车铣复合加工装置设计及应用

谢登华

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。

关键词：车铣；不锈钢；细长轴

1引言

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。

2车铣加工概述

2.1車铣加工定义

车铣复合加工作为目前国际上最流行的机加工工艺。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]。

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。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，用于工件精密超精密加工。

2.2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，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，显著改善工件表面质量。

2.3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。

3车铣复合加工机床改造

3.1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，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3.1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。

3.2 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，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。

（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。

3.3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 mm×500 mm×490 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/min～2300 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。

4结论

论文在分析车铣复合切削相关理论的基础上，建立了车铣复合加工装置，并利用该装置进行切削加工参数对表面质量、加工精度影响的相关实验，获得了具有较好表面质量、一定尺寸精度的微细轴、细长轴工件。

参考文献：

[1] 陈铁成， 逄廷兰. 大型内圆锥螺纹数控旋风铣削[J]. 重型机械， 1997（02）：55-59.

[2] 马岩. 非轴对称工件车铣加工的切削力建模与分析[D]. 吉林： 吉林大学， 2007.

[3] 刘克非. 基于车铣技术的微小型零件完整加工[J]. 湖北工业大学学报， 2007.

[4] 冯付良. 轴向车铣表面粗糙度的研究[D]. 上海： 上海交通大学机械制造及其自动化， 2008.

[5] 刘炜， 喻红婕， 姜增辉. 弱刚度细长杆正交车铣加工的研究[J]. 新技术新工艺， 2005（04）：26-27.

[6] 黄巍， 姜增辉. 正交车铣细长杆的动力学分析[J]. 新技术新工艺， 2008（11）：74-76.