高速切削加工對表面粗糙度的試驗探究

燕金華

(東營職業學院，山東 東營，257091)

衡量一個零件的加工質量好壞主要要看零件的加工精度和表面質量。零件的精度主要包括了尺寸精度和形位精度，除了人為因素之處，主要由機床的定位精度決定，硬件設備的精度決定所加工的零件尺寸、形狀和位置精度。

判斷工件表面質量主要由以下三項指標來評價：表面粗糙度Ra的大小、已加工表面的硬化程度、已加工表面的殘余應力。高速切削加工在大幅減少切削工時、提高加工效率的同時也極大的提高工件的表面質量。

其中零件的表面粗糙度是衡量已加工零件表面質量的一個重要指標。在高速切削加工過程中，機床和刀具系統的震動，刀具材料和被加工工件的材料的力學性質，高速加工時的冷卻方式，切削液的種類，各種工藝參數（主軸轉速、軸向進給量、進給速度、徑向進給量）等因素都會影響高速加工的表面粗糙度。

表面粗糙度對產品的接觸剛度、密封性、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞強度等使用性能有影響，對于那些表面頻繁受到沖擊載荷、頻繁和剛性部件發生相對運動和摩擦的零件，零件的表面質量的重要程度甚至超過了形位公差，表面質量成為衡量零件質量的決定因素。

對同種材料的加工表面粗糙度與各切削參數進行深入的研究，分析出高速加工中不同的切削參數對表面粗糙度的影響，現在就表面粗糙度與切削參數的單因素影響作出分析與研究。

1 表面粗糙度和主軸轉速的關系

實驗目的：研究鋁合金材料LY12表面粗糙度和主軸轉速之間的關系。

試驗條件：采用φ32mm硬質合金涂層刀具加工鋁合金試件，刀具的軸向進給0.4mm，徑向進給32mm，進給速度為6000m/min，冷卻方式為干切。

表1 主軸轉速和試驗測得表面粗糙度值

結果分析：從上圖1中可以看出，在所給定的試驗條件下，在開始階段鋁合金材料的表面粗糙度隨著主軸轉速的上升而下降，在轉速為8000r/m時，試件的表面粗糙度值達到最小，轉速超出8000后粗糙度值急劇上升，表明表面質量惡化。原因是機床轉速達到一定程度后，隨著切削速度的提高，在工件和刀具之間產生的的切削熱急劇增加，引起加工條件的惡化，刀具后刀面和已加工表面之間的摩擦會急劇加大，刀具的磨損加快，零件加工表面質量急劇降低。

2 表面粗糙度和進給速度之間的關系

試驗條件和以上相同，刀具的軸向進給減小到0.3mm，將機床的主軸轉速固定在8000rpm上，增加壓縮空氣的冷卻方式，來研究同一種材料的不同進給速度對表面粗糙度的關系。

表2 進給速度和試驗所測表面粗糙度的對照表

圖1 表面粗糙度值和主軸轉速的曲線圖

圖2 表面粗糙度和進給速度的曲線圖

結果分析：從圖中很明顯的看出，高速加工的表面粗糙度和切削進給速度成正相關，進給加快，粗糙度值變大，表面質量下降。這完全符合經典的切削理論知識。也可以從圖上看出，在進給速度從3m/min增加到13.5m/min，高速加工的表面粗糙度變化很小，Ra 值僅從 0.61μm 增加到 0.83μm，這和經典的切削理論有較大的矛盾。在普通切削加工中，如果進給速度發生幾倍的增大，對應的粗糙度值也會急劇的變化，而在本次高速切削試驗中，進給速度幾倍的增加時粗糙度變化不明顯。主要原因是高速加工本身的進給速度基數就很大，是普通切削加工的幾十倍，進給速度的變化對粗糙度的影響不明顯，另外一方面的原因是，本次試驗的軸向切深從0.5mm減小到0.3mm，同時增加了壓縮空氣冷卻，這兩方面的變化也能極大的改善高速刀具的切削狀況，使切削力減小，切削溫度降低，表面粗糙度值減小，使得圖2中的曲線變化趨于緩慢。

3 表面粗糙度和切削深度之間的關系

本次試驗采用相同的刀具，徑向進給32mm，主軸的轉速提高到10000rpm，進給速度為6m/min，切削深度從0.1mm增到0.8mm，高壓空氣冷卻。

表3 切削深度和試驗所測表面粗糙度的對照表

4 結論

圖5.3 粗糙度和軸向切深的關系曲線圖

在采用相同的刀具高速切削LY12鋁合金材料時，高速加工的零件的表面粗糙度值和軸向切深之間是成正相關的，隨著切削深度的加深，高速加工的表面粗糙度值增大，所得的零件表面質量下降。從實驗可以看出在較小從切削深度情況下，高速切削加工零件表面粗糙度值變化不大，如果切深超過一定程度，隨高速刀具的切削載荷和切削熱量的急劇增加，零件表面的粗糙度值急劇增加。

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