軸向車銑鑄鋁內孔表面粗糙度的研究

石 莉 陳爾濤

(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽 110168)

車銑是一種較新的加工技術，但加工參數對工件表面加工質量的影響的研究尚不成熟，這在一定程度上影響了車銑加工技術的推廣。研究加工參數對車銑加工表面粗糙度的影響，對于推廣車銑技術的應用有重要的現實意義。

沈陽工業學院的姜增輝［1］在多種假設的條件下，給出軸向車銑工件理論粗糙度的數學模型，分析了轉速比、刀具齒數和刀具半徑對工件理論粗糙度的影響，但此公式沒有考慮切削參數對表面粗糙度的影響。

沈陽理工大學潘恒陽對軸向車銑內輪廓進行了建模及運動仿真［2］，在不同的銑削方式下，研究了不同的轉速比對銑刀運動軌跡的影響，并在MAZAK車銑加工中心上進行軸向車銑內、外型面的加工，并對加工表面的表面形貌及表面粗糙度進行了簡單的分析。

上海交通大學的李丹、趙曉明等通過對軸向車銑加工進行數學建模［3］，建立了軸向車銑表面形貌的計算機仿真系統，利用該系統，詳細討論了軸向進給速度、工件與刀具轉速比、刀刃數、刀具半徑以及切深等工藝參數對軸向車銑表面形貌和粗糙度的影響規律;將仿真系統與正交試驗法相結合，找出在多個加工參數同時變化的條件下，對車銑工件表面形貌及表面粗糙度起主導作用的因素，以便對起主導作用的工藝參數重點加以改善。

到目前為止，軸向車銑的研究還僅是車銑基礎理論和車銑表面仿真等方面。車銑理論的成熟為軸向車銑實驗提供了強有力的技術支持，在這種條件下，本文通過軸向車銑實驗，研究了不同切削參數對軸向車銑表面粗糙度的影響。這對驗證車銑理論的正確性，完善和豐富現有的車銑理論，使理論更好地指導生產實踐［4］。

1 實驗條件

實驗所用機床是由沈陽第三機床廠生產的數控機床CK3263B，配備 TSSV150～18000/7.5型高速電主軸、SIEMENS MICROMASTER440型變頻調速器改造而成。工件用長200 mm、內徑50 mm的半空心柱體鑄鋁錠(ZL100)。刀具為直徑25 mm的棒銑刀，刀齒數為4個，刀片為山特維特R39011T308MPL4030型銑刀片，刀片材料為TiN涂層，后角為αn=21°。測量儀器為時代TR100粗糙度儀，是一種接觸式測量表面粗糙度的方法。采用水基添加溶液進行冷卻。實驗裝置如圖1。

2 實驗結果及分析

軸向車銑的切削用量包括切削速度Vc(m/min)、軸向進給量fa(mm/r)、周向進給量f齒(mm/齒)、切削深度ap(mm)。其計算公式及相互間的關系為

式中:nF、nW分別為銑刀轉速、工件轉速，r/min;D、d分別為刀具直徑、工件直徑，mm;Z為刀具齒數。

為了測得切削用量各要素對工件表面粗糙度Ra的影響，進行了單因素實驗，分別就逆銑、順銑方式在有、無水冷條件下進行研究。針對每一因素分別做4組實驗，實驗結果及其分析如下。

2.1 周向進給量(轉速比)對內孔表面粗糙度的影響

工件內孔直徑為50 mm，銑刀轉速為9 000 r/min，切削深度為0.5 mm，軸向進給量為0.5 mm/r，并保持以上切削參數不變。由式(1)計算得切削速度為706.9 m/min。改變工件轉速，從20～55 r/min，級差為5 r/min。由式(2)可以得到周向進給量的變化范圍為0.087～0.416 mm/齒。測量不同切削參數下的表面粗糙度，得到周向進給量對表面粗糙度的影響曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，切削速度在706.9 m/min條件下，無論順銑或逆銑、水冷或無水冷，周向進給量從0.087 mm/齒增至0.416 mm/齒，工件表面粗糙度值都明顯增大。

2.2 軸向進給量對軸向車銑鑄鋁內孔表面粗糙度的影響

工件轉速30 r/min，銑刀轉速10 000 r/min，切削深度0.5 mm，并保持以上切削參數不變。由式(1)計算得切削速度為786 m/min，周向進給量為0.259 mm/齒，改變軸向進給量fa從0.3～1.5 mm/r，步長為0.3 mm。測量不同切削參數下的表面粗糙度，得到軸向進給量對表面粗糙度的影響曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，切削速度在786 m/min條件下，無論順銑或逆銑、水冷或無水冷，軸向進給量從0.3 mm/r增至1.5 mm/r，工件表面粗糙度值都明顯增大。

當軸向進給量大于0.9 mm/r時，內孔表面有明顯條紋。如圖4，切屑變大，粘在已加工表面，不易排出。

筆者在改造的軸向車銑機床上對彈簧鋼D60做了軸向車銑內孔的實驗，研究了切削參數對內孔加工表面質量的影響。發現不同的切削參數對表面質量的影響規律基本相同，有的表面出現車削的條紋或滾花式刀紋如圖5所示。

條紋和滾花是工件表面紋理的表現形式，其對工件的性能有很大的影響，尤其是對摩擦表面的磨損、潤滑狀態、摩擦、疲勞、密封、配合性能的影響更為顯著。實驗研究發現，軸向進給量和轉速比對表面紋理的影響較大。在實際生產中應合理選擇轉速比和軸向進給量，有效控制表面文理的狀態并應用到特殊場合。

2.3 切削速度對軸向車銑鑄鋁內孔表面粗糙度的影響

工件內孔直徑為60 mm，切削深度0.5 mm，軸向進給量為0.8 mm/r，周向進給量為0.236 mm，并保持以上切削參數不變。改變工件轉速從25～75 r/min，級差為10 r/min，改變銑刀轉速從5 000～15 000 r/min，級差為2 000 r/min，由式(1)計算出切削速度的變化范圍為392.7～1 178.1 m/min。測量不同切削參數下的表面粗糙度，得到切削速度對表面粗糙度的影響曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，無論順銑或逆銑、水冷或無水冷，切削速度從390～1 180 m/min，表面粗糙度值沒有明顯變化，切削速度對內孔已加工表面質量影響不大。

3 結語

綜上所述，在軸向車銑鑄鋁內孔時，切削用量對工件表面粗糙度的影響如下:

(1)隨著周向進給量和軸向進給量的增加，表面粗糙度值明顯增大。

(2)隨著切削速度的提高，表面粗糙度變化不大。

(3)順銑或逆銑、水冷或無水冷對軸向車銑內孔表面粗糙度影響不大。

(4)內孔表面出現車削的條紋或滾花的刀紋，實驗表明表面紋理 與切削參數周向進給量和軸向進給量有關。

［1］姜增輝.軸向車銑內孔理論表面粗糙度的研究［J］.新技術新工藝2002(1).

［2］潘恒陽.車銑加工型面聯接件的運動學研究［D］.沈陽:沈陽理工大學，2007.

［3］李丹.車銑加工表面形貌的計算機仿真研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［4］石莉.彈體的軸向車銑研究［D］.沈陽:沈陽工業學院，2003.