jìn)行，常擠壓滑過加工表面而切不下切削而將在加工表面上引起附加的塑性變形，從而使加工表面粗糙度增大。所以切削加工不能選用過小的切削深度。 D 切削液 切削液的冷卻和潤滑作用，能減小切削過程的界面摩擦，降低切削區(qū)溫度，從而減少了切削過程的塑性變形并抑制積屑瘤和鱗刺的生長，因此對減小加工表面粗糙度有利 3.2 車削加工的表面粗糙度 車削加工主要由車床類機(jī)床完成。車削是通過工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削的一種加工方式。在車床上可以加工各種回轉(zhuǎn)體表面（如：內(nèi)外圓柱面，圓錐面，成型回轉(zhuǎn)面等）和回轉(zhuǎn)體端面，某些車床還能加工螺紋面。 3.2.1車削的主要加工范圍 （1）車外圓 外圓車削是車削加工中最基本的切削加工。車外圓的車刀有直頭外圓車刀、彎頭外圓車刀等。車外圓一般分為粗車和精車。粗車的目的是切去大部分加工余量；精車是要保證所要求的精度和表面粗糙度。 （2）車端面 車削端面可用彎頭車刀和偏刀。當(dāng)用偏刀車削并由外圓向中心進(jìn)給時(shí)，如切深較大，切削力會使車刀扎入工件，形成凹面，因此可由中心向外切削。 （3）車螺紋 在車床上可利用螺紋車刀加工螺紋。螺紋按牙型分為三角螺紋、梯形螺紋和方牙螺紋等，其中普通公制三角螺紋應(yīng)用最為廣泛。 3.2.2影響車削加工表面粗糙度的主要因素 工件表面質(zhì)量是工件加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此對車削加工過程的工件表面質(zhì)量的分析非常重要。工件的表面質(zhì)量包括表面粗糙度、波形、形狀誤差的很多方面。如圖9所示，在車削加工中，影響工件已加工表面粗糙度的因素主要有三個(gè)方面： （1）刀具刀尖部分的幾何形狀 （2）刀具與工件之間之間相對運(yùn)動的進(jìn)給速度 （3）切削振動產(chǎn)生的刀具與工件之間的相對位置變化等 此外，切削速度、工件的材料、切削液等對工件的表面質(zhì)量也會產(chǎn)生重大影響，而且由于切削過程中金屬的擠壓、變形、摩擦、磨損、力和熱等物理因素的作用產(chǎn)生的積屑瘤、鱗刺、刀具的邊界磨損等都會影響工件的表面粗糙度。切削液的使用和切削速度的提高有助于提高表面粗糙度，而隨著進(jìn)給量、切深 和振動的增加，會使表面粗糙度降低。 圖9 粗糙度成因 通過對以上車削加工的表面粗糙度的分析，可以得知車削加工表面粗糙度與切削參數(shù)具有一定得對應(yīng)關(guān)系，把表面粗糙度的估算值表示為 （16） 式中：進(jìn)給量， 背吃刀量， 切削速度， 常數(shù) 3.3車銑軸向殘留面積高度計(jì)算 3.3.1無偏心正交車銑軸向殘留面積高度計(jì)算 偏心量e=0的無偏心正交車銑軸向殘留面積高度的計(jì)算模型如圖10所示： 設(shè)z為銑刀齒數(shù)，參數(shù)可反映工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀齒在工件圓周上的嚙合方位變化。首先討論 =(m為整數(shù))的情況。當(dāng) =時(shí)，若銑刀中心在位置時(shí)某一刀齒于工件的嚙合位置為，則工件轉(zhuǎn)動一周，銑刀中心移到位置時(shí)，一定有一刀齒在位置與工件嚙合。 R—工件已加工表面半徑；r--銑刀半徑; —工件中心；--銑刀轉(zhuǎn)過一個(gè)齒間角時(shí)工件轉(zhuǎn)過的角度；--工件轉(zhuǎn)速；--刀具轉(zhuǎn)速 圖10 無偏心正交車銑軸向殘留面積高度計(jì)算模型 工件每轉(zhuǎn)一周所形成的圓周表面由銑刀轉(zhuǎn)過一個(gè)齒間角所形成弧段表面組成。理論上，銑刀轉(zhuǎn)過任一個(gè)齒間角所形成的弧段表面形成過程和幾何形狀是一樣的。圖10 弧段表面是由銑刀（銑刀中心在位置）轉(zhuǎn)過一個(gè)齒間角時(shí)，刀齒副切削刃切削銑刀在上一周（銑刀中心在位置）刀齒主切削刃轉(zhuǎn)過一個(gè)齒間角的殘留輪廓形成的。假設(shè)和的位置的刀齒為前一刀齒，則弧段中段由前一刀齒所形成， 段由相鄰的后一刀齒形成。由于對稱，在推導(dǎo)軸向殘留面積高度時(shí)，只需考慮弧段表面即可。 弧段不同徑向截面?zhèn)饶妇€形成及軸線殘留面積高度的理論計(jì)算有所不同。從圖10可以看出，A-A截面軸向殘留面積高度計(jì)算與車削加工相同，在此引用文獻(xiàn)的計(jì)算公式如下： 當(dāng)只有刀尖圓弧刃加工表面時(shí)（） (17) 當(dāng)?shù)都鈭A弧和直線副切削刃加工表面時(shí)（） (18) 式中： 當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑時(shí) = （19） 式（17）--（19）中：為軸向殘留面積高度，為刀具相對工件的軸向進(jìn)給量，mm/r；為刀尖圓弧半徑，mm;為銑刀主偏角；為銑刀副偏角。 上任一沿工件軸向且通過工件軸線的D—D剖面上，工件側(cè)母線的形成過程與A—A剖面上工件側(cè)母線的形成過程有所不同。刀具相對工件軸向進(jìn)給一個(gè)進(jìn)給量形成D-D剖面上側(cè)母線線段EFG的切削過程如下：當(dāng)銑刀中心在位置，銑刀刀齒轉(zhuǎn)到F位置時(shí)刀尖首先切削F點(diǎn)，以后銑刀以轉(zhuǎn)動，工件同時(shí)以轉(zhuǎn)動，銑刀副切削刃切削各點(diǎn)順次在略低于D-D的位置對FG上各點(diǎn)進(jìn)行切削。同理，在銑刀相對工件進(jìn)給一個(gè)，銑刀中心到達(dá)后，銑刀刀尖和副切削刃順次對EF段各點(diǎn)進(jìn)行切削。D-D剖面上軸向殘留面積高度是由銑刀中心在位置，刀齒轉(zhuǎn)至F位置主切削刃切削殘留輪廓和銑刀中心在位置時(shí)副切削刃切削EF段的切削輪廓所決定。 銑刀中心在時(shí)副切削刃切削EF段形成的輪廓線可由D-D剖面上的假想副切削刃代替。假想副切削刃定義為：在D-D剖面內(nèi)，其輪廓與由副切削刃切削EF后形成的EF輪廓線重合。若設(shè)D-D剖面上假想副切削刃的副偏角，則 式中：是刀片從E轉(zhuǎn)到F后，由于銑刀本身的副偏角，使E、F亮點(diǎn)切削殘留高度不同形成的。是刀片從E向F轉(zhuǎn)動時(shí)，由于工件相對轉(zhuǎn)動，刀齒切削E、F點(diǎn)的高度不同，而使E、F兩點(diǎn)切削殘留高度不同形成的附加副偏角。 從圖10可以看出，銑刀中心在位置時(shí)，副切削刃繞從E轉(zhuǎn)至F時(shí)可將EF段切出，設(shè)參與切削EF段的副切削刃長度為L，則 （20） 式中： = ； 由D-D剖面位置決定。 若假設(shè)副切削刃從E轉(zhuǎn)角（可近似?。?，工件轉(zhuǎn)時(shí)（），副切削刃對F點(diǎn)進(jìn)行切削，此時(shí)OD面轉(zhuǎn)至OD’，則 （21） 式中：逆銑時(shí)區(qū)“-”號，順銑時(shí)取“+”號。 確定了也就確定了銑刀中心在時(shí)副切削刃切削EF段的輪廓線，而刀齒主切削刃在D-D剖面上的切削殘留輪廓，決定于諸切削刃和刀尖在D-D剖面上的投影輪廓。吧主切削刃和刀尖在D-D剖面的投影輪廓定義為假想主切削刃和假想刀尖，而且根據(jù)幾何投影關(guān)系可確定相應(yīng)的假想主偏角和假想刀尖圓弧半徑。 確定了、和后就按式（17）-（19）計(jì)算D-D剖面已加工表面的軸向殘留面積高度。但實(shí)際上，在高速正交車銑外圓柱表面時(shí)，因?yàn)?>，所以角很小，由（20）和（21）可知，即同時(shí)，由于角很小， 當(dāng)（k,m為>1的不可約整數(shù)）時(shí)，切削過程中，工件轉(zhuǎn)動k轉(zhuǎn)銑刀刀齒在圓周上的嚙合方位才能實(shí)現(xiàn)重合。但對于m>>k的高速正交車銑，刀具每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角工件所轉(zhuǎn)角度很小，所以，當(dāng)工件每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，雖然刀齒與工件嚙合方位與前一轉(zhuǎn)不重復(fù)，但根據(jù)對前述假想副切削刃的分析，仍可近似用式（17）--（19）計(jì)算其已加工表面軸向殘留面積高度。 綜上所述，對于無偏心高速正交車銑，其理論軸向殘留面積高度可用式（17）--（19）來計(jì)算。而且，從上述分析可知，在計(jì)算無偏心高度正交車銑理論向殘留面積高度時(shí)可省略附加副偏角的影響，所以，理論上采用逆銑還是順銑方式對已加工表面粗糙度沒有太大影響。 3.3.2 偏心正交車銑軸向殘留面積高度計(jì)算 偏心量的偏心正交車銑軸向殘留面積高度的計(jì)算模型如圖11所示，其中，為 銑刀端面刃（副切削刃）長度。 與無偏心高度高速正交銑的分析相同，由于>>，偏心高速正交車銑工件已加工表面軸向殘留面積高度可由圖11A-A剖面來計(jì)算。 圖11中，A-A剖面上殘留面積高度可由銑刀中心在刀齒處于位置時(shí)主切削刃在A-A剖面的投影與銑刀中心在、刀齒副切削刃從轉(zhuǎn)至對EF切削所形成的輪廓線決定。在此引入A-A剖面內(nèi)假想切削刃的概念。定義刀齒處于位置時(shí)主切削刃在A-A剖面上的投影為假想主切削刃，刀尖在A-A剖面上的投影輪廓為假想刀尖；在A-A剖面上，輪廓與銑刀中心在，刀齒副切削刃從轉(zhuǎn)至切削EF后的輪廓重合的線段定義為假想副切削刃。相應(yīng)的假想主偏角、假想副偏角、假想刀尖圓弧半徑分別用、和表示。 根據(jù)投影關(guān)系，可以得出 (b) (c)刀刃在剖面投影模型 圖11 偏心正交車銑軸向殘留面積高度計(jì)算模型 式中：為刀齒主偏角， 當(dāng)或且時(shí)，A-A剖面上假想副切削刃的副偏角可由下式確定： 式中：L為銑刀中心在時(shí)，對EF線段進(jìn)行切削的刀齒副切削刃長度，，為刀齒副偏角。 從圖11可見與逆銑、順銑無關(guān)，均為 式中：為副切削刃切削F點(diǎn)時(shí)從所轉(zhuǎn)過的角度，，可由作圖求出；R為工件已加工表面半徑。 當(dāng)?shù)洱X處于位置時(shí)，刀尖圓弧刃在A-A剖面上的投影為一橢圓圓弧短，起長軸半徑為，段軸半徑為高速正交車銑加工所用工具為立銑刀，副偏角很小，所以，參與已加工表面殘留面積高度形成的圓弧刃高度很小，當(dāng)?shù)洱X圓弧刃向A-A剖面投影成橢圓弧后，參與已加工表面殘留面積高度形成的橢圓弧部分可近似用其頂點(diǎn)的曲率圓弧代替，如圖11（c）所示。設(shè)曲率圓弧半徑為則根據(jù)文獻(xiàn)可得 按假想切削刃將、、代替式（17）--（19）中的，即可計(jì)算偏心正交車銑已加工表面軸向殘留面積高度。從圖11（c）可以看出，偏心量e越大，越小，軸向殘留面積高度越大。 對于，且的情況（見圖11（b））,副切削刃在切削EF段時(shí)，在I點(diǎn)形成一殘留面積高度極值點(diǎn)，其大小為 （22） 式中：，顯然式（22）要求 在確定了工件已加工表面軸向殘留面積高度后，就可以計(jì)算由軸向殘留面積高度決定的理論輪廓算術(shù)平均偏差。根據(jù)文獻(xiàn)，輪廓最大高度是的4—7倍，即 3.4車銑加工和車削加工的比較與改進(jìn)措施 車削是通過工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削的一種加工方式。在車床上可以加工各種回轉(zhuǎn)體表面。車削加工表面粗糙度主要取決于刀具刀尖部分的幾何形狀；刀具與工件之間之間相對運(yùn)動的進(jìn)給速度；切削振動產(chǎn)生的刀具與工件之間的相對位置變化等。因此改善進(jìn)給量；背吃刀量；切削速度等因素就可以很好的改善車削表面粗糙的加工質(zhì)量。 車銑加工將車削和銑削加工有機(jī)結(jié)合在一起，利用車銑合成運(yùn)動對工件進(jìn)行加工，特別適合大型軋輥、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、曲軸等大型、精密復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件的高效粗加工和精密加工，是實(shí)現(xiàn)所謂“全部加工”和“一次性完成的加工”的先進(jìn)制造工藝。采用告訴車銑技術(shù)不但可以大幅度提高生產(chǎn)效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，是1種高金屬去除率的“整體制造”技術(shù)。車銑加工表面粗糙度則主要取決于殘留面積的高度計(jì)算，所以，改變殘留面積高度（如上文分析）就可很好的改善車銑加工表面粗糙度。 如果已加工表面的走刀痕跡比較清楚，說明影響表面粗糙度的主要因素是幾何因素，就應(yīng)首先考慮減小殘留面積高度。減小殘留面積高度的方法，首先是改變刀具的幾何參數(shù)，增大刀尖圓弧半徑r和減小副偏角。采用帶有=0的修光刃的刀具或精車刀。精車刀是生產(chǎn)中降低加工表面粗糙度所采用的方法。不論是是增大r、減小，或是用寬刃刀都能注意避免振動。減小進(jìn)給量f，也能有效地減小殘留面積高度，但減小進(jìn)給量f會降低生產(chǎn)效率，所以只有在改變刀具的幾何參數(shù)后會引起其他不良影響時(shí)才考慮減小進(jìn)給量f。 如果已加工表面出現(xiàn)鱗刺或切削速度方向有積屑瘤引起的溝槽，那么就應(yīng)從消滅積屑瘤和鱗刺著手。可采用更低或較高的切削速度，并配合較小的進(jìn)給量，可有效地抑制積屑瘤和鱗刺的生長。在中、低速切削時(shí)加大前角，同時(shí)適當(dāng)?shù)脑龃笠恍┖蠼菍σ种品e屑瘤和鱗刺有一定的效果。 4 結(jié) 論 車銑加工技術(shù)作為一門新興的先進(jìn)制造技術(shù)，具有加工表面質(zhì)量好、加工過程不需冷卻生產(chǎn)效率高、熱應(yīng)力和切削力小、可代替車削實(shí)現(xiàn)難加工材料的高速精密加工等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為機(jī)械制造領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)，發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍日益廣泛，必將成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高精密加工技術(shù)之一。 通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我能夠?qū)镜闹R做進(jìn)一步的了解與學(xué)習(xí)，對資料的查詢與合理的應(yīng)用做了更深入的了解，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是自己對我們在大學(xué)期間所學(xué)的課程進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用與綜合的學(xué)習(xí)。 致 謝 首先，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師馬老師。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，他給予了我學(xué)術(shù)和指導(dǎo)性的意見。我萬分的感謝他給我的寶貴的指導(dǎo)意見和鼓勵(lì)。 我也非常感謝我的父母和我的同學(xué)。在學(xué)習(xí)和生活上，他們一直都很支持我，使我能全身心地投入到學(xué)習(xí)中。 最后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的人們。感謝您們抽出寶貴的時(shí)間來閱讀這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。 參考文獻(xiàn) [1]范興則，郭前建，曹煥玲. 高速車銑加工---一種新型的精密加工技術(shù)[J]，浙江林學(xué)院工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2002 11 (9):11-13 [2]王洪祥，孫濤，張龍江，張昊.超精密車削表面粗糙度的控制[P] 黑龍江科技評估中心 2002 [3]黃書濤,姜增輝,賈春德等.干式高速車銑時(shí)金屬陶瓷刀具磨損機(jī)理研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2001 4 (3):24-26 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