數控車削鋁合金表面粗糙度的實驗研究*

羅永新 龍 華

（湖南工業職業技術學院，湖南長沙 410208）

鋁合金在切削性能上與鋼材和鑄鐵材料差別很大，具有很多顯著特點:與鋼材比，強度與硬度低，塑性好，切削力小，導熱性好。切削時易粘刀，高速切削時可能在刀刃上產生熔焊現象，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時使刀具喪失切削能力。鋁合金熱脹系數大，切削熱容易引起工件熱變形，降低加工精度。鍛造鋁合金在輕量化結構零件中占有重要地位，研究其切削工藝具有重大意義。在鋁合金工件的切削制造中，正確選擇刀具幾何參數和切削用量，是提高切削效率和保證切削質量的關鍵。

1 實驗條件

機床:CAK3265。刀具:山特維克 CoroTurn RC。工件材料:鍛鋁 2A16，工件尺寸:φ50 mm×200 mm。粗糙度測量儀:JB－3C粗糙度測試儀，分辨率0.001 μm，Ra值測量范圍0.001～10 μm。

2 實驗方案及結果

考慮到車削表面粗糙度影響因素很多，且在同一條件下，影響程度不一樣，故實驗方案涉及到以下兩個方面。

2.1 切削用量的因素

采用正交實驗法，選擇車削轉度nc（因實驗工件尺寸變化不大，代替切削速度）、進給量f和吃刀深度ap三個因素，分別取三組數據做三個水平實驗，為了便于結果分析，在考察切削用量對車削表面質量的影響時，刀具幾何參數條件固定不變，均采用rε=0.3 mm，γo=0°，αo=10°，Kr=90°，Kr'=25°的刀具條件，實驗結果如表1所示。

2.2 刀具幾何因素

采用單因素法實驗。分別選擇刀具刀尖圓弧半徑rε、前角γo、主偏角Kr三個因素，為了方便結果分析，車刀的其他主要幾何參數恒定，后角αo=10°、λs=0°、Kr'=25°，選定切削用量參數恒定，主軸轉速n=1 500 r/min，ap=1 mm，f=150 mm/min，實驗參數及結果如表2所示。

表1 切削用量對車削表面粗糙度的影響（刀具因素:rε=0.3 mm，γo=0°，Kr=90°）

表2 刀具幾何因素對車削表面粗糙度的影響（切削用量:n=1 500 r/min，ap=1 mm，f=150 mm/min）

3 實驗結果分析

3.1 表面粗糙度Ra與切削速度nc的關系

圖1表達了車削轉速與車削表面質量的關系。隨著切削轉速的提高，工件表面粗糙度值呈減小的趨勢。隨著主軸轉速的提高，切削速度增大，切削刃對工件材料進行“耕犁”、擠壓程度減少，“切割”能力提高，刀具工作副后角減小，副后刀面的熨燙修復作用加強，對已加工表面起到修復光整的作用，從而使表面粗糙度值會隨主軸轉速的提高而減小。實驗中，切削深度ap還較大程度地左右著切削速度對表面粗糙度的影響。其中當ap=5 mm時，在低于3 500 r/min時粗糙值產生劇增，且粗糙度變化不遵守隨速度提高粗糙度值減小的規律;但切削速度高于3 500 r/min后，粗糙度值又回到了較小水平。這是因為在較低的切削速度下，較大的吃刀深度處于不穩定車削狀態，切削產生了振動［1－3］，模擬仿真切削穩定性如圖2所示，當切削速度低于3 500 r/min時，5 mm吃刀深度正處于不穩定切削狀態，產生的粗糙度值很大。可見，只有在穩定切削情況下，提高切削速度，才能減小表面粗糙度值。

3.2 表面粗糙度Ra與進給量f、刀尖圓弧半徑rε關系

工件的表面粗糙度受進給量和刀尖圓弧半徑的影響較大。多數研究認為，表面粗糙度值與進給量和刀尖圓弧半徑存在如下關系［3－4］:

f值增大，Ra值增大，實驗定性地驗證了這個結論，如圖3所示。由圖3還可以看出，切削深度仍然較大地影響了f與Ra的關系，當ap值增大時，f直線斜率下降，f對Ra的影響程度有所降低，特別是在f小于200 mm/min時ap影響更加明顯。

圖4是刀尖圓弧rε單因素對Ra的影響關系圖。由式（1）可知，rε增大，Ra值變小。但是隨著刀尖圓弧半徑增加，切削變形增大，刀具磨損加劇，又有加大表面粗糙度值的趨勢。因而刀尖圓弧半徑對Ra的影響不能完全遵照式（1）的變量關系運算。有研究者［5］認為，rε在精加工時，rε≈0.5 mm最有利于減小表面粗糙度值。

3.3 吃刀深度ap對表面粗糙度值的影響

圖5是切削深度ap與工件表面粗糙度Ra的關系圖。可以看出，當nc=3 500 r/min時，隨著吃刀深度的增加，Ra值增大，但趨勢平緩。說明當切削速度選擇合理時，切削深度對表面粗糙度的影響不大［6］。但是當切削速度選擇不合理，切削深度選擇超過穩定切削切深臨界值時，切削在不穩定狀態下進行，工件表面出現振紋，表面粗糙度值Ra值變得很大。可見，精加工時，采用高速切削，為提高材料切除率，可以適當選擇較大的吃刀深度。但切削深度對切削力影響較大，當車削剛度較差的工件時，較深的切削深度會引起較大的尺寸誤差，且因工件剛性問題引起表面粗糙度變壞。

3.4 刀具前角γO對表面粗糙度值的影響

圖6是刀具前角γO與工件表面粗糙度Ra的關系圖。前角對Ra的影響很小，也沒有一致的變化規律，為了便于切屑卷屑，減小切削變形，加工鋁合金時，多選擇較大正γO。

4 結語

在高速切削條件下，影響鋁合金表面粗糙度的主要因素是進給量，刀具幾何參數和吃刀深度影響不大。刀尖圓弧半徑rε≈0.5 mm時，最有利于降低表面粗糙度值。為提高切削效率，減少走刀次數，可采用較大的吃刀深度，實現大余量切削情況下的精加工，同樣可以得到表面質量較高的零件。

［1］王曉軍.車削加工系統穩定性極限預測的研究［D］.長春:吉林大學，2005.

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［3］王立剛，劉習軍，賈啟芬.機床顫振的若干研究和進展［J］.機床與液壓，2004（11）:1－5.

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［5］林明亮.金屬陶瓷刀具在車削精加工中的應用［D］.廣州:華南理工大學，2006.

［6］陳俊龍，李賢義，馬小利，等.鋁合金車削工藝的研究及應用［J］.工具技術，2010，44（12）:67－69.

［7］王振興，王敏，邵華.切削參數對車削2A14鍛鋁合金表面粗糙度影響的試驗研究［J］.工具技術，2007，41（6）:68－70.