数控车削铝合金表面粗糙度的实验研究*

罗永新 龙 华

（湖南工业职业技术学院，湖南长沙 410208）

铝合金在切削性能上与钢材和铸铁材料差别很大，具有很多显著特点:与钢材比，强度与硬度低，塑性好，切削力小，导热性好。切削时易粘刀，高速切削时可能在刀刃上产生熔焊现象，影响加工精度和表面粗糙度，严重时使刀具丧失切削能力。铝合金热胀系数大，切削热容易引起工件热变形，降低加工精度。锻造铝合金在轻量化结构零件中占有重要地位，研究其切削工艺具有重大意义。在铝合金工件的切削制造中，正确选择刀具几何参数和切削用量，是提高切削效率和保证切削质量的关键。

1 实验条件

机床:CAK3265。刀具:山特维克 CoroTurn RC。工件材料:锻铝 2A16，工件尺寸:φ50 mm×200 mm。粗糙度测量仪:JB－3C粗糙度测试仪，分辨率0.001 μm，Ra值测量范围0.001～10 μm。

2 实验方案及结果

考虑到车削表面粗糙度影响因素很多，且在同一条件下，影响程度不一样，故实验方案涉及到以下两个方面。

2.1 切削用量的因素

采用正交实验法，选择车削转度nc（因实验工件尺寸变化不大，代替切削速度）、进给量f和吃刀深度ap三个因素，分别取三组数据做三个水平实验，为了便于结果分析，在考察切削用量对车削表面质量的影响时，刀具几何参数条件固定不变，均采用rε=0.3 mm，γo=0°，αo=10°，Kr=90°，Kr'=25°的刀具条件，实验结果如表1所示。

2.2 刀具几何因素

采用单因素法实验。分别选择刀具刀尖圆弧半径rε、前角γo、主偏角Kr三个因素，为了方便结果分析，车刀的其他主要几何参数恒定，后角αo=10°、λs=0°、Kr'=25°，选定切削用量参数恒定，主轴转速n=1 500 r/min，ap=1 mm，f=150 mm/min，实验参数及结果如表2所示。

表1 切削用量对车削表面粗糙度的影响（刀具因素:rε=0.3 mm，γo=0°，Kr=90°）

表2 刀具几何因素对车削表面粗糙度的影响（切削用量:n=1 500 r/min，ap=1 mm，f=150 mm/min）

3 实验结果分析

3.1 表面粗糙度Ra与切削速度nc的关系

图1表达了车削转速与车削表面质量的关系。随着切削转速的提高，工件表面粗糙度值呈减小的趋势。随着主轴转速的提高，切削速度增大，切削刃对工件材料进行“耕犁”、挤压程度减少，“切割”能力提高，刀具工作副后角减小，副后刀面的熨烫修复作用加强，对已加工表面起到修复光整的作用，从而使表面粗糙度值会随主轴转速的提高而减小。实验中，切削深度ap还较大程度地左右着切削速度对表面粗糙度的影响。其中当ap=5 mm时，在低于3 500 r/min时粗糙值产生剧增，且粗糙度变化不遵守随速度提高粗糙度值减小的规律;但切削速度高于3 500 r/min后，粗糙度值又回到了较小水平。这是因为在较低的切削速度下，较大的吃刀深度处于不稳定车削状态，切削产生了振动［1－3］，模拟仿真切削稳定性如图2所示，当切削速度低于3 500 r/min时，5 mm吃刀深度正处于不稳定切削状态，产生的粗糙度值很大。可见，只有在稳定切削情况下，提高切削速度，才能减小表面粗糙度值。

3.2 表面粗糙度Ra与进给量f、刀尖圆弧半径rε关系

工件的表面粗糙度受进给量和刀尖圆弧半径的影响较大。多数研究认为，表面粗糙度值与进给量和刀尖圆弧半径存在如下关系［3－4］:

f值增大，Ra值增大，实验定性地验证了这个结论，如图3所示。由图3还可以看出，切削深度仍然较大地影响了f与Ra的关系，当ap值增大时，f直线斜率下降，f对Ra的影响程度有所降低，特别是在f小于200 mm/min时ap影响更加明显。

图4是刀尖圆弧rε单因素对Ra的影响关系图。由式（1）可知，rε增大，Ra值变小。但是随着刀尖圆弧半径增加，切削变形增大，刀具磨损加剧，又有加大表面粗糙度值的趋势。因而刀尖圆弧半径对Ra的影响不能完全遵照式（1）的变量关系运算。有研究者［5］认为，rε在精加工时，rε≈0.5 mm最有利于减小表面粗糙度值。

3.3 吃刀深度ap对表面粗糙度值的影响

图5是切削深度ap与工件表面粗糙度Ra的关系图。可以看出，当nc=3 500 r/min时，随着吃刀深度的增加，Ra值增大，但趋势平缓。说明当切削速度选择合理时，切削深度对表面粗糙度的影响不大［6］。但是当切削速度选择不合理，切削深度选择超过稳定切削切深临界值时，切削在不稳定状态下进行，工件表面出现振纹，表面粗糙度值Ra值变得很大。可见，精加工时，采用高速切削，为提高材料切除率，可以适当选择较大的吃刀深度。但切削深度对切削力影响较大，当车削刚度较差的工件时，较深的切削深度会引起较大的尺寸误差，且因工件刚性问题引起表面粗糙度变坏。

3.4 刀具前角γO对表面粗糙度值的影响

图6是刀具前角γO与工件表面粗糙度Ra的关系图。前角对Ra的影响很小，也没有一致的变化规律，为了便于切屑卷屑，减小切削变形，加工铝合金时，多选择较大正γO。

4 结语

在高速切削条件下，影响铝合金表面粗糙度的主要因素是进给量，刀具几何参数和吃刀深度影响不大。刀尖圆弧半径rε≈0.5 mm时，最有利于降低表面粗糙度值。为提高切削效率，减少走刀次数，可采用较大的吃刀深度，实现大余量切削情况下的精加工，同样可以得到表面质量较高的零件。

［1］王晓军.车削加工系统稳定性极限预测的研究［D］.长春:吉林大学，2005.

［2］王先上.车床振动的自动控制［J］.机械工程学报，1986，22（2）:38－47.

［3］王立刚，刘习军，贾启芬.机床颤振的若干研究和进展［J］.机床与液压，2004（11）:1－5.

［4］王洪祥，董小瑛，董申.金刚石车削表面微观形貌形成机理的研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2002，34（4）:409－512，517.

［5］林明亮.金属陶瓷刀具在车削精加工中的应用［D］.广州:华南理工大学，2006.

［6］陈俊龙，李贤义，马小利，等.铝合金车削工艺的研究及应用［J］.工具技术，2010，44（12）:67－69.

［7］王振兴，王敏，邵华.切削参数对车削2A14锻铝合金表面粗糙度影响的试验研究［J］.工具技术，2007，41（6）:68－70.