車銑切削力對機械加工的影響

程聯斌

(山西省機電設計研究院，山西 太原 030009)

0 引言

機械加工是基于機械加工設備對機械零件進行加工處理得到滿足要求產品的過程。機械加工主要包括車、銑、刨、磨等工種。自20世紀80年代以來，新興的車銑加工技術已被廣泛應用于機械加工行業。車銑加工技術并不是簡單的將車削和銑削兩種工種合并于一個機床上，而是基于車銑合成運動對原材料表面進行加工處理，使得所得產品的形狀、位置精度以及表面粗糙度等均滿足要求[1]。但是，對于結構相對復雜的零件而言，由于其結構的復雜性導致其受力情況復雜，使得采用車銑技術加工時常發生零件變形、產品不合格等問題。經研究可知，采用車銑技術時影響機械加工精度的因素主要包括車床的幾何誤差、加工過程中車銑切削力以及工件裝夾條件等。本文將著重研究車銑切削力對機械加工零件精度的影響。

1 車銑加工的概述

簡單的說，車銑技術是基于工件旋轉和銑刀旋轉的合成運動完成對工件的加工，使所得產品在位置、形狀以及表面粗糙度方面滿足要求的先進機械加工方法。車銑加工針對零件的加工過程主要包括4種運動，分別為銑刀旋轉、工件旋轉、銑刀軸向進給和銑刀徑向進給[2]。其中，銑刀旋轉為車銑加工的主要運動，根據所加工工件的不同特征可對不同零件采取軸向車銑、正交車銑以及一般車銑等加工工藝。與傳統零件切削加工工藝相比，車銑加工技術具有如下特點：

(1) 車銑加工過程主要為間斷切削，該切削更方便于切屑的排出，并有利于零件在加工過程中冷卻，使零件的加工溫度較低。

(2) 車銑加工過程中僅需對零件一次裝夾即可完成整個零件所有工序或者大部分工序的加工，大大提高了零件的加工效率；同時，一次裝夾也大大避免了多次裝夾所累積的安裝定位誤差，間接提高了零件加工精度。

(3) 車銑加工在高速加工過程中對零件的切削力僅為傳統加工手段的30%，大大降低了由于切削力導致的零件變形的概率；同時，較小的切削力對車床的沖擊力小，保證了車床的精度要求。

(4) 車銑加工中的車刀和銑刀均為多刃刀具。多刃刀具的應用一方面提高了刀具的使用壽命，另一方面在加工過程中保證了零件處于相對平穩的狀態，進而使得所加工零件的表面粗糙度滿足要求[3]。

(5) 車銑加工過程中的切削速度是工件旋轉和刀具旋轉合成的速度,因此，在高速切削過程中，即使是工件以超低速運行也可保證高速切削。對于超薄壁零件而言，可確保其在超低速情況下完成加工任務，避免了超薄壁零件在高速旋轉下產生變形。

(6) 車銑加工對零件的切削變形主要為絕熱剪切,因此，實際加工過程中所產生的絕大部分熱量由刀具帶走，留在工件上的溫度較低，從而減小了待加工零件的熱變形。

2 影響工件加工精度的因素分析

車銑復合加工中心是車銑加工技術的集中體現，也是當今順應時代發展要求的加工中心[4]。車銑復合加工中心結構如圖1所示。

圖1 車銑復合加工中心結構示意圖

車銑復合加工中心所加工零件的精度主要由刀具相對于工件的實時位置精度所決定。影響車銑復合加工零件加工精度的因素主要包括機床幾何誤差、切削力、控制系統、加工環境以及熱變形等。

2.1 機床幾何誤差對加工精度的影響

機床的幾何誤差主要是由機床導軌的誤差、機床主軸的誤差、機床移動部件相互間的垂直誤差以及傳動鏈之間的誤差所累積而成的誤差。機床幾何誤差可根據所加工產品的形態對其進行調整或者更換零部件等措施消除。

2.2 切削力對產品加工精度的影響

在實際加工過程中，刀具、夾具以及工件等均會受到切削力、夾緊力以及傳動力的影響，進而使得工件與刀具之間的相對位置被破壞，從而導致產品的加工誤差。針對車銑復合加工中心，切削力影響產品加工精度的主要原因是切削力會導致機床主軸、尾座以及刀塔變形[5]。

2.3 控制系統對產品加工精度的影響

車銑復合加工中心控制系統由于其算法、靈敏度等因素導致其在實際加工過程中存在零點飄移、穩定誤差等問題，從而影響產品的加工精度。

2.4 熱變形對產品加工精度的影響

在實際加工過程中，機床電機所發出的熱量、各個零部件摩擦所發出熱量以及工件與刀具在切削過程中產生的熱量等均會導致機床無法按照實際指令完成其相對應的動作或者動作不到位，導致所加工工件的精度不滿足要求。

3 實例分析

在影響工件加工精度的眾多因素中，切削力對工件精度影響的比重最大。本文以曲軸的加工為例著重探討車銑切削力對工件加工精度的影響機理。由于正交車銑主要適用于復雜回轉體的加工和長軸類零件的加工，因此，對于曲軸的加工而言，采用正交車銑的方式完成。正交車銑的工作示意圖如圖2所示。

本文采用ANSYS建模仿真分析的手段研究切削力對工件加工精度的影響。本文所研究曲軸共有3個連桿頸和5個主軸頸,連桿頸的直徑為Φ24 mm；主軸頸的直徑為Φ25 mm；曲軸的連桿臂長為15 mm；曲軸的總長為212 mm。曲軸的三維結構如圖3所示。

圖2正交車銑加工示意圖圖3曲軸三維結構

具體仿真結果如下：

車銑復合加工中心對曲軸第一連桿頸加工時，第一連桿頸處的最大變形量為1.028×10-3mm，第一連桿頸平均切向位移量為3.8×10-4mm，扭轉變形量為0.087′。對應得出，加工第一連桿頸時，其余兩個連桿

頸的變形量如表1所示。

表1 加工第一連桿頸時其余兩個連桿頸的變形量

車銑復合加工中心對曲軸第二連桿頸加工時，第二連桿頸的最大變形量為1.7×10-3mm，切向平均位移量為9.4×10-4mm，扭轉變形量為0.215′。對應得出，加工第二連桿頸時，其余兩個連桿頸的變形量如表2所示。

表2 加工第二連桿頸時其余兩個連桿頸的變形量

車銑復合加工中心對曲軸第三連桿頸加工時，第三連桿頸最大變形量為2.6×10-3mm，平均切向位移量為1.27×10-3mm，扭轉變形量為0.291′。 對應得出，加工第三連桿頸時，其余兩個連桿頸的變形量如表3所示。

表3 加工第三連桿頸時其余兩個連桿頸的變形量

綜上所述:根據工藝要求對第一、第二、第三連桿頸進行加工時，其對應的扭轉變形量逐漸增大，且最終扭轉變形量為0.291′。經仿真分析可知：切削力導致曲軸加工相位角的誤差為0.291′。

4 結語

車銑加工作為當前機械加工中相對先進的加工技術被廣泛應用于零部件的加工中，車銑復合加工中心作為車銑加工技術的集中體現是未來機械加工設備的發展方向。為進一步提升車銑加工技術的加工精度，需準確掌握影響產品加工精度的因素，分析各類因素影響產品加工精度的機理。經研究，切削力對車銑加工產品的加工誤差會不斷累加，進而影響產品的加工精度。