正交車銑工件表面粗糙度的試驗研究*

閆家超 李海峰

(沈陽理工大學，遼寧沈陽110159)

正交車銑是目前應用較廣的典型車銑加工方式之一，它不是車削與銑削的簡單結合，而是利用銑刀與工件的合成運動來實現回轉體工件的切削加工(如圖1所示)。由于銑刀與工件的旋轉軸線相互垂直，它不能對內孔進行加工，但在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進給，因此在加工外圓表面時效率較高。正交車銑有如下特點［1-4］:

(1)由于是間斷切削，無論加工何種材料的工件都能得到較短的切屑，易于自動除屑;

(2)由于切削速度是由工件和刀具的回轉速度共同合成，因此不需使工件高速旋轉也能實現高速切削，有利于對大型工件進行高速切削;

(3)工件轉速相對較低，加工薄壁件時幾乎沒有由于離心力產生的變形;

(4)刀具散熱好，切屑和刀具帶走熱量較多，因此工件溫度相對較低，熱變形小;

(5)多刃切削過程平穩，刀具磨損小對新型難加工材料和大型回轉體毛坯粗加工十分有益。

綜上可知，正交車銑易于實現回轉體工件的高速切削加工［1］，特別適合于大型鍛件回轉體毛坯的高效粗加工和弱剛度回轉體工件的高速精加工。由于其獨特的切削過程，形成的工件表面也有其自身的特點，切削參數對表面粗糙度的影響也不同于車削與銑削［5］，因此有必要對軸向進給量、周向進給量、切削速度以及切削深度等參數對表面粗糙度的影響進行研究。

1 試驗設備

實驗所用機床為日本Mazak公司的Integrex 200Y車銑復合加工中心(如圖2所示)。它采用日本FANUC數控系統，主軸功率15 kW，銑削主軸功率7.5 kW、轉速6 000 r/min。銑刀選用硬質合金YG8立銑刀，刀具直徑20 mm，刀具齒數2，刀刃螺旋升角30°，工件材料為45鋼棒料，切削冷卻方式為乳化液冷卻。

2 試驗結果及分析

2.1 軸向進給量對粗糙度的影響

實驗條件:切削速度100 m/min，周向進給量0.3 mm/齒，切削深度1 mm，工件直徑150 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結果如圖3所示，在上述實驗條件下，隨著軸向進給量增大已加工件表面粗糙度值呈增大趨勢。主要原因是隨軸向進給量增大，銑刀在工件母線方向的加工殘留高度增大，致使工件的表面粗糙度值增大。

2.2 周向進給量對粗糙度的影響

周向進給量是車銑加工特有的一個切削參數，它表征切削時刀具在工件圓周展開方向的相對進給速度。

實驗條件:切削速度100 m/min，軸向進給量0.4 mm/r，切削深度1 mm，工件直徑160 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結果如圖4所示，在上述實驗條件下，隨著周向進給量增大工件表面粗糙度增大趨勢比較明顯。主要原因是隨周向進給量增大，由銑刀和工件復合運動形成的在工件圓周方向加工殘留高度明顯增大，使工件表面粗糙度值增大。

2.3 切削速度對粗糙度的影響

實驗條件:軸向進給量0.4 mm/r，周向進給量0.3 mm/齒，切深1 mm，工件直徑155 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結果如圖5，切削速度在60 m/min和220 m/min時，工件表面粗糙度值較小。在100 m/min和140 m/min時，工件表面粗糙度值較大。分析原因，是由于在100 m/min和140 m/min時，銑刀轉速分別為2 000 r/min和3 000 r/min，銑刀的切削頻率可能接近切削系統的固有頻率，產生了較大的切削振動。切削速度在60 m/min和220 m/min時，銑刀的切削頻率遠離了切削系統振動的固有頻率，從而降低了切削系統的振動，減小了工件的表面粗糙度值。

2.4 切削深度對粗糙度的影響

實驗條件:軸向進給量0.4 mm/r，周向進給量0.3 mm/齒，切削速度100 m/min，工件直徑150 mm，順銑，水溶乳化液冷卻。

實驗結果如圖6，切削深度從0.4 mm增加到1.2 mm，工件表面粗糙度沒有明顯變化，即切削深度在1 mm以下對工件表面粗糙度沒有明顯影響。

3 結語

(1)合理選擇切削參數，采用正交車銑可以使工件的表面粗糙度達到1 μm以下。

(2)隨軸向和周向進給量增加，工件表面粗糙度值增大明顯，因此按不同的使用要求合理選擇軸向和周向進給量是正交車銑加工的重要工藝內容。

(3)切削速度和深度對工件表面粗糙度影響趨勢不明顯，但是在精加工中仍需對它們進行仔細的選擇，選擇不合理的切削速度可能會引起切削系統的振動，使工件表面粗糙度值增大。

［1］SCHULZ H.High speed turn－milling a new precision manufacturing technology for the machining of rotationally symmetrical workpieces［J］.Annals of the CIRP，1990，39(1):107 －109.

［2］CHOUDHURY S K，MANGRULKAR K S.Investigation of orthogonal turn－milling for the machining of rotationally symmetrical work pieces［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，99:120 －128.

［3］CHOUDHURY S K，Bajpai J B.Investigation in orthogonal turn－milling towards better surface finish［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，170:487 －493.

［4］姜增輝，賈春德.正交車銑工件表面形成機理研究［J］.機械工程學報，2004，40(9):121 －124.

［5］姜增輝，賈春德.正交車銑鋁合金工件表面粗糙度的研究［J］.機械工程師，2001(10):21 －22.