车铣复合加工装置设计及应用机械制造专业

1、- I -摘 要车铣复合加工是利用铣刀与工件的旋转合成运动来达到加工的目的，这种加工方法能够在工件转速较低的情况下实现高速切削，能够获得比普通车削更好的加工质量，特别适用于刚度较低的细长轴类工件的切削加工。论文在将普通车床改造为车铣复合机床的基础上，开展一系列车铣试验，并将车铣与普通车削进行对比，主要工作如下：基于普通卧式车床改造车铣复合加工机床，确定了机床整体布局方案，完成了铣削主轴选型。通过实验观察车铣加工工件表面微观形貌，研究了车铣复合加工表面微观形貌随切削参数的变化规律；以表面粗糙度为判断依据，研究了工件转速、铣刀转速和切削厚度对工件表面质量的影响，得到的优化切削参数为：工件转速 90

2、 r/min，铣刀转速16000 r/min，切削厚度 0.1 mm。利用 workbench 软件对细长轴进行动力学特性分析，解释了车铣加工过程中产生共振现象的原因；为验证加工细长轴等弱刚度件时车铣切削与普通车削相比更具优势，开展细长轴车削、车铣对比试验。试验结果指出，车铣可以明显改善细长轴车削加工过程中挠曲现象，工件表面质量获得一定程度的改善。在优化参数下反向车铣加工10 mm240 mm 细长轴，工件尺寸误差仅为 0.015 mm。关键词：车铣；不锈钢；细长轴车铣复合加工装置设计及应用- II -Design and Application of Turn-milling Composi

3、te MachineAbstract Turn-milling composite machine makes use of the rotation of the cutter and workpiece to achieve the processing. This processing method can achieve high-speed cutting under the condition of low speed of the workpiece and it can get a better surface quality, it particularly applies

4、to the processing of slender workpiece. This paper is about the transformation of lathe into turn-milling machine and some relevant experiments. By comparing turning to turn-milling, the main works are as follows: Finishing the transformation of the lathe into turn-milling machine, determining the l

5、ayout of the turn-milling machine, completing the selection of the milling spindle.Through experiments, observe the microstructure surface of the workpiece, research the influence of cutting parameters, based on the surface roughness, research the speed of workpiece and the cutting tool and the thic

6、kness of cutting to the impact of surface quality .Turn-milling experiments optimized parameters are as follows: workpieces speed is 90 r/min, cutting speed is 16000 r/min, cutting thickness is 0.1 mm. Using workbench to analyze dynamics characteristics of slender axis, explain the reason of the vib

7、ration of the cutting. In order to prove turn-milling can obtain better surface quality compared with turning, there are some turn-milling and turning experiments. From the experiments, it can conclude that turn-milling can markedly improve the deflection phenomenon of the machining process and the

8、quality of the workpiece surface gets better. Use the optimized parameter to cut the slender axis whose size is 10 mm240 mm, the workpieces dimension error just is 0.015 mm.Key Words：Turn-milling; Stainless Steel; Slender Axis车铣复合加工装置设计及应用- III -目 录摘 要 .IAbstract .II1 文献综述.11.1 选题背景和研究意义.11.2 车铣复合切削

9、研究综述.21.2.1 国外研究综述.21.2.2 国内研究综述.31.2.3 车铣发展趋势.41.3 细长轴切削加工工艺.51.3.1 传统加工.51.3.2 新兴加工.71.4 论文主要研究内容.82 车铣原理及装置设计.102.1 车铣加工概述.102.1.1 车铣加工定义.102.1.2 车铣加工特点.112.1.3 车铣技术主要内容.112.2 车铣复合加工机床改造.122.2.1 机床整体布局方案.122.2.2 铣削主轴选型.122.2.3 车铣复合加工机床.142.3 本章小结.153 正交车铣切削加工试验.163.1 试验装置和试验条件.163.1.1 试验装置.163.1.

10、2 试验条件.163.2 工件表面微观形貌.173.2.1 微观形貌.173.2.2 加工参数对表面形貌影响.183.3 工件表面质量影响因素.203.3.1 工件转速.20车铣复合加工装置设计及应用- IV -3.3.2 铣刀转速.213.3.3 切削厚度.223.3.4 优选切削用量.223.4 刀具磨损试验分析.233.4.1 前刀面磨损.233.4.2 后刀面磨损.233.4.3 涂层脱落.243.4.4 微崩刃和碎断.253.5 本章小结.254 弱刚度件正交车铣切削加工.274.1 弱刚度件动力学分析.274.1.1 机械加工中的振动.274.1.2 正交车铣细长轴模型建立.284

11、.1.3 细长轴动力学分析.284.2 细长轴切削加工.304.2.1 细长轴车削车铣对比试验.304.2.2 不同走刀方式.334.2.3 大长径比细长轴车铣加工.334.3 本章小结.34结 论.35参 考 文 献.36致 谢.38车铣复合加工装置设计及应用11 文献综述1.1 选题背景和研究意义车铣复合加工是通过铣刀与工件旋转的合成运动来完成对工件的切削加工。车铣复合加工较易实现高速切削，且工件表面质量好、加工精度高，是一种具有广阔应用前景的加工技术。车铣复合加工包括工件旋转、铣刀旋转、铣刀轴向进给、铣刀径向进给四个基本运动。车铣加工速度由铣刀和工件转速共同决定，其中铣刀旋转是主运动，尤

12、其是，在高速、超高速加工过程中，工件转速对加工速度产生的作用可忽略不计。车铣复合加工的进给速度由工件转速、铣刀轴向进给和径向进给速度三个基本速度共同作用，其中工件转速对进给速度的影响远远大于另外两个速度。铣刀的进给运动依不同的加工需求，可以选择径向进给或轴向进给，也能够两者同时选择。按工件旋转轴线和刀具旋转轴线相对位置的差别，车铣复合加工可分成正交车铣、轴向车铣、以及普通车铣。由工件轴线与刀具轴线在空间上的位置区别，可分为上偏心、无偏心、下偏心 3种情况。由工件和刀具在接触点转向的不同，它们又可以分为顺铣和逆铣两种不同的加工方式，其中应用最为普遍的两种加工方法是轴向车铣与正交车铣，它们都具有各

13、自的优势以及局限性。常将长径比大于 25 的轴称为细长轴，在生产加工上有大量的应用。如机床上的光杠、丝杠、发动机的凸轮轴、机械传动系统中的活塞杆等均为常见的细长轴类工件。此外，在纺织、印刷、造纸等行业中有许多由无缝钢管制成的细长轴类导辊。这些细长轴类工件的加工精度、表面质量对机械工程领域中机械设备性能的充分发挥有着重大影响。细长轴类工件刚度低，切削过程中易产生变形、振动现象,加工精度低1；轴向尺寸大且通常采用小进给量切削，切削热作用引起的工件变形较大；同时，刀具磨损较快，被加工工件容易产生各种形状误差；此外，细长轴切削过程中对刀具、夹具、辅具、切削用量优选等要求较高，对车间工作人员提出新的挑战

14、。随着汽车、飞机、航空航天、造船、兵器工业等领域的快速发展，对细长轴类工件的加工精度、表面质量要求越来越高，因此寻找新的切削加工工艺，实现细长轴类工件高质高效加工日益重要。车铣复合切削加工技术能够实现工件低速旋转而工件高速切削。高速切削时工件表面质量较好，切削过程中切削力较小，细长轴类工件受力变形较小，因而可以实现细长轴类工件高质、高效加工，具有广阔的发展前景。车铣复合加工装置设计及应用21.2 车铣复合切削研究综述车铣复合切削加工与传统切削方法相比，在改善加工质量、提高加工效率等方面潜力更大；此外，车铣复合切削特别适用于难加工材料切削、重型回转体切削、大型薄壁回转体切削、超高速切削等领域。近

15、年来，国内外学者对车铣技术相关理论、车铣复合工艺应用等方面开展了广泛的研究。1.2.1 国外研究综述1955 年德国的 H. Weber 通过归纳自身众多生产实践经验，在生产技术期刊上发表了一篇名为用硬质合金刀具铣削圆柱表面的文章，首次提出了用铣刀加工外圆表面的思想，开辟了轴向车铣切削研究的先河2。详细介绍了铣削外圆柱表面时主要切削参数的选用，并对加工后的表面质量、成形精度进行了研究。1983 年德国的 K. P. Sorge 在他的博士论文车铣技术里系统的介绍了车铣加工的另一种成形方法正交车铣，对正交车铣的切削运动原理、切削力、切削速度、已加工工件表面精度等展开了开拓性的研究工作2。1990

16、 年德国的 H. Schulz 等3将高速切削技术与车铣技术结合，并将其用于 100Cr6 轴承滚子切削加工，重点考察被加工工件的加工精度和表面质量。实验结果表明：车铣复合切削技术适合外圆表面的精密超精密切削加工。1997年 J. Kopac 和 M. Pogacnik 等4重点考察了车铣切削参数对加工工件质量影响。实验结果表明：刀具工件相对位置、加工振动对工件表面质量影响较大；与车削、铣削相比，车铣复合切削工艺更灵活、效率更高，适合小批量生产。2000 年印度的 Dr. S. K. Choudhury 等5开展了正交车铣黄铜、中碳钢相关实验。实验结果表明：与车削相比，车铣加工工件表面质量较普

17、通车削提高 10 倍以上；此外，车铣较普通车削相比，有自动断屑方面的优势。2000 年，斯洛文尼亚学者 M. Pogacnik 等人6首次提出，限制车铣技术广泛应用源于切削过程中的不稳定性，详细介绍了通过优化切削参数避开车铣共振区域，抑制刀具磨损。2007 年，土耳其学者 Vedat Savas 等7提出了一种新的车铣加工的成形方法切向车铣，探索了切向车铣工艺极限加工能力，结果表明：切向车铣加工工件表面质量接近磨削加工，加工成本与磨削比相对较低。2008 年，Vedat Savas 等8采用遗传算法对切向车铣加工工件表面粗糙度进行优化。2014 年，土耳其学者 Emre Uysal 等9重点考

18、察了偏心效应对正交车铣加工工件表面质量、刀具磨损的影响。实验表明：通过优化处理改变偏心距，被加工工件表面质量能够进一步提高，且可以减少加工刀具的磨损。 从车铣加工中心产品角度来看，在 20 世纪 80 年代，奥地利的林茨机床公司（WFL）率先提出了全工序加工的概念即在一次装夹中，完成被加工工件的所有车铣复合加工装置设计及应用3车、铣、钻、镗等工序。在 20 世纪 90 年代国外研究并开发出高性能的 CNC 车铣复合加工中心。进入 21 世纪，将九轴五联动双主轴双刀架的车铣复合加工中心已较成熟推向市场。随着 CNC 机床产品新技术功能部件的商业化，开展研发数控车铣加工中心机床的厂商越来越多，竞争

19、加剧，使机床产品的发展更为迅猛。随着生产的需要，车铣复合加工中心，有了更快的发展，为满足高精度回转体零件一次装夹完成精密切削而研发的五轴到九轴车铣复合加工中心，可以实现五轴联动切削加工。从近年来德国汉诺威国际机床展上，展出的 CNC 车铣加工中心机床来上来看，其数量和种类逐年增加，有的甚至能够以车或铣带替磨削加工，充分展示车铣中心机床向高速、高效、高精、柔性化、智能化、模块化领域发展；数控功能部件向专门化、开放式、智能型方向发展；机床产品的性价比朝着有利于用户的方向发展。1.2.2 国内研究综述20 世纪中期，国外兴起的旋风铣削加工技术被引进国内，并被运用到机械加工生产实践中，吸引了国内一大批

20、学者的研究兴趣，并对其相关技术展开研究。20 世纪 60年代，北京手扶拖拉机厂10率先对旋风铣削加工技术进行研究及对此类机床进行研制，并用旋风铣削成功取代八、九级丝杠加工工艺中的精车工序,大大提高生产加工效率。20 世纪 90 年代，国内学者开展了一系列螺纹旋风铣削实验研究。刘志锋等人10分析了影响旋风铣削螺纹齿形精度的因素，得出了最佳铣头倾角和其他影响齿形精度参数的规律。陈铁成等人11介绍了在数控镗铣床上,用旋风铣削的方法加工大型内圆锥螺纹的加工原理、加工工艺条件等。近 20 年来，国内一些学者开始集中展开对车铣技术理论和车铣工艺应用的研究。沈阳理工大学的姜增辉、贾春德等人2对车铣相关理论展

21、开系统的研究，对车铣技术基础理论、车铣加工表面成形原理、切屑仿真、理论切削力等方面做了详细论述，奠定了车铣加工理论研究的基础。吉林大学的马岩12研究了球头铣刀车铣加工非轴对称工件的切削力模型，详细分析、计算车铣切削加工工艺参数对车铣加工切削力的影响。北京理工大学的刘克非等人13开展了一系列正交实验，重点考察了车铣加工切削参数对工件表面质量影响程度。此外，实验证实选配合理的电主轴可以抑制车铣加工过程中的振动，降低加工表面粗糙度。上海交通大学的冯付良14对轴向车铣加工进行建模，建立了轴向车铣表面形貌的计算机仿真系统，通过模型找出了影响工件表面质量、表面微观形貌的主要切削参数。车铣技术相关理论的研究

22、在国内取得显著的成就，随着新一代车铣复合加工中心的成功研制，越来越多学者开始对车铣技术相关理论应用于机械加工生产实践的研究。车铣复合加工装置设计及应用4沈阳理工大学的刘炜等人15率先开展弱刚度细长杆类零件实验研究，实验结果表明：对刚度较低细长杆，与传统车削加工相比，正交车铣加工可以得到更好的表面质量和更高的加工精度。黄巍等16根据等截面横向振动理论，建立了正交车铣加工细长杆的动力学模型，模拟结果表明：车铣加工中的振动系统能够对细长轴切削加工过程中的强迫振动起到一定程度上的抑制作用。北京理工大学的刘克非等17将车铣复合技术用于硬铝合金微细轴切削加工技术，实际加工出长径比为 8 mm/0.2 mm

23、 的微细轴。东北大学的仲小正等18开展了变导程变深度螺杆的车铣复合加工工艺的研究，实验证明了变导程变深度螺杆车铣复合加工工艺的可行性；通过优化实验参数，可以显著提高生产效率、改善工件表面质量。东北大学的田中梓等19建立了车铣加工叶片铣削力预测模型，并分析了铣削力对加工过程的影响及如何避免颤振等问题，为高速车铣加工叶片及其他复杂曲面零件提供理论指导。沈阳理工大学的吴波等20将车铣复合技术用于难加工材料钛合金的切削加工，开展一系列正交实验得到了高速车铣切削加工 TC4 钛合金时的表面粗糙度数学模型，并对刀具的磨损情况开展相关分析。1.2.3 车铣发展趋势从国内研发的车铣复合加工中心产品来看，制造出

24、产品的时间比较晚，大部分出现在 21 世纪初，尤其是开发大型的 CNC 九轴五联动车铣复合加工中心。从 2005 年、2007 年两届北京国际机床展览会来看，国内迫切需要研发这种高品质的机床，机床主要生产商近年来都在谋求产品研发途径，有些合资，有的引进国外先进技术，都在大力开发适应消费需求的高品质产品。随着我国经济的发展和国防建设的需要，对高品质的数控机床产品提出了急切的需求。通过研发人员的不断探索实践，如今，我国数控机床产业已经取得较大的成绩，尤其是沈阳机床集团和大连机床集团，在研究车铣复合加工中心方面已经取得实质性的突破。大连机床公司研发的 CDH25 型九轴五联动车铣复合加工中心，双主轴

25、双刀架，一次装夹即可完成所有加工工序，极大地提高了生产效率；沈阳机床集团研发的 HTM63150iy 车铣复合加工中心，该机床特别适用于军工、航空、航天等领域复杂零件的切削加工。现今世界机床领域发展的趋势是复合加工技术，复合加工机床已成为各国机床制造业研发的热门产品。新型复合加工中心主要呈现以下特点：（1）配有仿真系统机床生产商同 CAM 软件开发商之间合作越来越紧密，许多车铣复合加工中心都配有仿真系统，这些仿真系统大体上能够对车铣加工中心进行模拟、程序校验、自动生成程序代码、CNC 程序优化等功能，大大提高加工效率以及生产的安全性。（2）多轴控制扩大机床生产加工能力车铣复合加工装置设计及应用

26、5车铣加工中心有新的发展，现今机床大多数为双主轴双刀架九轴控制实现五轴联动，此机床能够在一次装夹完成所有工序。（3）高速度、高质量、复合化、智能化目前国内车铣复合加工中心体现出高速度、高质量、复合化、智能化的发展方向，其主轴转速可达（2000030000）r/min，进给速度可达（3050）m/min，加速度提高了 20%，一般都实行闭环控制。1.3 细长轴切削加工工艺细长轴类工件长径比较大，切削过程中容易在切削力作用下,受力弯曲变形且极易产生振动现象，其加工一直困扰着一代代工艺人员。国外学者对这方面研究较少，其研究主要集中在加工机理方面。近年来，国内一些学者对细长轴新兴加工工艺进行了一系列探

27、索。新兴加工工艺主要包括双刀车削法、砂带磨削法、误差补偿法等。1.3.1 传统加工切削细长轴时，除了要解决由细长轴的刚性不足引起的弯曲、振动现象之外，在加工中也易出现锥度、中凹度、竹节形等误差。夹拉车削法、反向车削法、跟刀架法作为传统细长轴加工工艺,在改善上述误差方面效果显著，并且至今仍在使用。（1）夹拉车削法夹拉车削加工时，工件不再处于传统的一夹一顶装夹状态，而是一夹一拉。华北工学院的庞学慧等人21在砂轴国产化项目中首次将轴向夹拉工艺用于细长轴的车削加工，实现了24 mm970 mm 细长轴切削加工，加工后细长轴尺寸公差值为0.054 mm，全程直线度为 0.06 mm。图 1.1 为庞学慧

28、等人设计的夹拉头的结构简图。图 1.1 夹拉头结构（2）逆向车削法华北工学院的武文革等22提出了可逆向切削加工理论，研究了逆向车削的运动方式及其特点，其示意图如图 1.2 所示。在国内首次将逆向车削用于细长轴切削加工实践车铣复合加工装置设计及应用6中，建立了细长轴正向、逆向车削弯曲变形的力学模型，并实验验证了力学模型的合理性。张于贤等人23分析了正向、逆向切削条件下，切削力引起的加工变形对细长轴尺寸误差的影响，实验结果表明：逆向车削细长轴的尺寸误差都要比正向切削小。图 1.2 逆向车削示意图（3）跟刀架法跟刀架是一种径向支撑旋转工件的辅助装置，在细长轴切削加工时，与工件一起轴向移动，限制细长轴

29、切削过程中的振动。山东莱芜纺织机械厂的朱光荣等人24首先在 C616 车床上使用简易跟刀架对10 mm200 mm 的小轴进行切削加工，较好的解决了细小轴切削中出现的“中凸”现象。吉林职业技术学院的李晓舟等人25研制出用于细长轴切削加工的磁力跟刀架，其工作原理图如图 1.3 所示。应用磁力跟刀架进行细长轴切削实验研究，实验表明：磁力跟刀架在减小工件鼓形误差、提高工件表面质量、提高生产率上明显优于普通跟刀架；在一般工艺条件下，在 CA6140 卧式车床上使用磁力跟刀架切削30 mm1000 mm 细长轴时，鼓形误差可达 0.02 mm 以下，工件表面粗糙度达 Ra1.6 m，工件最高转速可达 1

30、400 r/min。图 1.3 磁力跟刀架辅助切削车铣复合加工装置设计及应用7传统细长轴切削工艺在一定程度上解决了细长轴切削加工中的误差问题，但他们也有一些不足。夹拉车削需要设计一套专用夹头工装，且工件对中问题较困难。逆向车削法需要设计专用刀具，加工成本增加。跟刀架车削需要保证机床主轴、跟刀架、顶尖三者同心，对机加工操作人员提出了更高的要求。1.3.2 新兴加工（1）双刀车削法图 1.4 双刀车削西华大学的邓志平等人26为解决细长轴切削过程中，由切削力引起的弯曲变形较大问题提出了双车刀同时切削方法，双刀车削工作原理图如图 1.4 所示。应用双车刀切削法进行细长轴切削实验，实验表明：双刀车削方法

31、可以极大地提高加工精度和切削加工生产效率，减少能量消耗；在 NZ-S1500/1000 双刀塔车床上双刀车削34 mm700 mm 试件，切削速度 150 m/min，背吃刀量 1 mm，进给速度 0.6 mm/min，试件轴向尺寸误差达 0.025 mm。张正义等人27建立了对称式双刀车削受力模型，重点分析了刀具加工点位置与刀具间距的关系，确定了双刀车削刀具间距的最优解。（2）砂带磨削法图 1.5 砂带磨削法车铣复合加工装置设计及应用8华北工学院的李虹等人28率先提出开式砂带磨削加工细长轴类零件的工艺方法，开式砂带磨削工作原理图如图 1.5 所示。在 CM6125 车床横拖板完成砂带磨削设备

32、装置的搭建，对直径 10 mm50 mm，长径比 720 的细长轴进行一系列砂带磨削实验研究。实验结果表明：砂带磨削工艺技术指标为：表面粗糙度 Ra0.32 m0.68 m，尺寸精度 IT5IT7，圆度 57 级。（3）误差补偿法图 1.6 误差补偿合肥工业大学的费业泰等人29根据细长轴切削过程中，易受力、受热变形产生加工误差等特点，提出误差补偿技术实时修正加工误差，误差补偿原理图如图 1.6 所示。大连理工大学的郭建亮等人30为验证误差补偿技术，将其用于15 mm450 mm 细长轴试件的切削加工中。实验结果表明：在不改变机床精度的前提下，采用误差补偿技术，试验用细长轴试件尺寸误差从 0.0

33、7 mm 降为 0.02 mm。西华大学的邓志平等31将单片机技术引入误差补偿辅助切削细长轴，能够显著抑制尺寸误差。1.4 论文主要研究内容综上所述，传统加工虽然在一定程度上能够减小加工误差等问题，但需设计专用夹具或刀具，加工成本高；同样，新兴加工技术也存在加工装置复杂等问题，而且两者对于一些难加工材料细长轴类工件的表面质量难以保证。车铣加工细长轴能够在一定程度上降低细长轴切削受力变形，并能显著提高工件表面质量，同时能够完成难加工材料细长轴的切削加工。论文将在分析车铣复合切削理论的基础上，基于普通车床完成车铣复合机床改造，针对不锈钢、细长轴等加工对象进行车铣复合切削加工实验。主要内容包括：车铣

34、复合加工装置设计及应用9（1）分析车铣复合切削的基本原理，基于普通车床完成车铣复合机床改造；设计专用拉具，辅助细长轴切削加工。（2）利用 TiAlN 涂层刀具开展不锈钢车铣切削加工实验研究，分析工件转速、铣刀转速、切削厚度对表面质量影响规律；探索车铣切削参数对加工表面群凹槽结构影响规律；开展车铣切削不锈钢刀具磨损、刀具耐用度相关研究。（3）利用 Workbench 对细长轴进行车铣动力学特性分析，为工艺选择、切削参数优选提供理论依据。开展车削车铣加工对比试验实验，重点考察车铣切削参数对细长轴加工精度影响规律，并得出较优的工艺参数组合。正交车铣切削加工不锈钢细长轴，考察走刀方式对细长轴加工精度影

35、响。车铣复合加工装置设计及应用102 车铣原理及装置设计车铣复合加工是利用铣刀与工件旋转的合成运动以达到对工件的切削加工，其切削机理与传统切削加工方法有较大不同，并非车削和铣削的简单结合，而是在数控技术得到较快发展背景下产生的一种新的机加工方法。研究车铣复合切削的相关原理有助于全面理解刀尖运动轨迹及加工表面形成机理。本章将在充分研究车铣切削相关原理基础上，基于普通车床完成车铣复合专用机床相关改造。2.1 车铣加工概述2.1.1 车铣加工定义车铣复合加工作为目前国际上最流行的机加工工艺，其加工原理如下图 2.1 所示。切削加工时，工件、铣刀同时做旋转运动，同时铣刀沿工件轴向、径向进给包络出加工表

36、面。车铣加工不是简单的将车削、铣削功能集中到一台机床上，而是利用车铣合成运动实现各种工件表面的加工2。图 2.1 车铣加工原理图车铣加工根据被加工工件旋转轴线和铣刀旋转轴线相对位置不同，可以分为轴向车铣、正交车铣、切向车铣以及一般车铣，如下图 2.2 所示。根据铣刀和被加工工件旋转相对方向不同，车铣可分为顺铣和逆铣两种形式。轴向车铣工件轴线和铣刀轴线平行，不但可以加工外圆表面，还能用于加工内孔表面。正交车铣工件轴线和铣刀轴线垂直，加工外圆表面时纵向形成不受限制，适合细长轴类工件切削加工。切向车铣工件轴线和铣刀轴线垂直且圆周切削刃与加工工件表面相切，切向车铣加工工件表面质量较高，能够以铣代磨，用

37、于工件精密超精密加工。车铣复合加工装置设计及应用11（a）正交车铣 （b）轴向车铣 （c）切向车铣图 2.2 三种典型车铣加工方式2.1.2 车铣加工特点与传统切削加工方法相似，车铣复合切削加工只有在特定的切削加工条件下才能充分发挥车铣加工的优势。车铣加工作为当下应用最广泛的机加工方法之一，有如下优点：（1）不同于车削，车铣复合切削加工可以在工件转速较低的情况下实现高速切削。高速切削较普通切削切削力降低 30%，当用于细长轴类弱刚度工件切削加工时，工件因受切削力变形而引起的加工误差也随之降低。（2）车铣复合为断续切削加工，切屑较短，便于加工过程中自动排屑；断续切削，刀具在切削过程中周期性冷却，

38、刀具寿命更长，进一步降低加工成本。（3）多刃切削，切削加工过程较平稳；多刃切削辅以高速切削，能够大大提高生产率，降低加工成本。（4）车铣复合切削较普通车削，被加工工件的表面质量更高，使用较大的纵向进给也可以得到较低的表面粗糙度。细长轴类工件车铣复合切削加工时，工件可以在低速旋转下高速切削。高速切削中低切削力优势能够得到发挥。工件低速旋转时，离心力等引起的工件变形能够在一定程度上得到缓解。细长轴类工件切削加工通常纵向行程较长，刀具长时间切削，刀具温度较高磨损较快，车铣复合切削的刀具周期性冷却，能够在一定程度抑制刀具磨损。车铣复合切削的断续切削产生周期性激振力，一定程度抑制细长轴切削时自激振动，显

39、著改善工件表面质量。2.1.3 车铣技术主要内容车铣技术的主要研究内容有车铣基本理论、车铣切削刀具、被加工工件、切削加工过程以及车铣复合加工中心五个领域。车铣基本理论有车铣运动学与动力学、已加车铣复合加工装置设计及应用12工工件的理论表面粗糙度以及加工过程等内容，这些内容是数控车铣中心研究开发、切削刀具选择与设计和加工工艺规程制定的技术基础及研究的难点。车铣用刀具与普通铣削刀具有很大区别，因为车铣一般是用铣切削加工回转体，所以，刀具的前角、后角、刃倾角、主副切削刃等刀具结构参数与一般铣削不同。一台标准的数控车铣加工中心，至少需有 X、Y、Z、B 和 C 五个轴，其中三至五轴可联动。在这样的加工

40、中心上，可实现一次装夹完成车、铣、钻、镗等多个工序，从而减小重复装夹误差。编程是数控车铣的另一难点。由于现今开发的控制系统多数是针对车、铣、钻等传统切削加工工艺，若将其应用到数控车铣中心，一般需再次开发，且车铣切削加工是复合运动，因此，如没掌握车铣基本理论，编程将会非常困难。2.2 车铣复合加工机床改造2.2.1 机床整体布局方案本课题拟基于普通卧式车床完成车铣复合机床改造，用于中碳钢、不锈钢等各种难加工材料细长轴车铣复合切削加工。改造后机床能够实现车铣复合运动的四个基本运动：铣刀与工件的旋转运动、被加工工件的轴向进给运动及其径向进给运动。改造后的机床需要在原机床车削主轴的基础上增加铣削主轴，

41、铣削主轴可以在水平方向有相对运动，垂直方向上可以定量进给。改造后的机床整体布局如图 2.3 所示，从图中可以看出，车铣复合机床的最为重要的部件是车削主轴和铣削主轴，由于该机床是在普通车床上改造的，因此，车削主轴仍保留原有车床主轴，现在主要考虐铣削主轴。图 2.3 机床整体布局车铣复合加工装置设计及应用132.2.2 铣削主轴选型（1）主轴动力选择铣削主轴的选型是机床改造的关键流程之一，铣削主轴的运动误差特性直接影响被加工工件的表面质量和加工精度。为实现微小型零件切削加工，铣削主轴应保证能够稳定、高速旋转。目前，机床主轴动力常见选择有普通电机、气动马达和电主轴三种。普通电机的轴承一般为深沟球轴承

42、，主要承受的是径向载荷，不能承受大的轴向力，需要设计专用的机械主轴，机械主轴与电机之间通过联轴器联接，联轴器所连接的两轴，存在制造和安装误差、承载后易产生变形及受温度变化影响且结构较复杂，主轴高速旋转机构稳定性不能保证。气动主轴结构紧凑、转速高，但转速不易控制且需要稳定的高压气源，实验条件无法满足。电主轴成本不高，转速稳定可调，输出端可直接夹持刀具，具有结构紧凑、重量较轻、惯性较小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，能够简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种较为理想的装置，复合机床改造要求，试验选用电主轴为铣削主轴提供铣削动力。下图 2.4 为实验选用的电主轴。图 2.

43、4 电主轴（2）电主轴功率优选 车铣切削加工过程中，切削厚度动态变化，切削力随之变化。切削力由圆弧刃切削力和端面刃切削力两部分组成，其中圆弧刃切削力是主切削力。目前正交车铣切削力理论和经验公式研究较少，尚无确切研究结果。本文拟根据国内外相关文献及相关技术数据估算车铣过程切削力进而计算切削功率完成电主轴选型。假设：点 A 为铣刀铣削时刀齿与工件接触时的瞬间接触点；F 为点 A 处铣削力；F为点 A 处铣削力的切向分力。Fr为点 A 处铣削力的径向分力；F为点 A 处铣削力的切向分力。车铣复合加工装置设计及应用14切向分力 F的经验公式为： （2.1）0.860.720.86pFef=F Ca Z

44、aad式中：CF 铣削力系数； ae 铣削宽度；af 每齿进给量；d 铣刀直径；ap 铣削厚度；Z 铣刀齿数；径向分力 Fr 的经验公式为： （2.2）r0.85FF以不锈钢材料为例，铣刀选用硬质合金硬铣刀，铣刀直径 d=4 mm、齿数 Z=4。铣削厚度 ap=0.5 mm，铣削宽度 ae=1 mm，每齿进给量 af=0.2 mm/r。查询机加工工艺手册可知，CF=750。则：F=99.6 N，Fr=84.7 N，F=130.8 N。高速车铣加工不锈钢，切削速度最低需达到 600 m/min。铣削主轴功率为： （2.3）130.8 6001308W6060F VP为满足不锈钢高速车铣加工要求，

45、试验选用电主轴功率为 1500 W。2.2.3 车铣复合加工机床图 2.5 车铣复合加工机床试验用车铣复合机床基于德国 Walter Blombach GmbH 公司产小型车床 D6000 改造。车床床身材料为灰铸铁，整体轮廓尺寸为 1230 mm500 mm490 mm，功率为1.4 kW；主轴精度为 0.005 mm，轴向加工尺寸 100 mm，误差为 0.01 mm；主轴可以在30 r/min2300 r/min 范围内无级变速；进给量有 0.085 mm 和 0.16 mm 两档。车削主轴采用的是带传动，带传动的结构比较简单，皮带可弹性吸振，传动较平稳。拆除车床车铣复合加工装置设计及应

46、用15已有转盘和刀架装置，设计一套铣削主轴夹具工装，使铣削电主轴安装在与车床主轴相垂直的导轨上，车铣用的刀具安装在电主轴上，电主轴可沿与车床主轴垂直的导轨移动，通过进给装置调整铣刀的进给量，实现车铣复合切削加工功能。夹具工装与车床下刀架之间通过销定位保证铣削主轴与机床主轴垂直。电主轴夹具材料为铝合金材料，保证电主轴散热性良好。电主轴额定功率 1.5 kw，最高转速 24000 r/min，径向跳动量 0.01 mm，同轴度 0.025 mm。机床整体布局如图 2.5 所示。2.3 本章小结本章首先介绍了车铣复合加工基本原理及相关理论，包括车铣复合加工基本运动、车铣复合加工特点等，为后续工艺选择

47、及加工表面质量相关分析提供理论基础。然后对关键部件铣削主轴选型，基于普通车床完成车铣复合加工机床改造。车铣复合加工装置设计及应用163 正交车铣切削加工试验不锈钢材料综合特性好、耐腐蚀能力强，在航空宇航制造、航海、核电等领域获得广泛的使用。但是，材料的加工硬度大导致切削力较大、导热性差导致切削区温度较高，且传统切削加工表面质量较差，刀具磨损较严重。而车铣复合切削为断续切削，刀具与工件有一定的分离时间，能让刀具得到冷却，刀具磨损现象较轻。此外，车铣复合切削一般为高速超高速切削，加工工件表面质量较好。论文拟发挥车铣复合加工的优势，将其用于难加工材料不锈钢的切削加工。本章将通过试验研究车铣切削有关参

48、数对被加工工件表面形貌、表面质量的影响规律。研究正交车铣刀具磨损相关机理与刀具耐用度，为后续展开正交车铣工艺应用奠定基础。3.1 试验装置和试验条件3.1.1 试验装置本章全部试验都在上文改造的车铣复合机床上完成。切削使用刀具是 TiAlN 涂层硬质合金铣刀。TiAlN 涂层刀具有以下优点：材料硬度高、耐高温、热硬性好、附着力强、摩擦阻力小、导热率低，适合加工不锈钢这类难加工材料，其材料性能见表3.1。试验加工的工件是常见难加工材料 304 不锈钢，其主要组成见表 3.2。表 3.1 TiAlN 材料机械物理性能硬度导热系数氧化温度杨氏模量HVW/(mK)热膨胀系数K摩擦系数GPa272070

49、00.91.1810-690011000.10.31000表 3.2 304 不锈钢化学成分元素CSiMnCrNiSFe含量0.081.02.01820810.50.03其余3.1.2 试验条件本章试验都使用逆铣、干切削。轴向进给量为定值 0.085 mm/r，其它主要试验参数见表 3.3。试验中工件表面形貌及粗糙度用 Zygo New View5022 三维表面轮廓仪测量，用舜宇 SZM45 体视显微镜检测铣刀后刀面磨损。车铣复合加工装置设计及应用17表 3.3 主要试验参数参数名称数值工件转速 NW(r/min)60180铣刀转速 Nc(r/min)1000018000切削厚度 ap(r/

50、min)0.050.25铣刀直径 d0(r/min)4、63.2 工件表面微观形貌车铣复合加工工件表面微观形貌是由工件与铣刀旋转包络形成，不同于传统车削、铣削加工形成的表面沟槽形貌。工件加工后表面微观形貌对工件的耐磨、耐腐蚀及其他性能影响很大，研究车铣加工工件表面微观形貌有重要意义。目前对车铣加工工件表面微观形貌的试验研究偏少。本节将通过试验观察加工参数对表面形貌的影响，并研究其包含的变化规律。3.2.1 微观形貌 （a）沟槽形貌 （b）群凹坑形貌图 3.2 车铣加工工件表面三维微观形貌 (a)整数倍 (b)非整数倍图 3.3 正交车铣刀刃轨迹投影图 3.2 (a)为车铣加工工件表面出现机会较

51、少的类似车削加工的表面沟槽形貌，工件加工表面纹理线与工件轴向线形成一个夹角，这些纹理线自身近似互相平行。原因车铣复合加工装置设计及应用18是铣刀对工件转速比为整数倍，铣刀绕工件旋转一周可以形成封闭曲线，如下图 3.3 (a)。在加工中的每一周，铣刀和工件啮合位置不变，加工产生的波峰与波谷在相同的侧母线上，在加工表面产生与工件轴向成一定角度的纵向刀痕。图 3.2 (b)为车铣加工表面出现机率较多的网格状形貌，其原因是车床主轴与铣削动力头转速比会出现误差，而实际切削加工过程中铣刀对工件转速比非整数倍，铣刀绕工件旋转一周不能形成封闭曲线，如上图 3.3 (b)。切削中的每一周，铣刀和工件啮合地点不同

52、，加工产生的波峰与波谷不在相同的侧母线上，在加工表面形成错开的波峰波谷。这些错开的波峰波谷在工件表面扩展成群凹坑形貌，该形貌在微储油、减磨等领域有重要应用价值。3.2.2 加工参数对表面形貌影响（1）工件转速(a) 90 r/min(b) 150 r/min(c) 180 r/min三维形貌二维形貌图 3.4 不同工件转速车铣表面微观形貌车铣复合加工装置设计及应用19上图 3.4 为铣刀转速 14000 r/min，切削厚度 0.1 mm 时，选取三组不同工件转速进行车铣复合试验获得的工件表面微观形貌。图中蓝色部分为表面低点，红色部分为表面高点，由此可知加工表面形成类似菱形群凹坑形貌。随工件转

53、速增加，工件表面群凹坑数量减少，凹坑微观尺寸增大。工件转速减小，刀具对工件转速比增大，工件表面刀具轨迹越来越密集，啮合频率越来越高，见上图 3.4。此外，工件转速取较小值时，工件加工表面会出现大量毛刺。（2）铣刀转速图 3.5 为工件转速 90 r/min，切削厚度 0.1 mm 时，选取不同刀具转速进行车铣加工试验时获得的工件表面微观形貌。从图中可以看到，铣刀转速取 10000 r/min 时，工件表面出现大量毛刺，破坏了工件表面群凹坑形貌。随刀具转速增大，群凹坑数量变多，凹坑微观尺寸减小，这是由铣刀转速增加造成刀具对工件转速比变大引起的。当铣刀转速增加到 16000 r/min，工件表面较

54、平坦，群凹坑现象几乎不复存在。(a) 10000 r/min(b) 12000 r/min(c) 16000 r/min三维形貌二维形貌图 3.5 不同铣刀转速车铣表面微观形貌车铣复合加工装置设计及应用20工件表面的群凹坑形貌可以存储润滑油，在抗磨减阻、延长零件使用寿命等方面具有很大潜力。试验表明，适当的选择加工参数可以在工件表面产生明显的群凹坑形貌。轴向进给量、刀具对工件转速比等参数对工件加工表面群凹坑形貌有很大影响，在此次试验中，轴向进给量保持 0.085 mm/r 不变，刀具对工件转速比限制在 60150能够获得较为明显的群凹坑形貌。随刀具对工件转速比不断增大，工件表面群凹坑形貌彻底消失

55、，工件表面形成类似磨削加工可获得的平坦形貌。下图 3.6 为刀具对工件转速比取 300 时，工件已加工表面微观形貌，此时工件已加工表面较平坦，粗糙度偏低，群凹坑形貌完全消失。(a)三维轮廓(b)二维轮廓图 3.6 大转速比车铣表面微观形貌3.3 工件表面质量影响因素工件表面质量对零件的耐磨性能、耐疲劳性能、应力、耐腐蚀能力等有重要影响，而粗糙度是衡量工件表面加工质量的最重要的标准。为得到表面质量较好的细长轴零件，以表面粗糙度为判断依据，试验研究工件转速、铣刀转速、切削厚度等主要工艺参数对工件表面粗糙度的影响规律。3.3.1 工件转速刀具转速 14400 r/min，切削厚度 0.1 mm，刀具

56、直径 4 mm，工件直径 10 mm 时，逆铣、室温风冷冷却，选择不同工件转速开展车铣加工试验，得到的表面粗糙度变化曲线，见下图 3.7。从图中可以得出，在以上加工条件下，稳态切削时，加工表面粗糙度值随工件转速提高而变大。其原因是工件转速直接影响车铣复合切削加工周向进给量，工件转速增大，周向进给量也变大，切削加工后工件周向残留面积随之增大，使工件的表面粗糙度变大。当工件转速为 120 r/min 时，加工时发生振动，工件表面粗糙车铣复合加工装置设计及应用21度较大。这是因为工件转速为 120 r/min、铣刀转速为 14400 r/min 时，铣削频率接近切削系统的固有频率，切削时工件与系统发

57、生共振现象。表表面面粗粗糙糙度度表表面面粗粗糙糙度度Ra/ mm工工件件转转速速Nw/(r/min)406080 100 120 140 160 180 2000.60.70.80.91.01.11.2 图 3.7 工件转速对加工表面粗糙度的影响3.3.2 铣刀转速工件转速 90 r/min，切削厚度 0.5 mm，铣刀直径 4 mm，工件直径 10 mm 时，逆铣、室温风冷冷却，选用不同刀具转速进行切削试验获得的表面粗糙度变化曲线，见下图 3.8。从图中能够看到，在以上加工参数下，稳态切削时，工件表面粗糙度随刀具转速变大而降低。这是由于刀具转速增大，相当于工件表面进行多次切削，工件加工表面残

58、留面积减少，表面粗糙度降低。而且，刀具转速增加，表示切削速度增加，切削力减小，切削过程变得平稳，能获得较好的表面质量。当工件转速增加到18000 r/min 时，表面粗糙度直再次变大。这是因为电主轴高速旋转时，电主轴自身的偏心质量会导致系统产生较大的机械振动，刀具也会随着振动，引起整个切削加工过程不稳定，工件表面质量迅速降低。表表面面粗粗糙糙度度Ra/ mm铣铣刀刀转转速速Nc/rmin-18000 1000012000140001600018000200000.40.50.60.70.80.91.01.1 图 3.8 铣刀转速对加工表面粗糙度的影响车铣复合加工装置设计及应用223.3.3 切

59、削厚度工件转速 90 r/min，刀具转速 14000 r/min，刀具直径 4 mm，工件直径 10 mm 时，逆铣、室温风冷冷却，选择不同切削厚度开展车铣加工试验获得的工件表面粗糙度变化曲线，见下图 3.9。由图能够看到，使用以上加工参数，加工工件表面粗糙度值随着切削厚度增大而增加。这是由于切削厚度增加，切削面积增大，而切削面积变大就代表着切削力变大，加工过程中振动现象随之加剧，工件表面质量变坏。0.000.250.500.751.001.251.500.60.70.80.91.01.11.2 切切削削厚厚度度ap/mm表表面面粗粗糙糙度度Ra/ mm图 3.9 切削厚度对加工表面粗糙度的

60、影响3.3.4 优选切削用量(a) 三维形貌(b) 二维轮廓图 3.10 优化参数下工件表面形貌根据上文加工参数对工件表面质量影响的试验结果可知，选择较低的工件转速、较高的刀具转速、较小的切削厚度能够获得较好的表面加工质量。考虑到实际加工中的因素，若选用较低的刀具转速，较小的切削厚度，单位时间内切除的工件材料也随车铣复合加工装置设计及应用23之减少，加工效率变低。选择优化的切削参数为：工件转速 90 r/min，刀具转速16000 r/min，切削厚度 0.1 mm。再次进行试验研究，获得的工件表面粗糙度值为Ra0.469 m，表面微观形貌见上图 3.10。3.4 刀具磨损试验分析从刀具磨损试