车铣加工切削机理分析*

2022-06-09李慎旺刘纯祥

机械制造 2022年2期

□ 李慎旺 □ 卜匀 □ 刘纯祥 □ 王伟

唐山学院河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室河北唐山 063000

1 车铣加工概述

在普通车削基础上增加一个转动的自由度,变为车铣加工和滚切加工。这种通过增加一个自由度来切削的方法称为多自由度切削加工方法,如图1所示。多自由度切削加工方法可以分为多自由度车削加工方法、多自由度铣削加工方法,以及其它类型多自由度切削加工方法,其中每一类多自由度切削加工方法又可以有多种实现形式。

车铣加工是多自由度车削加工方法的一种实现形式,纯粹的车铣加工将车刀更换为铣刀,并增加一个铣刀转动的自由度,通过工件转动和铣刀转动的合成运动来完成对工件的加工,使工件达到形状和尺寸精确度、表面粗糙度、表面形貌、表面变质层、残余应力、显微硬度等使用要求,是一种先进的多自由度车削加工方法。

2 车铣加工优势

与普通车削相比,车铣加工通过增加一个自由度来切削,主要有九方面优势。

▲图1 多自由度切削加工方法

(1)断屑更容易。车铣加工通过增加一个铣刀转动的自由度,将连续切削变为间断切削,因此与普通车削相比,车铣加工能得到较短的切屑,易于自动除屑。

(2)切削温度低。间断切削的刀具有充足的冷却时间,刀具切削温度相对较低。

(3)切削力小。车铣加工通过工件转动和铣刀转动的合成运动来完成对工件的加工,因此极易实现高速切削,在加工过程中产生的切削力相比传统切削减小30%。由于切削力较小,机床和刀具承受的负荷较小,有利于机床精度的保持。同时引起工件变形的径向力明显减小,有利于提高工件,尤其是薄壁件和细长件加工的形状精度。

(4)工件低速旋转也能实现高速切削。当铣刀高速转动时,即使工件低速旋转,也能实现高速切削,这有利于对大型工件进行高速切削。尤其是对于大型锻件毛坯而言,工件低速旋转将消除因工件偏心而引起的振动及径向切削力的高频周期变化,这些特点使此类工件的切削过程变得十分平稳,有利于减小工件的形状误差。

(5)工件转速相对较低,加工薄壁件时几乎没有由离心力产生的变形。

(6)采用高速车铣时,切削变形过程主要是绝热剪切,切屑和刀具带走的热量较多,工件温度相对较低,热变形小。

(7)使用较大的纵向进给,也能得到较小的表面粗糙度值。

(8)车铣加工是多刃切削,结合高速切削可较大幅度提高生产效率。

(9)多刃切削过程平稳,刀具磨损小,对新型难加工材料和大型回转体毛坯的加工而言十分有益。

由以上分析可知,车铣加工技术特别适用于:① 重型或难加工材料回转体毛坯的粗加工,如大型轧辊、发电机转子、大型铸管模、大型船舶用曲轴、火炮身管等;② 大型薄壁件回转体的精加工;③ 大型回转体的高速、超高速切削;④ 需用车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件[1-2]。

3 车铣加工切削机理

车铣加工的研究主要集中在刀具磨损机理、切屑形成机理、工件表面质量、难加工材料切削加工等多方面。

在国外,车铣复合加工领域的先驱者德国达姆施塔特工业大学完成了车铣加工滚柱轴承试验,重点研究了正交和轴向车铣加工的表面完整性、几何精度、切屑形成等,得到的工件表面粗糙度值达到0.5 μm以下[3]。Choudhury等[4]研究了通过车铣加工完成车削加工难以完成的硬质材料精密加工,分析了刀具的径向移动对表面质量的影响,应用优化后的切削参数,使用单晶金刚石材质刀具切削加工洛氏硬度(HRC)为62的100Cr62合金时,工件的表面粗糙度值达到2 μm以下,并且应用优化后的切削参数可以延长刀具使用寿命。Pogacnik和Kopac[5]研究了振动对车铣加工表面质量的影响,得出机床动静态刚度对车铣加工工件的表面质量影响较大的结论。文献[6]表明,切向车铣加工SAE1050钢时,与普通车削相比,切屑更短,表面粗糙度值更低。文献[7]通过试验得出,轴向车铣复合加工50号钢时,刀具、工件转速、加工深度、轴向进给量对加工表面粗糙度的影响公式,绘制了表面粗糙度值随轴向进给量、切削深度、工件转速的变化曲线。Kopac和Pagacnik[8]还认为,主轴转速在一定范围内的提高可以提高表面加工质量,刀具振动可以显著影响工件的表面粗糙度。

在国内,文献[9]通过一系列高强度钢材料正交车铣刀具磨损试验,得出切削速度对车铣刀具的磨损过程、磨损形态、磨损机理等影响最大的结论。文献[10]通过氮化钛涂层硬质合金铣刀正交车铣58SiMn高强度钢刀具磨损试验,发现切削速度越高,正交车铣刀具耐用度越低,在不同切削速度下,刀具的磨损曲线具有相同的磨损规律,轴向进给量、每齿进给量与车铣刀具耐用度在双对数坐标下都呈现线性下降的关系。文献[11]对正交车铣高强度钢的不同切屑形态进行了研究,结果表明,正交车铣切屑属于短锯齿形切屑,正交车铣锯齿形切屑产生的原因是切屑内部局部产生突变性剪切。文献[12]研究了高速车铣LD5铝合金和D60钢等塑性材料的切屑变形机理,高速车铣铝合金和钢时,将产生热塑剪切失稳现象,切屑形态为不对称锯齿形,切削速度越高,剪切变形越集中,热塑剪切带越窄,与切削铝合金相比,高速车铣钢时发生热塑剪切失稳的切削速度较低。文献[13]表明,高速正交车铣加工的表面粗糙度主要取决于理论轴向残留面积高度。徐骣[14]通过研究表明,工件转速提高,工件的表面粗糙度值增大,刀具每齿进给量增大,工件的表面粗糙度值也增大,二者近似成线性关系。文献[15]表明,与传统车削、铣削相比,轴向车铣切削力的变化更为复杂,刀具半径、工件半径、刀具齿数、切削深度、轴向进给量等多个参数会对切削力产生影响。吴波[16]在分析切削用量对工件表面质量的影响时,通过对车铣后钛合金表面纹理进行观察,并测量表面粗糙度,发现铣刀转速对表面质量的影响最大,其次为偏心量,同时讨论分析了其中的原因。文献[17]通过对车铣复合加工高强度钢的不同切屑形态进行分析,表明随轴向进给量和切削深度的增大,切屑变长,并在建立车铣切削变形模型的基础上,分析了车铣切屑的形成机理,切削层金属裂纹的周期破裂和形成是车铣切屑形成的根本原因。文献[18]在车铣复合加工中心上进行了车铣加工高强度钢材料的刀具磨损强度试验,分析了车铣切削用量对刀具磨损强度的影响,表明在影响车铣刀具磨损的切削参数中,切削速度对车铣刀具的磨损强度影响最大,并以车铣刀具的磨损试验为基础,以切削速度为变量,建立了车铣高强度钢的刀具磨损强度分析模型。