车铣加工表面粗糙度的形成机理

目 录 1 绪论 . 1 1.1 车铣加工的特点及分类 . 1 1.2 车铣加工技术的国内外研究进展 . 3 1.3 本文主要研究内容 . 4 2 车铣的加工形式分析 . 4 2.1 运动分析 . 4 2.2 水平运动模型 . 5 3 车削及车铣加工表面粗糙度的影响因素分析 . 8 3.1 切削加工中的表面粗糙度及其控制 . 8 3.1.1 残留面积产生的粗糙度 . 9 3.1.2 切削过程中不稳定因素产生的粗糙度 . 10 3.1.3 影响表面粗糙度的主要因素 . 11 3.2 车削加工的表面粗糙度 . 12 3.2.1 车削的主要加工范围 . 12 3.2.2 影响车削加工表面粗糙度的主要因素 . 13 3.3 车铣轴向残留面积高度计算 . 14 3.3.1 无偏心正交车铣轴向残留面积高度计算 . 14 3.3.2 偏心正交车铣轴向残留面积高度计算 . 17 3.4 车铣加工和车削加工的比较与改进措施 . 20 4 结 论 . 20 致 谢 . 22 参考文 献 . 23 1 1 绪论 车铣 技术是 20世纪 80年代初在发达国家发展起来的一种新型的机械加工方法，它以全新的概念开辟了机械加工领域的新纪元，并成为 20世纪 90年代以来西方各国竞相研究和开发的热点高新技术之一。 车铣加工将车削和铣削加工有机结合在一起，利用车铣合成运动对工件进行加工，特别适合大型轧辊、发电机转子、曲轴等大型、精密复杂回转体零件的高效粗加工和精密加工，是实现所谓“全部加工”和“一次性完成的加工”的先进制造工艺。采 用告诉车铣技术不但可以大幅度提高生产效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大优于传统的机械加工，是 一 种高金属去除率的“整体制造”技术，被世界公认为最具技术带动性、高技术覆盖面广的关键先进制造技术，具有广阔的发展和应用前景，事机械制造流域的重要发展方向。 1.1 车铣加工的特点及分类 传统的车削和铣削加工中，离心力对卡盘和刀具的影响河大，工艺性和经济性往往成为切削速度和加工精度提高的瓶颈而制约其进一步发展。高速车铣加工技 术则是将工件的旋转运动和刀具的旋转运动相结合，同时给予刀具和工件 旋转运动的先进加工方法， 它充分发挥了高速铣削力小、加工过程产生的热量对工件影响小、加工表面质量好等优势， 一 次装夹就可以完成平面和槽、圆柱表面和孔加工等工序，形为误差较小。由于其具有加工速度快、加工表面质量高、刀具和工件残留热应力小、切削短、易实现加工过程自动化等优点，起研究应用范围日益扩大，用于回转对称零件的精密加工时甚至可以代替磨削加工，因此，它是今后将车削、铣削和钻削加工综合在一起而大力发展的新技术，是对传统机械加工方法和概念的拓展和提升。 如图 1 所示， 根据刀具几何形状和切削运动的不同，车铣加工大致可分为轴向车铣 (coaxialturn-milling)和正交车铣 (orthogonal turn-milling)两种形式，按照铣刀与工件相对运动方向的不同又可以分为顺铣和逆铣两种情况。轴向车铣时，刀具和工件的轴线平行，铣刀作高速旋转运动，工件作低速回转。该方法适合于回转对称工件内、外表面的加工，正交车铣中刀具的 轴线于工件的轴线相垂直，主要用于 轴对称回转体的外表面加工。在高的切削熟读条件下将车削和铣削技术相组合，是的车铣加工具有以下优点： 2 图 1 车铣 加工 示意图 一 （ 1）由于工件转速低，车铣加工过程切削力小，离心力对工件变形 影响小，轴线方向的振动频率小，加工表面尺寸、形状精度高，尤其适合薄壁零件的加工。 （ 2）车铣加工属多刃切削，整个加工过程中总是同时有多个切削刃于工件保持接触，切削振动小，减少了刀具的磨损，对大型回转体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）车铣是间断切削，切削较短，易于排屑，甚至在加工塑性材料时也是如此。同时，间断切削使刀具有一定得冷却时间，刀具切削温度相对较低，切削区的热量不断由切削快速带走，使被加工工件的表面残留的热量很小，加工表面基本上午热应力产生热变形。 （ 4）当刀具 于工件的速比足够大时，可获得很高的表面质量，可与磨削相媲美；通过对切削参数进行优化，还可以对大型非对称工件和小直径零件进行加工。 （ 5）切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，从而不需要使工件高速旋转就能实现高速切削，有利于对大型回转体工件进行高速切削，以及实现难加工材料的干式切削。 3 （ 6）需车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件能在 1 次装夹中完成加工，不需要更换机床，缩短生产周期，避免重复装夹的误差。 （ 7）与传统车削相比，车铣极易实现高速切削，而高速切削的一切优点可在车铣中得以体现。如切削力比传统切削 可下降 30%。机床和刀具承受的负荷小，也有利于机床精度的保持。 1.2 车铣加工技术的国内外研究进展 车铣加工技术是由德国于 20世纪 80年代最早研究开发的。目前，对车铣技术的研究主要集中在道具的磨损机理、表面质量和加工表面的完整性、切削形成机理以及硬质材料切削等方面。对滚柱轴承座圈进行了高速车铣加工，研究了轴向车铣和正交车铣中切削条件、刀具和工件相对位置以及刀具几何形状等几何精度和加工表面质量的影响，加工表面粗糙度达到aR0.5 以下。 1 美国 研究了高硬度材料的取、进给度的优化，以及车铣加工中切削的形成机理。当以优化的参数用 CBN 刀具切削 100Cr62（ HRC62）时，工件表面粗糙度Rz gn，所以 角很小，由（ 20）和（ 21）可知 1rk rk ， 即rdk rk同时，由于角 很小， 17 ,rd r dk k r r 当 g dn k mnz（ k,m 为 1 的不可约整数）时，切削过程中，工件转动 k转铣刀刀齿在圆周上的啮合方位才能实现重合。但对于 mk 的高速正交车铣，刀具每转一个齿间角工件所转角度 很小，所以，当工件每转过一转后，虽然刀齿与工件啮合方位与前一转不重复，但根据对前述假想副切削刃的分析，仍可近似用式（ 17） -（ 19）计算其已加工表面轴向残留面积高度。 综上所述，对于 无 偏心高速 正交车铣，其理论轴向残留面积高度可用式（ 17）-（ 19）来计算。而且，从上述分析可知，在计算无偏心高度正交车铣理论向残留面积高度时可省略附加副偏角 2rk 的影响，所以，理论 上采用逆铣还是顺铣方式对已加工表面粗糙度没有太大影响。 3.3.2 偏心正交车铣轴向残留面积高度计算 偏心量 0e 的偏心正交车铣轴向残留面积高度的计算模型如图 11 所示，其中，0L为 铣刀端面刃（副切削刃）长度。 与无偏心高度高速正交铣的分析相同，由于dngn，偏心高速正交车铣工件已加工表面轴向残留面积高度可由图 11A-A 剖面来计算。 图 11 中， A-A 剖面上残留面积高度可由铣刀中心在 1O 刀齿处于 FO1 位置时主切削刃在 A-A 剖面的投影与铣刀中心在 2O 、刀齿副切削刃从 EO2 转至 FO2 对EF 切削所形成的轮廓线决定。在此引入 A-A 剖面内假想切削刃的概念。定义刀齿处于 FO1 位置时主切削刃在 A-A 剖面上的投影为假想主切削刃，刀尖在 A-A剖面上的投影轮廓为假想刀尖；在 A-A 剖面上，轮廓与铣刀中心在 2O ，刀齿副切削刃从 EO2 转至 FO2 切削 EF 后的轮廓重合的线段定义为假想副切削刃。相应的假 想主偏角、假想副偏角、假想刀尖圆弧半径分别用rak、rak和ar表示。 根据投影关系，可以得出 18 ()a 0 De r L (b) Dr L e r (c)刀刃在 AA 剖面投影模型 图 11 偏心正交车铣轴向残留面积高度计算模型 t a na r c t a n c o srra kk 式中：rk为刀齿主偏角， 22c o s rer 当 0De r L 或Dr L e r 且 m a x 22m a x22zzzfff r e 时， A-A 剖面上假想副切削刃的副偏角rak可由下式确定： 19 1 2 1 t a n, a r c t a n rr a r r r zkk k k k L f 式中： L 为铣刀中心在 2O 时，对 EF 线段进行切削的刀齿副切削刃长度， 12 22 c o s zL r e r f ， rk 为刀齿副偏角。 从图 11 可见 2rk 与逆铣、顺铣无关，均为 12 2 2 22t a na r c t a nirzR R Rk f 式中： ;gi i idn n 为副切削刃切削 F 点时从 EO2 所转过的角度，2i EO F ，可由作图求出； R 为工件已加工表面半径。 当刀齿处于 FO1 位置时，刀尖圆弧刃在 A-A 剖面上的投影为一椭圆圆弧短，起长轴半径为 r，段轴半径为 cosr 高速正交车铣加工所用工具为立铣刀，副偏角很小，所以，参与已加工表面残留面积高度形成的圆弧刃高度很小，当刀齿圆弧刃向 A-A 剖面投影成椭圆弧后，参与已加工表面残留面积高度形成的椭圆弧部分可近似用其顶点的曲率圆弧代替，如图 11（ c）所示。设曲率圆弧半径为ar则根据文献 16 可得 2co sarr 按假想切削刃将rak、rak、ar代替式（ 17） -（ 19）中的 ,rrk k r，即可计算偏心正交车铣已加工表面轴向残留面积高度。从图 11（ c）可以看出，偏心量 e越大，ar越小，轴向残留面积高度越大。 对于Dr L e r ， 且 max 2zz ff 的情况（见图 11（ b） ,副切削刃在切削EF 段时，在 I 点 2 1 2O I O O形成一残留面积高度极值点，其大小为 t a n t a nf i rh r e R k （ 22） 式中：giidn n，2i EO I 显然式（ 22）要求 t a n iDr e R L 在确定了工件已加工表面轴向残留面积高度后，就可以计算由轴向残留面积高度决定的理论轮廓算术平均偏差aR。根据文献 17 ，轮廓最大 高度是aR的 47 20 倍，即 47fahR 3.4 车铣加工和 车削加工的比较 与改进措施 车削是通过工件旋转进行切削的一种加工方式。 在车床上可以加工各种回转体表面 。 车削加工表面粗糙度主要取决于刀具刀尖部分的几何形状；刀具与工件之间之间相对运动的进给速度；切削振动产生的刀具与工件之间的相对位置变化等。因此改善进给量；背吃刀量；切削速度等因素就可以很好的改善车削表面粗糙的加工质量。 车铣加工将车削和铣削加工有机结合在一起，利用车铣合成运 动对工件进行加工，特别适合大型轧辊、发电机转子、曲轴等大型、精密复杂回转体零件的高效粗加工和精密加工，是实现所谓“全部加工”和“一次性完成的加工”的先进制造工艺。采用告诉车铣技术不但可以大幅度提高生产效率，而且加工精度和加工表面的完整性都大大优于传统的机械加工，是 1种高金属去除率的“整体制造”技术。车铣加工表面粗糙度则主要取决于残留面积的高度计算，所以，改变残留面积高度（如上文分析）就可很好的改善车铣加工表面粗糙度。 如果已加工表面的走刀痕迹比较清楚，说明影响表面粗糙度的主要因素是几何因素，就应首先考虑减小 残留面积高度。减小残留面积高度的方法，首先是改变刀具的几何参数，增大刀尖圆弧半径 r和减小副偏角 rk 。采用带有 rk =0的修光刃的刀具或精车刀。精车刀是生产中降低加工表面粗糙度所采用的方法。不论是 是增大 r、减小 rk ，或是用宽刃刀都能注意避免振动。减小进给量 f，也能有效地减小残留面积高度，但减小进给量 f会降低生产效率，所以只有在改变刀具的几何参数后会引起其他不良影响时才考虑减小进给量 f。 如果 已加工表面出现鳞刺或切削速度方向有积屑瘤 引起的沟槽，那么就应从消灭积屑瘤和鳞刺着手。可采用更低或较高的切削速度，并配合较小的进给量，可有效地抑制积屑瘤和鳞 刺的生长。在中、低速切削时加大前角，同时适当的增大一些后角对抑制 积屑瘤和鳞刺有一定的效果。 4 结 论 车铣加工技术作为一门新兴的先进制造技术，具有加工表面质量好、加工过程不需冷却生产效率高、热应力和切削力小、可代替车削实现难加工材料的高速精密 加工 等优点，近年来成为机械制造领域研究的焦点，发展迅速，应用范围日益广泛，必将成为 21世纪最具发展前景的高精 密加工技术之一。 21 通过本次的毕业设计，使我能够对书本的知识做进一步的了解与学习，对资料的查询与合理的应用做了更深入的了解，通过这次毕业设计是自己对我们在大学期间所学的课程进行了实际的应用与综合的学习。 22 致 谢 首先，我要感谢我的毕业设计指导老师马 老师。在毕业设计中，他给予了我学术和指导性的意见。我万分的感谢他给我的宝贵的指导意见和鼓励。 我也非常感谢我的父母和我的同学。在学习和生活上，他们一直都很支持我，使我能全身心地投入到学习中。 最后，很感谢阅读这篇毕业设计（论文）的人们。感谢您们抽出宝贵的时间来阅读这篇毕业设计（论文）。 23 参考文献 1范兴则，郭前建，曹焕玲 . 高速车铣加工 -一种新型的精密加工技术 J，浙江林学院工程学院 学报 , 2002 11 (9):11-13 2王洪祥，孙涛，张龙江，张昊 .超精密车削表面粗糙度的控制 P 黑龙江科技评估中心 2002 3黄书涛 ,姜增辉 ,贾春德等 .干式高速车铣时金属陶瓷刀具磨损机理研究 J.制造技术与机床 ,2001 4 (3):24-26 4武文革，庞学慧，季梦群 .车铣加工的运动学模型与切屑形成机理 J， 华北工学院学报 , 2003 12 (8):