車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用機(jī)械制造專業(yè)

1、- I -摘 要車銑復(fù)合加工是利用銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)合成運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到加工的目的，這種加工方法能夠在工件轉(zhuǎn)速較低的情況下實(shí)現(xiàn)高速切削，能夠獲得比普通車削更好的加工質(zhì)量，特別適用于剛度較低的細(xì)長(zhǎng)軸類工件的切削加工。論文在將普通車床改造為車銑復(fù)合機(jī)床的基礎(chǔ)上，開(kāi)展一系列車銑試驗(yàn)，并將車銑與普通車削進(jìn)行對(duì)比，主要工作如下：基于普通臥式車床改造車銑復(fù)合加工機(jī)床，確定了機(jī)床整體布局方案，完成了銑削主軸選型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察車銑加工工件表面微觀形貌，研究了車銑復(fù)合加工表面微觀形貌隨切削參數(shù)的變化規(guī)律；以表面粗糙度為判斷依據(jù)，研究了工件轉(zhuǎn)速、銑刀轉(zhuǎn)速和切削厚度對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，得到的優(yōu)化切削參數(shù)為：工件轉(zhuǎn)速 90

2、 r/min，銑刀轉(zhuǎn)速16000 r/min，切削厚度 0.1 mm。利用 workbench 軟件對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，解釋了車銑加工過(guò)程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象的原因；為驗(yàn)證加工細(xì)長(zhǎng)軸等弱剛度件時(shí)車銑切削與普通車削相比更具優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展細(xì)長(zhǎng)軸車削、車銑對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果指出，車銑可以明顯改善細(xì)長(zhǎng)軸車削加工過(guò)程中撓曲現(xiàn)象，工件表面質(zhì)量獲得一定程度的改善。在優(yōu)化參數(shù)下反向車銑加工10 mm240 mm 細(xì)長(zhǎng)軸，工件尺寸誤差僅為 0.015 mm。關(guān)鍵詞：車銑；不銹鋼；細(xì)長(zhǎng)軸車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用- II -Design and Application of Turn-milling Composi

3、te MachineAbstract Turn-milling composite machine makes use of the rotation of the cutter and workpiece to achieve the processing. This processing method can achieve high-speed cutting under the condition of low speed of the workpiece and it can get a better surface quality, it particularly applies

4、to the processing of slender workpiece. This paper is about the transformation of lathe into turn-milling machine and some relevant experiments. By comparing turning to turn-milling, the main works are as follows: Finishing the transformation of the lathe into turn-milling machine, determining the l

5、ayout of the turn-milling machine, completing the selection of the milling spindle.Through experiments, observe the microstructure surface of the workpiece, research the influence of cutting parameters, based on the surface roughness, research the speed of workpiece and the cutting tool and the thic

6、kness of cutting to the impact of surface quality .Turn-milling experiments optimized parameters are as follows: workpieces speed is 90 r/min, cutting speed is 16000 r/min, cutting thickness is 0.1 mm. Using workbench to analyze dynamics characteristics of slender axis, explain the reason of the vib

7、ration of the cutting. In order to prove turn-milling can obtain better surface quality compared with turning, there are some turn-milling and turning experiments. From the experiments, it can conclude that turn-milling can markedly improve the deflection phenomenon of the machining process and the

8、quality of the workpiece surface gets better. Use the optimized parameter to cut the slender axis whose size is 10 mm240 mm, the workpieces dimension error just is 0.015 mm.Key Words：Turn-milling; Stainless Steel; Slender Axis車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用- III -目 錄摘 要 .IAbstract .II1 文獻(xiàn)綜述.11.1 選題背景和研究意義.11.2 車銑復(fù)合切削

9、研究綜述.21.2.1 國(guó)外研究綜述.21.2.2 國(guó)內(nèi)研究綜述.31.2.3 車銑發(fā)展趨勢(shì).41.3 細(xì)長(zhǎng)軸切削加工工藝.51.3.1 傳統(tǒng)加工.51.3.2 新興加工.71.4 論文主要研究?jī)?nèi)容.82 車銑原理及裝置設(shè)計(jì).102.1 車銑加工概述.102.1.1 車銑加工定義.102.1.2 車銑加工特點(diǎn).112.1.3 車銑技術(shù)主要內(nèi)容.112.2 車銑復(fù)合加工機(jī)床改造.122.2.1 機(jī)床整體布局方案.122.2.2 銑削主軸選型.122.2.3 車銑復(fù)合加工機(jī)床.142.3 本章小結(jié).153 正交車銑切削加工試驗(yàn).163.1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件.163.1.1 試驗(yàn)裝置.163.1.

10、2 試驗(yàn)條件.163.2 工件表面微觀形貌.173.2.1 微觀形貌.173.2.2 加工參數(shù)對(duì)表面形貌影響.183.3 工件表面質(zhì)量影響因素.203.3.1 工件轉(zhuǎn)速.20車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用- IV -3.3.2 銑刀轉(zhuǎn)速.213.3.3 切削厚度.223.3.4 優(yōu)選切削用量.223.4 刀具磨損試驗(yàn)分析.233.4.1 前刀面磨損.233.4.2 后刀面磨損.233.4.3 涂層脫落.243.4.4 微崩刃和碎斷.253.5 本章小結(jié).254 弱剛度件正交車銑切削加工.274.1 弱剛度件動(dòng)力學(xué)分析.274.1.1 機(jī)械加工中的振動(dòng).274.1.2 正交車銑細(xì)長(zhǎng)軸模型建立.284

11、.1.3 細(xì)長(zhǎng)軸動(dòng)力學(xué)分析.284.2 細(xì)長(zhǎng)軸切削加工.304.2.1 細(xì)長(zhǎng)軸車削車銑對(duì)比試驗(yàn).304.2.2 不同走刀方式.334.2.3 大長(zhǎng)徑比細(xì)長(zhǎng)軸車銑加工.334.3 本章小結(jié).34結(jié) 論.35參 考 文 獻(xiàn).36致 謝.38車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用11 文獻(xiàn)綜述1.1 選題背景和研究意義車銑復(fù)合加工是通過(guò)銑刀與工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來(lái)完成對(duì)工件的切削加工。車銑復(fù)合加工較易實(shí)現(xiàn)高速切削，且工件表面質(zhì)量好、加工精度高，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的加工技術(shù)。車銑復(fù)合加工包括工件旋轉(zhuǎn)、銑刀旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給、銑刀徑向進(jìn)給四個(gè)基本運(yùn)動(dòng)。車銑加工速度由銑刀和工件轉(zhuǎn)速共同決定，其中銑刀旋轉(zhuǎn)是主運(yùn)動(dòng)，尤

12、其是，在高速、超高速加工過(guò)程中，工件轉(zhuǎn)速對(duì)加工速度產(chǎn)生的作用可忽略不計(jì)。車銑復(fù)合加工的進(jìn)給速度由工件轉(zhuǎn)速、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給速度三個(gè)基本速度共同作用，其中工件轉(zhuǎn)速對(duì)進(jìn)給速度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)速度。銑刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)依不同的加工需求，可以選擇徑向進(jìn)給或軸向進(jìn)給，也能夠兩者同時(shí)選擇。按工件旋轉(zhuǎn)軸線和刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)位置的差別，車銑復(fù)合加工可分成正交車銑、軸向車銑、以及普通車銑。由工件軸線與刀具軸線在空間上的位置區(qū)別，可分為上偏心、無(wú)偏心、下偏心 3種情況。由工件和刀具在接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)向的不同，它們又可以分為順銑和逆銑兩種不同的加工方式，其中應(yīng)用最為普遍的兩種加工方法是軸向車銑與正交車銑，它們都具有各

13、自的優(yōu)勢(shì)以及局限性。常將長(zhǎng)徑比大于 25 的軸稱為細(xì)長(zhǎng)軸，在生產(chǎn)加工上有大量的應(yīng)用。如機(jī)床上的光杠、絲杠、發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的活塞桿等均為常見(jiàn)的細(xì)長(zhǎng)軸類工件。此外，在紡織、印刷、造紙等行業(yè)中有許多由無(wú)縫鋼管制成的細(xì)長(zhǎng)軸類導(dǎo)輥。這些細(xì)長(zhǎng)軸類工件的加工精度、表面質(zhì)量對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域中機(jī)械設(shè)備性能的充分發(fā)揮有著重大影響。細(xì)長(zhǎng)軸類工件剛度低，切削過(guò)程中易產(chǎn)生變形、振動(dòng)現(xiàn)象,加工精度低1；軸向尺寸大且通常采用小進(jìn)給量切削，切削熱作用引起的工件變形較大；同時(shí)，刀具磨損較快，被加工工件容易產(chǎn)生各種形狀誤差；此外，細(xì)長(zhǎng)軸切削過(guò)程中對(duì)刀具、夾具、輔具、切削用量?jī)?yōu)選等要求較高，對(duì)車間工作人員提出新的挑戰(zhàn)

14、。隨著汽車、飛機(jī)、航空航天、造船、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸類工件的加工精度、表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此尋找新的切削加工工藝，實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)軸類工件高質(zhì)高效加工日益重要。車銑復(fù)合切削加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工件低速旋轉(zhuǎn)而工件高速切削。高速切削時(shí)工件表面質(zhì)量較好，切削過(guò)程中切削力較小，細(xì)長(zhǎng)軸類工件受力變形較小，因而可以實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)軸類工件高質(zhì)、高效加工，具有廣闊的發(fā)展前景。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用21.2 車銑復(fù)合切削研究綜述車銑復(fù)合切削加工與傳統(tǒng)切削方法相比，在改善加工質(zhì)量、提高加工效率等方面潛力更大；此外，車銑復(fù)合切削特別適用于難加工材料切削、重型回轉(zhuǎn)體切削、大型薄壁回轉(zhuǎn)體切削、超高速切削等領(lǐng)域。近

15、年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車銑技術(shù)相關(guān)理論、車銑復(fù)合工藝應(yīng)用等方面開(kāi)展了廣泛的研究。1.2.1 國(guó)外研究綜述1955 年德國(guó)的 H. Weber 通過(guò)歸納自身眾多生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)技術(shù)期刊上發(fā)表了一篇名為用硬質(zhì)合金刀具銑削圓柱表面的文章，首次提出了用銑刀加工外圓表面的思想，開(kāi)辟了軸向車銑切削研究的先河2。詳細(xì)介紹了銑削外圓柱表面時(shí)主要切削參數(shù)的選用，并對(duì)加工后的表面質(zhì)量、成形精度進(jìn)行了研究。1983 年德國(guó)的 K. P. Sorge 在他的博士論文車銑技術(shù)里系統(tǒng)的介紹了車銑加工的另一種成形方法正交車銑，對(duì)正交車銑的切削運(yùn)動(dòng)原理、切削力、切削速度、已加工工件表面精度等展開(kāi)了開(kāi)拓性的研究工作2。1990

16、 年德國(guó)的 H. Schulz 等3將高速切削技術(shù)與車銑技術(shù)結(jié)合，并將其用于 100Cr6 軸承滾子切削加工，重點(diǎn)考察被加工工件的加工精度和表面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：車銑復(fù)合切削技術(shù)適合外圓表面的精密超精密切削加工。1997年 J. Kopac 和 M. Pogacnik 等4重點(diǎn)考察了車銑切削參數(shù)對(duì)加工工件質(zhì)量影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：刀具工件相對(duì)位置、加工振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量影響較大；與車削、銑削相比，車銑復(fù)合切削工藝更靈活、效率更高，適合小批量生產(chǎn)。2000 年印度的 Dr. S. K. Choudhury 等5開(kāi)展了正交車銑黃銅、中碳鋼相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與車削相比，車銑加工工件表面質(zhì)量較普

17、通車削提高 10 倍以上；此外，車銑較普通車削相比，有自動(dòng)斷屑方面的優(yōu)勢(shì)。2000 年，斯洛文尼亞學(xué)者 M. Pogacnik 等人6首次提出，限制車銑技術(shù)廣泛應(yīng)用源于切削過(guò)程中的不穩(wěn)定性，詳細(xì)介紹了通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)避開(kāi)車銑共振區(qū)域，抑制刀具磨損。2007 年，土耳其學(xué)者 Vedat Savas 等7提出了一種新的車銑加工的成形方法切向車銑，探索了切向車銑工藝極限加工能力，結(jié)果表明：切向車銑加工工件表面質(zhì)量接近磨削加工，加工成本與磨削比相對(duì)較低。2008 年，Vedat Savas 等8采用遺傳算法對(duì)切向車銑加工工件表面粗糙度進(jìn)行優(yōu)化。2014 年，土耳其學(xué)者 Emre Uysal 等9重點(diǎn)考

18、察了偏心效應(yīng)對(duì)正交車銑加工工件表面質(zhì)量、刀具磨損的影響。實(shí)驗(yàn)表明：通過(guò)優(yōu)化處理改變偏心距，被加工工件表面質(zhì)量能夠進(jìn)一步提高，且可以減少加工刀具的磨損。 從車銑加工中心產(chǎn)品角度來(lái)看，在 20 世紀(jì) 80 年代，奧地利的林茨機(jī)床公司（WFL）率先提出了全工序加工的概念即在一次裝夾中，完成被加工工件的所有車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用3車、銑、鉆、鏜等工序。在 20 世紀(jì) 90 年代國(guó)外研究并開(kāi)發(fā)出高性能的 CNC 車銑復(fù)合加工中心。進(jìn)入 21 世紀(jì)，將九軸五聯(lián)動(dòng)雙主軸雙刀架的車銑復(fù)合加工中心已較成熟推向市場(chǎng)。隨著 CNC 機(jī)床產(chǎn)品新技術(shù)功能部件的商業(yè)化，開(kāi)展研發(fā)數(shù)控車銑加工中心機(jī)床的廠商越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)

19、加劇，使機(jī)床產(chǎn)品的發(fā)展更為迅猛。隨著生產(chǎn)的需要，車銑復(fù)合加工中心，有了更快的發(fā)展，為滿足高精度回轉(zhuǎn)體零件一次裝夾完成精密切削而研發(fā)的五軸到九軸車銑復(fù)合加工中心，可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)切削加工。從近年來(lái)德國(guó)漢諾威國(guó)際機(jī)床展上，展出的 CNC 車銑加工中心機(jī)床來(lái)上來(lái)看，其數(shù)量和種類逐年增加，有的甚至能夠以車或銑帶替磨削加工，充分展示車銑中心機(jī)床向高速、高效、高精、柔性化、智能化、模塊化領(lǐng)域發(fā)展；數(shù)控功能部件向?qū)ｉT(mén)化、開(kāi)放式、智能型方向發(fā)展；機(jī)床產(chǎn)品的性價(jià)比朝著有利于用戶的方向發(fā)展。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究綜述20 世紀(jì)中期，國(guó)外興起的旋風(fēng)銑削加工技術(shù)被引進(jìn)國(guó)內(nèi)，并被運(yùn)用到機(jī)械加工生產(chǎn)實(shí)踐中，吸引了國(guó)內(nèi)一大批

20、學(xué)者的研究興趣，并對(duì)其相關(guān)技術(shù)展開(kāi)研究。20 世紀(jì) 60年代，北京手扶拖拉機(jī)廠10率先對(duì)旋風(fēng)銑削加工技術(shù)進(jìn)行研究及對(duì)此類機(jī)床進(jìn)行研制，并用旋風(fēng)銑削成功取代八、九級(jí)絲杠加工工藝中的精車工序,大大提高生產(chǎn)加工效率。20 世紀(jì) 90 年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了一系列螺紋旋風(fēng)銑削實(shí)驗(yàn)研究。劉志鋒等人10分析了影響旋風(fēng)銑削螺紋齒形精度的因素，得出了最佳銑頭傾角和其他影響齒形精度參數(shù)的規(guī)律。陳鐵成等人11介紹了在數(shù)控鏜銑床上,用旋風(fēng)銑削的方法加工大型內(nèi)圓錐螺紋的加工原理、加工工藝條件等。近 20 年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開(kāi)始集中展開(kāi)對(duì)車銑技術(shù)理論和車銑工藝應(yīng)用的研究。沈陽(yáng)理工大學(xué)的姜增輝、賈春德等人2對(duì)車銑相關(guān)理論展

21、開(kāi)系統(tǒng)的研究，對(duì)車銑技術(shù)基礎(chǔ)理論、車銑加工表面成形原理、切屑仿真、理論切削力等方面做了詳細(xì)論述，奠定了車銑加工理論研究的基礎(chǔ)。吉林大學(xué)的馬巖12研究了球頭銑刀車銑加工非軸對(duì)稱工件的切削力模型，詳細(xì)分析、計(jì)算車銑切削加工工藝參數(shù)對(duì)車銑加工切削力的影響。北京理工大學(xué)的劉克非等人13開(kāi)展了一系列正交實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)考察了車銑加工切削參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量影響程度。此外，實(shí)驗(yàn)證實(shí)選配合理的電主軸可以抑制車銑加工過(guò)程中的振動(dòng)，降低加工表面粗糙度。上海交通大學(xué)的馮付良14對(duì)軸向車銑加工進(jìn)行建模，建立了軸向車銑表面形貌的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，通過(guò)模型找出了影響工件表面質(zhì)量、表面微觀形貌的主要切削參數(shù)。車銑技術(shù)相關(guān)理論的研究

22、在國(guó)內(nèi)取得顯著的成就，隨著新一代車銑復(fù)合加工中心的成功研制，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)始對(duì)車銑技術(shù)相關(guān)理論應(yīng)用于機(jī)械加工生產(chǎn)實(shí)踐的研究。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用4沈陽(yáng)理工大學(xué)的劉煒等人15率先開(kāi)展弱剛度細(xì)長(zhǎng)桿類零件實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)剛度較低細(xì)長(zhǎng)桿，與傳統(tǒng)車削加工相比，正交車銑加工可以得到更好的表面質(zhì)量和更高的加工精度。黃巍等16根據(jù)等截面橫向振動(dòng)理論，建立了正交車銑加工細(xì)長(zhǎng)桿的動(dòng)力學(xué)模型，模擬結(jié)果表明：車銑加工中的振動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)?xì)長(zhǎng)軸切削加工過(guò)程中的強(qiáng)迫振動(dòng)起到一定程度上的抑制作用。北京理工大學(xué)的劉克非等17將車銑復(fù)合技術(shù)用于硬鋁合金微細(xì)軸切削加工技術(shù)，實(shí)際加工出長(zhǎng)徑比為 8 mm/0.2 mm

23、 的微細(xì)軸。東北大學(xué)的仲小正等18開(kāi)展了變導(dǎo)程變深度螺桿的車銑復(fù)合加工工藝的研究，實(shí)驗(yàn)證明了變導(dǎo)程變深度螺桿車銑復(fù)合加工工藝的可行性；通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以顯著提高生產(chǎn)效率、改善工件表面質(zhì)量。東北大學(xué)的田中梓等19建立了車銑加工葉片銑削力預(yù)測(cè)模型，并分析了銑削力對(duì)加工過(guò)程的影響及如何避免顫振等問(wèn)題，為高速車銑加工葉片及其他復(fù)雜曲面零件提供理論指導(dǎo)。沈陽(yáng)理工大學(xué)的吳波等20將車銑復(fù)合技術(shù)用于難加工材料鈦合金的切削加工，開(kāi)展一系列正交實(shí)驗(yàn)得到了高速車銑切削加工 TC4 鈦合金時(shí)的表面粗糙度數(shù)學(xué)模型，并對(duì)刀具的磨損情況開(kāi)展相關(guān)分析。1.2.3 車銑發(fā)展趨勢(shì)從國(guó)內(nèi)研發(fā)的車銑復(fù)合加工中心產(chǎn)品來(lái)看，制造出

24、產(chǎn)品的時(shí)間比較晚，大部分出現(xiàn)在 21 世紀(jì)初，尤其是開(kāi)發(fā)大型的 CNC 九軸五聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心。從 2005 年、2007 年兩屆北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)來(lái)看，國(guó)內(nèi)迫切需要研發(fā)這種高品質(zhì)的機(jī)床，機(jī)床主要生產(chǎn)商近年來(lái)都在謀求產(chǎn)品研發(fā)途徑，有些合資，有的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，都在大力開(kāi)發(fā)適應(yīng)消費(fèi)需求的高品質(zhì)產(chǎn)品。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需要，對(duì)高品質(zhì)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品提出了急切的需求。通過(guò)研發(fā)人員的不斷探索實(shí)踐，如今，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得較大的成績(jī)，尤其是沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)和大連機(jī)床集團(tuán)，在研究車銑復(fù)合加工中心方面已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的突破。大連機(jī)床公司研發(fā)的 CDH25 型九軸五聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心，雙主軸

25、雙刀架，一次裝夾即可完成所有加工工序，極大地提高了生產(chǎn)效率；沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)研發(fā)的 HTM63150iy 車銑復(fù)合加工中心，該機(jī)床特別適用于軍工、航空、航天等領(lǐng)域復(fù)雜零件的切削加工?，F(xiàn)今世界機(jī)床領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)是復(fù)合加工技術(shù)，復(fù)合加工機(jī)床已成為各國(guó)機(jī)床制造業(yè)研發(fā)的熱門(mén)產(chǎn)品。新型復(fù)合加工中心主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）配有仿真系統(tǒng)機(jī)床生產(chǎn)商同 CAM 軟件開(kāi)發(fā)商之間合作越來(lái)越緊密，許多車銑復(fù)合加工中心都配有仿真系統(tǒng)，這些仿真系統(tǒng)大體上能夠?qū)囥娂庸ぶ行倪M(jìn)行模擬、程序校驗(yàn)、自動(dòng)生成程序代碼、CNC 程序優(yōu)化等功能，大大提高加工效率以及生產(chǎn)的安全性。（2）多軸控制擴(kuò)大機(jī)床生產(chǎn)加工能力車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

26、5車銑加工中心有新的發(fā)展，現(xiàn)今機(jī)床大多數(shù)為雙主軸雙刀架九軸控制實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，此機(jī)床能夠在一次裝夾完成所有工序。（3）高速度、高質(zhì)量、復(fù)合化、智能化目前國(guó)內(nèi)車銑復(fù)合加工中心體現(xiàn)出高速度、高質(zhì)量、復(fù)合化、智能化的發(fā)展方向，其主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)（2000030000）r/min，進(jìn)給速度可達(dá)（3050）m/min，加速度提高了 20%，一般都實(shí)行閉環(huán)控制。1.3 細(xì)長(zhǎng)軸切削加工工藝細(xì)長(zhǎng)軸類工件長(zhǎng)徑比較大，切削過(guò)程中容易在切削力作用下,受力彎曲變形且極易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，其加工一直困擾著一代代工藝人員。國(guó)外學(xué)者對(duì)這方面研究較少，其研究主要集中在加工機(jī)理方面。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸新興加工工藝進(jìn)行了一系列探

27、索。新興加工工藝主要包括雙刀車削法、砂帶磨削法、誤差補(bǔ)償法等。1.3.1 傳統(tǒng)加工切削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，除了要解決由細(xì)長(zhǎng)軸的剛性不足引起的彎曲、振動(dòng)現(xiàn)象之外，在加工中也易出現(xiàn)錐度、中凹度、竹節(jié)形等誤差。夾拉車削法、反向車削法、跟刀架法作為傳統(tǒng)細(xì)長(zhǎng)軸加工工藝,在改善上述誤差方面效果顯著，并且至今仍在使用。（1）夾拉車削法夾拉車削加工時(shí)，工件不再處于傳統(tǒng)的一夾一頂裝夾狀態(tài)，而是一夾一拉。華北工學(xué)院的龐學(xué)慧等人21在砂軸國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目中首次將軸向夾拉工藝用于細(xì)長(zhǎng)軸的車削加工，實(shí)現(xiàn)了24 mm970 mm 細(xì)長(zhǎng)軸切削加工，加工后細(xì)長(zhǎng)軸尺寸公差值為0.054 mm，全程直線度為 0.06 mm。圖 1.1 為龐學(xué)慧

28、等人設(shè)計(jì)的夾拉頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖 1.1 夾拉頭結(jié)構(gòu)（2）逆向車削法華北工學(xué)院的武文革等22提出了可逆向切削加工理論，研究了逆向車削的運(yùn)動(dòng)方式及其特點(diǎn)，其示意圖如圖 1.2 所示。在國(guó)內(nèi)首次將逆向車削用于細(xì)長(zhǎng)軸切削加工實(shí)踐車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用6中，建立了細(xì)長(zhǎng)軸正向、逆向車削彎曲變形的力學(xué)模型，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了力學(xué)模型的合理性。張于賢等人23分析了正向、逆向切削條件下，切削力引起的加工變形對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸尺寸誤差的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：逆向車削細(xì)長(zhǎng)軸的尺寸誤差都要比正向切削小。圖 1.2 逆向車削示意圖（3）跟刀架法跟刀架是一種徑向支撐旋轉(zhuǎn)工件的輔助裝置，在細(xì)長(zhǎng)軸切削加工時(shí)，與工件一起軸向移動(dòng)，限制細(xì)長(zhǎng)軸

29、切削過(guò)程中的振動(dòng)。山東萊蕪紡織機(jī)械廠的朱光榮等人24首先在 C616 車床上使用簡(jiǎn)易跟刀架對(duì)10 mm200 mm 的小軸進(jìn)行切削加工，較好的解決了細(xì)小軸切削中出現(xiàn)的“中凸”現(xiàn)象。吉林職業(yè)技術(shù)學(xué)院的李曉舟等人25研制出用于細(xì)長(zhǎng)軸切削加工的磁力跟刀架，其工作原理圖如圖 1.3 所示。應(yīng)用磁力跟刀架進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)軸切削實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明：磁力跟刀架在減小工件鼓形誤差、提高工件表面質(zhì)量、提高生產(chǎn)率上明顯優(yōu)于普通跟刀架；在一般工藝條件下，在 CA6140 臥式車床上使用磁力跟刀架切削30 mm1000 mm 細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，鼓形誤差可達(dá) 0.02 mm 以下，工件表面粗糙度達(dá) Ra1.6 m，工件最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 1

30、400 r/min。圖 1.3 磁力跟刀架輔助切削車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用7傳統(tǒng)細(xì)長(zhǎng)軸切削工藝在一定程度上解決了細(xì)長(zhǎng)軸切削加工中的誤差問(wèn)題，但他們也有一些不足。夾拉車削需要設(shè)計(jì)一套專用夾頭工裝，且工件對(duì)中問(wèn)題較困難。逆向車削法需要設(shè)計(jì)專用刀具，加工成本增加。跟刀架車削需要保證機(jī)床主軸、跟刀架、頂尖三者同心，對(duì)機(jī)加工操作人員提出了更高的要求。1.3.2 新興加工（1）雙刀車削法圖 1.4 雙刀車削西華大學(xué)的鄧志平等人26為解決細(xì)長(zhǎng)軸切削過(guò)程中，由切削力引起的彎曲變形較大問(wèn)題提出了雙車刀同時(shí)切削方法，雙刀車削工作原理圖如圖 1.4 所示。應(yīng)用雙車刀切削法進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)軸切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：雙刀車削方法

31、可以極大地提高加工精度和切削加工生產(chǎn)效率，減少能量消耗；在 NZ-S1500/1000 雙刀塔車床上雙刀車削34 mm700 mm 試件，切削速度 150 m/min，背吃刀量 1 mm，進(jìn)給速度 0.6 mm/min，試件軸向尺寸誤差達(dá) 0.025 mm。張正義等人27建立了對(duì)稱式雙刀車削受力模型，重點(diǎn)分析了刀具加工點(diǎn)位置與刀具間距的關(guān)系，確定了雙刀車削刀具間距的最優(yōu)解。（2）砂帶磨削法圖 1.5 砂帶磨削法車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用8華北工學(xué)院的李虹等人28率先提出開(kāi)式砂帶磨削加工細(xì)長(zhǎng)軸類零件的工藝方法，開(kāi)式砂帶磨削工作原理圖如圖 1.5 所示。在 CM6125 車床橫拖板完成砂帶磨削設(shè)備

32、裝置的搭建，對(duì)直徑 10 mm50 mm，長(zhǎng)徑比 720 的細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行一系列砂帶磨削實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：砂帶磨削工藝技術(shù)指標(biāo)為：表面粗糙度 Ra0.32 m0.68 m，尺寸精度 IT5IT7，圓度 57 級(jí)。（3）誤差補(bǔ)償法圖 1.6 誤差補(bǔ)償合肥工業(yè)大學(xué)的費(fèi)業(yè)泰等人29根據(jù)細(xì)長(zhǎng)軸切削過(guò)程中，易受力、受熱變形產(chǎn)生加工誤差等特點(diǎn)，提出誤差補(bǔ)償技術(shù)實(shí)時(shí)修正加工誤差，誤差補(bǔ)償原理圖如圖 1.6 所示。大連理工大學(xué)的郭建亮等人30為驗(yàn)證誤差補(bǔ)償技術(shù)，將其用于15 mm450 mm 細(xì)長(zhǎng)軸試件的切削加工中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在不改變機(jī)床精度的前提下，采用誤差補(bǔ)償技術(shù)，試驗(yàn)用細(xì)長(zhǎng)軸試件尺寸誤差從 0.0

33、7 mm 降為 0.02 mm。西華大學(xué)的鄧志平等31將單片機(jī)技術(shù)引入誤差補(bǔ)償輔助切削細(xì)長(zhǎng)軸，能夠顯著抑制尺寸誤差。1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容綜上所述，傳統(tǒng)加工雖然在一定程度上能夠減小加工誤差等問(wèn)題，但需設(shè)計(jì)專用夾具或刀具，加工成本高；同樣，新興加工技術(shù)也存在加工裝置復(fù)雜等問(wèn)題，而且兩者對(duì)于一些難加工材料細(xì)長(zhǎng)軸類工件的表面質(zhì)量難以保證。車銑加工細(xì)長(zhǎng)軸能夠在一定程度上降低細(xì)長(zhǎng)軸切削受力變形，并能顯著提高工件表面質(zhì)量，同時(shí)能夠完成難加工材料細(xì)長(zhǎng)軸的切削加工。論文將在分析車銑復(fù)合切削理論的基礎(chǔ)上，基于普通車床完成車銑復(fù)合機(jī)床改造，針對(duì)不銹鋼、細(xì)長(zhǎng)軸等加工對(duì)象進(jìn)行車銑復(fù)合切削加工實(shí)驗(yàn)。主要內(nèi)容包括：車銑

34、復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用9（1）分析車銑復(fù)合切削的基本原理，基于普通車床完成車銑復(fù)合機(jī)床改造；設(shè)計(jì)專用拉具，輔助細(xì)長(zhǎng)軸切削加工。（2）利用 TiAlN 涂層刀具開(kāi)展不銹鋼車銑切削加工實(shí)驗(yàn)研究，分析工件轉(zhuǎn)速、銑刀轉(zhuǎn)速、切削厚度對(duì)表面質(zhì)量影響規(guī)律；探索車銑切削參數(shù)對(duì)加工表面群凹槽結(jié)構(gòu)影響規(guī)律；開(kāi)展車銑切削不銹鋼刀具磨損、刀具耐用度相關(guān)研究。（3）利用 Workbench 對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸進(jìn)行車銑動(dòng)力學(xué)特性分析，為工藝選擇、切削參數(shù)優(yōu)選提供理論依據(jù)。開(kāi)展車削車銑加工對(duì)比試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)考察車銑切削參數(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工精度影響規(guī)律，并得出較優(yōu)的工藝參數(shù)組合。正交車銑切削加工不銹鋼細(xì)長(zhǎng)軸，考察走刀方式對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工精度影

35、響。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用102 車銑原理及裝置設(shè)計(jì)車銑復(fù)合加工是利用銑刀與工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)以達(dá)到對(duì)工件的切削加工，其切削機(jī)理與傳統(tǒng)切削加工方法有較大不同，并非車削和銑削的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是在數(shù)控技術(shù)得到較快發(fā)展背景下產(chǎn)生的一種新的機(jī)加工方法。研究車銑復(fù)合切削的相關(guān)原理有助于全面理解刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡及加工表面形成機(jī)理。本章將在充分研究車銑切削相關(guān)原理基礎(chǔ)上，基于普通車床完成車銑復(fù)合專用機(jī)床相關(guān)改造。2.1 車銑加工概述2.1.1 車銑加工定義車銑復(fù)合加工作為目前國(guó)際上最流行的機(jī)加工工藝，其加工原理如下圖 2.1 所示。切削加工時(shí)，工件、銑刀同時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)銑刀沿工件軸向、徑向進(jìn)給包絡(luò)出加工表

36、面。車銑加工不是簡(jiǎn)單的將車削、銑削功能集中到一臺(tái)機(jī)床上，而是利用車銑合成運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種工件表面的加工2。圖 2.1 車銑加工原理圖車銑加工根據(jù)被加工工件旋轉(zhuǎn)軸線和銑刀旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)位置不同，可以分為軸向車銑、正交車銑、切向車銑以及一般車銑，如下圖 2.2 所示。根據(jù)銑刀和被加工工件旋轉(zhuǎn)相對(duì)方向不同，車銑可分為順銑和逆銑兩種形式。軸向車銑工件軸線和銑刀軸線平行，不但可以加工外圓表面，還能用于加工內(nèi)孔表面。正交車銑工件軸線和銑刀軸線垂直，加工外圓表面時(shí)縱向形成不受限制，適合細(xì)長(zhǎng)軸類工件切削加工。切向車銑工件軸線和銑刀軸線垂直且圓周切削刃與加工工件表面相切，切向車銑加工工件表面質(zhì)量較高，能夠以銑代磨，用

37、于工件精密超精密加工。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用11（a）正交車銑 （b）軸向車銑 （c）切向車銑圖 2.2 三種典型車銑加工方式2.1.2 車銑加工特點(diǎn)與傳統(tǒng)切削加工方法相似，車銑復(fù)合切削加工只有在特定的切削加工條件下才能充分發(fā)揮車銑加工的優(yōu)勢(shì)。車銑加工作為當(dāng)下應(yīng)用最廣泛的機(jī)加工方法之一，有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）不同于車削，車銑復(fù)合切削加工可以在工件轉(zhuǎn)速較低的情況下實(shí)現(xiàn)高速切削。高速切削較普通切削切削力降低 30%，當(dāng)用于細(xì)長(zhǎng)軸類弱剛度工件切削加工時(shí)，工件因受切削力變形而引起的加工誤差也隨之降低。（2）車銑復(fù)合為斷續(xù)切削加工，切屑較短，便于加工過(guò)程中自動(dòng)排屑；斷續(xù)切削，刀具在切削過(guò)程中周期性冷卻，

38、刀具壽命更長(zhǎng)，進(jìn)一步降低加工成本。（3）多刃切削，切削加工過(guò)程較平穩(wěn)；多刃切削輔以高速切削，能夠大大提高生產(chǎn)率，降低加工成本。（4）車銑復(fù)合切削較普通車削，被加工工件的表面質(zhì)量更高，使用較大的縱向進(jìn)給也可以得到較低的表面粗糙度。細(xì)長(zhǎng)軸類工件車銑復(fù)合切削加工時(shí)，工件可以在低速旋轉(zhuǎn)下高速切削。高速切削中低切削力優(yōu)勢(shì)能夠得到發(fā)揮。工件低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力等引起的工件變形能夠在一定程度上得到緩解。細(xì)長(zhǎng)軸類工件切削加工通?？v向行程較長(zhǎng)，刀具長(zhǎng)時(shí)間切削，刀具溫度較高磨損較快，車銑復(fù)合切削的刀具周期性冷卻，能夠在一定程度抑制刀具磨損。車銑復(fù)合切削的斷續(xù)切削產(chǎn)生周期性激振力，一定程度抑制細(xì)長(zhǎng)軸切削時(shí)自激振動(dòng)，顯

39、著改善工件表面質(zhì)量。2.1.3 車銑技術(shù)主要內(nèi)容車銑技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容有車銑基本理論、車銑切削刀具、被加工工件、切削加工過(guò)程以及車銑復(fù)合加工中心五個(gè)領(lǐng)域。車銑基本理論有車銑運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、已加車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用12工工件的理論表面粗糙度以及加工過(guò)程等內(nèi)容，這些內(nèi)容是數(shù)控車銑中心研究開(kāi)發(fā)、切削刀具選擇與設(shè)計(jì)和加工工藝規(guī)程制定的技術(shù)基礎(chǔ)及研究的難點(diǎn)。車銑用刀具與普通銑削刀具有很大區(qū)別，因?yàn)檐囥娨话闶怯勉娗邢骷庸せ剞D(zhuǎn)體，所以，刀具的前角、后角、刃傾角、主副切削刃等刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)與一般銑削不同。一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控車銑加工中心，至少需有 X、Y、Z、B 和 C 五個(gè)軸，其中三至五軸可聯(lián)動(dòng)。在這樣的加工

40、中心上，可實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成車、銑、鉆、鏜等多個(gè)工序，從而減小重復(fù)裝夾誤差。編程是數(shù)控車銑的另一難點(diǎn)。由于現(xiàn)今開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)多數(shù)是針對(duì)車、銑、鉆等傳統(tǒng)切削加工工藝，若將其應(yīng)用到數(shù)控車銑中心，一般需再次開(kāi)發(fā)，且車銑切削加工是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，因此，如沒(méi)掌握車銑基本理論，編程將會(huì)非常困難。2.2 車銑復(fù)合加工機(jī)床改造2.2.1 機(jī)床整體布局方案本課題擬基于普通臥式車床完成車銑復(fù)合機(jī)床改造，用于中碳鋼、不銹鋼等各種難加工材料細(xì)長(zhǎng)軸車銑復(fù)合切削加工。改造后機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)車銑復(fù)合運(yùn)動(dòng)的四個(gè)基本運(yùn)動(dòng)：銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、被加工工件的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及其徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。改造后的機(jī)床需要在原機(jī)床車削主軸的基礎(chǔ)上增加銑削主軸，

41、銑削主軸可以在水平方向有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，垂直方向上可以定量進(jìn)給。改造后的機(jī)床整體布局如圖 2.3 所示，從圖中可以看出，車銑復(fù)合機(jī)床的最為重要的部件是車削主軸和銑削主軸，由于該機(jī)床是在普通車床上改造的，因此，車削主軸仍保留原有車床主軸，現(xiàn)在主要考虐銑削主軸。圖 2.3 機(jī)床整體布局車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用132.2.2 銑削主軸選型（1）主軸動(dòng)力選擇銑削主軸的選型是機(jī)床改造的關(guān)鍵流程之一，銑削主軸的運(yùn)動(dòng)誤差特性直接影響被加工工件的表面質(zhì)量和加工精度。為實(shí)現(xiàn)微小型零件切削加工，銑削主軸應(yīng)保證能夠穩(wěn)定、高速旋轉(zhuǎn)。目前，機(jī)床主軸動(dòng)力常見(jiàn)選擇有普通電機(jī)、氣動(dòng)馬達(dá)和電主軸三種。普通電機(jī)的軸承一般為深溝球軸承

42、，主要承受的是徑向載荷，不能承受大的軸向力，需要設(shè)計(jì)專用的機(jī)械主軸，機(jī)械主軸與電機(jī)之間通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接，聯(lián)軸器所連接的兩軸，存在制造和安裝誤差、承載后易產(chǎn)生變形及受溫度變化影響且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主軸高速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不能保證。氣動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高，但轉(zhuǎn)速不易控制且需要穩(wěn)定的高壓氣源，實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法滿足。電主軸成本不高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)，輸出端可直接夾持刀具，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、慣性較小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，能夠簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種較為理想的裝置，復(fù)合機(jī)床改造要求，試驗(yàn)選用電主軸為銑削主軸提供銑削動(dòng)力。下圖 2.4 為實(shí)驗(yàn)選用的電主軸。圖 2.

43、4 電主軸（2）電主軸功率優(yōu)選 車銑切削加工過(guò)程中，切削厚度動(dòng)態(tài)變化，切削力隨之變化。切削力由圓弧刃切削力和端面刃切削力兩部分組成，其中圓弧刃切削力是主切削力。目前正交車銑切削力理論和經(jīng)驗(yàn)公式研究較少，尚無(wú)確切研究結(jié)果。本文擬根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)估算車銑過(guò)程切削力進(jìn)而計(jì)算切削功率完成電主軸選型。假設(shè)：點(diǎn) A 為銑刀銑削時(shí)刀齒與工件接觸時(shí)的瞬間接觸點(diǎn)；F 為點(diǎn) A 處銑削力；F為點(diǎn) A 處銑削力的切向分力。Fr為點(diǎn) A 處銑削力的徑向分力；F為點(diǎn) A 處銑削力的切向分力。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用14切向分力 F的經(jīng)驗(yàn)公式為： （2.1）0.860.720.86pFef=F Ca Z

44、aad式中：CF 銑削力系數(shù)； ae 銑削寬度；af 每齒進(jìn)給量；d 銑刀直徑；ap 銑削厚度；Z 銑刀齒數(shù)；徑向分力 Fr 的經(jīng)驗(yàn)公式為： （2.2）r0.85FF以不銹鋼材料為例，銑刀選用硬質(zhì)合金硬銑刀，銑刀直徑 d=4 mm、齒數(shù) Z=4。銑削厚度 ap=0.5 mm，銑削寬度 ae=1 mm，每齒進(jìn)給量 af=0.2 mm/r。查詢機(jī)加工工藝手冊(cè)可知，CF=750。則：F=99.6 N，F(xiàn)r=84.7 N，F(xiàn)=130.8 N。高速車銑加工不銹鋼，切削速度最低需達(dá)到 600 m/min。銑削主軸功率為： （2.3）130.8 6001308W6060F VP為滿足不銹鋼高速車銑加工要求，

45、試驗(yàn)選用電主軸功率為 1500 W。2.2.3 車銑復(fù)合加工機(jī)床圖 2.5 車銑復(fù)合加工機(jī)床試驗(yàn)用車銑復(fù)合機(jī)床基于德國(guó) Walter Blombach GmbH 公司產(chǎn)小型車床 D6000 改造。車床床身材料為灰鑄鐵，整體輪廓尺寸為 1230 mm500 mm490 mm，功率為1.4 kW；主軸精度為 0.005 mm，軸向加工尺寸 100 mm，誤差為 0.01 mm；主軸可以在30 r/min2300 r/min 范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變速；進(jìn)給量有 0.085 mm 和 0.16 mm 兩檔。車削主軸采用的是帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，皮帶可彈性吸振，傳動(dòng)較平穩(wěn)。拆除車床車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)

46、用15已有轉(zhuǎn)盤(pán)和刀架裝置，設(shè)計(jì)一套銑削主軸夾具工裝，使銑削電主軸安裝在與車床主軸相垂直的導(dǎo)軌上，車銑用的刀具安裝在電主軸上，電主軸可沿與車床主軸垂直的導(dǎo)軌移動(dòng)，通過(guò)進(jìn)給裝置調(diào)整銑刀的進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合切削加工功能。夾具工裝與車床下刀架之間通過(guò)銷定位保證銑削主軸與機(jī)床主軸垂直。電主軸夾具材料為鋁合金材料，保證電主軸散熱性良好。電主軸額定功率 1.5 kw，最高轉(zhuǎn)速 24000 r/min，徑向跳動(dòng)量 0.01 mm，同軸度 0.025 mm。機(jī)床整體布局如圖 2.5 所示。2.3 本章小結(jié)本章首先介紹了車銑復(fù)合加工基本原理及相關(guān)理論，包括車銑復(fù)合加工基本運(yùn)動(dòng)、車銑復(fù)合加工特點(diǎn)等，為后續(xù)工藝選擇

47、及加工表面質(zhì)量相關(guān)分析提供理論基礎(chǔ)。然后對(duì)關(guān)鍵部件銑削主軸選型，基于普通車床完成車銑復(fù)合加工機(jī)床改造。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用163 正交車銑切削加工試驗(yàn)不銹鋼材料綜合特性好、耐腐蝕能力強(qiáng)，在航空宇航制造、航海、核電等領(lǐng)域獲得廣泛的使用。但是，材料的加工硬度大導(dǎo)致切削力較大、導(dǎo)熱性差導(dǎo)致切削區(qū)溫度較高，且傳統(tǒng)切削加工表面質(zhì)量較差，刀具磨損較嚴(yán)重。而車銑復(fù)合切削為斷續(xù)切削，刀具與工件有一定的分離時(shí)間，能讓刀具得到冷卻，刀具磨損現(xiàn)象較輕。此外，車銑復(fù)合切削一般為高速超高速切削，加工工件表面質(zhì)量較好。論文擬發(fā)揮車銑復(fù)合加工的優(yōu)勢(shì)，將其用于難加工材料不銹鋼的切削加工。本章將通過(guò)試驗(yàn)研究車銑切削有關(guān)參

48、數(shù)對(duì)被加工工件表面形貌、表面質(zhì)量的影響規(guī)律。研究正交車銑刀具磨損相關(guān)機(jī)理與刀具耐用度，為后續(xù)展開(kāi)正交車銑工藝應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。3.1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件3.1.1 試驗(yàn)裝置本章全部試驗(yàn)都在上文改造的車銑復(fù)合機(jī)床上完成。切削使用刀具是 TiAlN 涂層硬質(zhì)合金銑刀。TiAlN 涂層刀具有以下優(yōu)點(diǎn)：材料硬度高、耐高溫、熱硬性好、附著力強(qiáng)、摩擦阻力小、導(dǎo)熱率低，適合加工不銹鋼這類難加工材料，其材料性能見(jiàn)表3.1。試驗(yàn)加工的工件是常見(jiàn)難加工材料 304 不銹鋼，其主要組成見(jiàn)表 3.2。表 3.1 TiAlN 材料機(jī)械物理性能硬度導(dǎo)熱系數(shù)氧化溫度楊氏模量HVW/(mK)熱膨脹系數(shù)K摩擦系數(shù)GPa272070

49、00.91.1810-690011000.10.31000表 3.2 304 不銹鋼化學(xué)成分元素CSiMnCrNiSFe含量0.081.02.01820810.50.03其余3.1.2 試驗(yàn)條件本章試驗(yàn)都使用逆銑、干切削。軸向進(jìn)給量為定值 0.085 mm/r，其它主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表 3.3。試驗(yàn)中工件表面形貌及粗糙度用 Zygo New View5022 三維表面輪廓儀測(cè)量，用舜宇 SZM45 體視顯微鏡檢測(cè)銑刀后刀面磨損。車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用17表 3.3 主要試驗(yàn)參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值工件轉(zhuǎn)速 NW(r/min)60180銑刀轉(zhuǎn)速 Nc(r/min)1000018000切削厚度 ap(r/

50、min)0.050.25銑刀直徑 d0(r/min)4、63.2 工件表面微觀形貌車銑復(fù)合加工工件表面微觀形貌是由工件與銑刀旋轉(zhuǎn)包絡(luò)形成，不同于傳統(tǒng)車削、銑削加工形成的表面溝槽形貌。工件加工后表面微觀形貌對(duì)工件的耐磨、耐腐蝕及其他性能影響很大，研究車銑加工工件表面微觀形貌有重要意義。目前對(duì)車銑加工工件表面微觀形貌的試驗(yàn)研究偏少。本節(jié)將通過(guò)試驗(yàn)觀察加工參數(shù)對(duì)表面形貌的影響，并研究其包含的變化規(guī)律。3.2.1 微觀形貌 （a）溝槽形貌 （b）群凹坑形貌圖 3.2 車銑加工工件表面三維微觀形貌 (a)整數(shù)倍 (b)非整數(shù)倍圖 3.3 正交車銑刀刃軌跡投影圖 3.2 (a)為車銑加工工件表面出現(xiàn)機(jī)會(huì)較

51、少的類似車削加工的表面溝槽形貌，工件加工表面紋理線與工件軸向線形成一個(gè)夾角，這些紋理線自身近似互相平行。原因車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用18是銑刀對(duì)工件轉(zhuǎn)速比為整數(shù)倍，銑刀繞工件旋轉(zhuǎn)一周可以形成封閉曲線，如下圖 3.3 (a)。在加工中的每一周，銑刀和工件嚙合位置不變，加工產(chǎn)生的波峰與波谷在相同的側(cè)母線上，在加工表面產(chǎn)生與工件軸向成一定角度的縱向刀痕。圖 3.2 (b)為車銑加工表面出現(xiàn)機(jī)率較多的網(wǎng)格狀形貌，其原因是車床主軸與銑削動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速比會(huì)出現(xiàn)誤差，而實(shí)際切削加工過(guò)程中銑刀對(duì)工件轉(zhuǎn)速比非整數(shù)倍，銑刀繞工件旋轉(zhuǎn)一周不能形成封閉曲線，如上圖 3.3 (b)。切削中的每一周，銑刀和工件嚙合地點(diǎn)不同

52、，加工產(chǎn)生的波峰與波谷不在相同的側(cè)母線上，在加工表面形成錯(cuò)開(kāi)的波峰波谷。這些錯(cuò)開(kāi)的波峰波谷在工件表面擴(kuò)展成群凹坑形貌，該形貌在微儲(chǔ)油、減磨等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。3.2.2 加工參數(shù)對(duì)表面形貌影響（1）工件轉(zhuǎn)速(a) 90 r/min(b) 150 r/min(c) 180 r/min三維形貌二維形貌圖 3.4 不同工件轉(zhuǎn)速車銑表面微觀形貌車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用19上圖 3.4 為銑刀轉(zhuǎn)速 14000 r/min，切削厚度 0.1 mm 時(shí)，選取三組不同工件轉(zhuǎn)速進(jìn)行車銑復(fù)合試驗(yàn)獲得的工件表面微觀形貌。圖中藍(lán)色部分為表面低點(diǎn)，紅色部分為表面高點(diǎn)，由此可知加工表面形成類似菱形群凹坑形貌。隨工件轉(zhuǎn)

53、速增加，工件表面群凹坑數(shù)量減少，凹坑微觀尺寸增大。工件轉(zhuǎn)速減小，刀具對(duì)工件轉(zhuǎn)速比增大，工件表面刀具軌跡越來(lái)越密集，嚙合頻率越來(lái)越高，見(jiàn)上圖 3.4。此外，工件轉(zhuǎn)速取較小值時(shí)，工件加工表面會(huì)出現(xiàn)大量毛刺。（2）銑刀轉(zhuǎn)速圖 3.5 為工件轉(zhuǎn)速 90 r/min，切削厚度 0.1 mm 時(shí)，選取不同刀具轉(zhuǎn)速進(jìn)行車銑加工試驗(yàn)時(shí)獲得的工件表面微觀形貌。從圖中可以看到，銑刀轉(zhuǎn)速取 10000 r/min 時(shí)，工件表面出現(xiàn)大量毛刺，破壞了工件表面群凹坑形貌。隨刀具轉(zhuǎn)速增大，群凹坑數(shù)量變多，凹坑微觀尺寸減小，這是由銑刀轉(zhuǎn)速增加造成刀具對(duì)工件轉(zhuǎn)速比變大引起的。當(dāng)銑刀轉(zhuǎn)速增加到 16000 r/min，工件表面較

54、平坦，群凹坑現(xiàn)象幾乎不復(fù)存在。(a) 10000 r/min(b) 12000 r/min(c) 16000 r/min三維形貌二維形貌圖 3.5 不同銑刀轉(zhuǎn)速車銑表面微觀形貌車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用20工件表面的群凹坑形貌可以存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，在抗磨減阻、延長(zhǎng)零件使用壽命等方面具有很大潛力。試驗(yàn)表明，適當(dāng)?shù)倪x擇加工參數(shù)可以在工件表面產(chǎn)生明顯的群凹坑形貌。軸向進(jìn)給量、刀具對(duì)工件轉(zhuǎn)速比等參數(shù)對(duì)工件加工表面群凹坑形貌有很大影響，在此次試驗(yàn)中，軸向進(jìn)給量保持 0.085 mm/r 不變，刀具對(duì)工件轉(zhuǎn)速比限制在 60150能夠獲得較為明顯的群凹坑形貌。隨刀具對(duì)工件轉(zhuǎn)速比不斷增大，工件表面群凹坑形貌徹底消失

55、，工件表面形成類似磨削加工可獲得的平坦形貌。下圖 3.6 為刀具對(duì)工件轉(zhuǎn)速比取 300 時(shí)，工件已加工表面微觀形貌，此時(shí)工件已加工表面較平坦，粗糙度偏低，群凹坑形貌完全消失。(a)三維輪廓(b)二維輪廓圖 3.6 大轉(zhuǎn)速比車銑表面微觀形貌3.3 工件表面質(zhì)量影響因素工件表面質(zhì)量對(duì)零件的耐磨性能、耐疲勞性能、應(yīng)力、耐腐蝕能力等有重要影響，而粗糙度是衡量工件表面加工質(zhì)量的最重要的標(biāo)準(zhǔn)。為得到表面質(zhì)量較好的細(xì)長(zhǎng)軸零件，以表面粗糙度為判斷依據(jù)，試驗(yàn)研究工件轉(zhuǎn)速、銑刀轉(zhuǎn)速、切削厚度等主要工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律。3.3.1 工件轉(zhuǎn)速刀具轉(zhuǎn)速 14400 r/min，切削厚度 0.1 mm，刀具

56、直徑 4 mm，工件直徑 10 mm 時(shí)，逆銑、室溫風(fēng)冷冷卻，選擇不同工件轉(zhuǎn)速開(kāi)展車銑加工試驗(yàn)，得到的表面粗糙度變化曲線，見(jiàn)下圖 3.7。從圖中可以得出，在以上加工條件下，穩(wěn)態(tài)切削時(shí)，加工表面粗糙度值隨工件轉(zhuǎn)速提高而變大。其原因是工件轉(zhuǎn)速直接影響車銑復(fù)合切削加工周向進(jìn)給量，工件轉(zhuǎn)速增大，周向進(jìn)給量也變大，切削加工后工件周向殘留面積隨之增大，使工件的表面粗糙度變大。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為 120 r/min 時(shí)，加工時(shí)發(fā)生振動(dòng)，工件表面粗糙車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用21度較大。這是因?yàn)楣ぜD(zhuǎn)速為 120 r/min、銑刀轉(zhuǎn)速為 14400 r/min 時(shí)，銑削頻率接近切削系統(tǒng)的固有頻率，切削時(shí)工件與系統(tǒng)發(fā)

57、生共振現(xiàn)象。表表面面粗粗糙糙度度表表面面粗粗糙糙度度Ra/ mm工工件件轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速Nw/(r/min)406080 100 120 140 160 180 2000.60.70.80.91.01.11.2 圖 3.7 工件轉(zhuǎn)速對(duì)加工表面粗糙度的影響3.3.2 銑刀轉(zhuǎn)速工件轉(zhuǎn)速 90 r/min，切削厚度 0.5 mm，銑刀直徑 4 mm，工件直徑 10 mm 時(shí)，逆銑、室溫風(fēng)冷冷卻，選用不同刀具轉(zhuǎn)速進(jìn)行切削試驗(yàn)獲得的表面粗糙度變化曲線，見(jiàn)下圖 3.8。從圖中能夠看到，在以上加工參數(shù)下，穩(wěn)態(tài)切削時(shí)，工件表面粗糙度隨刀具轉(zhuǎn)速變大而降低。這是由于刀具轉(zhuǎn)速增大，相當(dāng)于工件表面進(jìn)行多次切削，工件加工表面殘

58、留面積減少，表面粗糙度降低。而且，刀具轉(zhuǎn)速增加，表示切削速度增加，切削力減小，切削過(guò)程變得平穩(wěn)，能獲得較好的表面質(zhì)量。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增加到18000 r/min 時(shí)，表面粗糙度直再次變大。這是因?yàn)殡娭鬏S高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電主軸自身的偏心質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)，刀具也會(huì)隨著振動(dòng)，引起整個(gè)切削加工過(guò)程不穩(wěn)定，工件表面質(zhì)量迅速降低。表表面面粗粗糙糙度度Ra/ mm銑銑刀刀轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速Nc/rmin-18000 1000012000140001600018000200000.40.50.60.70.80.91.01.1 圖 3.8 銑刀轉(zhuǎn)速對(duì)加工表面粗糙度的影響車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用223.3.3 切

59、削厚度工件轉(zhuǎn)速 90 r/min，刀具轉(zhuǎn)速 14000 r/min，刀具直徑 4 mm，工件直徑 10 mm 時(shí)，逆銑、室溫風(fēng)冷冷卻，選擇不同切削厚度開(kāi)展車銑加工試驗(yàn)獲得的工件表面粗糙度變化曲線，見(jiàn)下圖 3.9。由圖能夠看到，使用以上加工參數(shù)，加工工件表面粗糙度值隨著切削厚度增大而增加。這是由于切削厚度增加，切削面積增大，而切削面積變大就代表著切削力變大，加工過(guò)程中振動(dòng)現(xiàn)象隨之加劇，工件表面質(zhì)量變壞。0.000.250.500.751.001.251.500.60.70.80.91.01.11.2 切切削削厚厚度度ap/mm表表面面粗粗糙糙度度Ra/ mm圖 3.9 切削厚度對(duì)加工表面粗糙度的

60、影響3.3.4 優(yōu)選切削用量(a) 三維形貌(b) 二維輪廓圖 3.10 優(yōu)化參數(shù)下工件表面形貌根據(jù)上文加工參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，選擇較低的工件轉(zhuǎn)速、較高的刀具轉(zhuǎn)速、較小的切削厚度能夠獲得較好的表面加工質(zhì)量。考慮到實(shí)際加工中的因素，若選用較低的刀具轉(zhuǎn)速，較小的切削厚度，單位時(shí)間內(nèi)切除的工件材料也隨車銑復(fù)合加工裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用23之減少，加工效率變低。選擇優(yōu)化的切削參數(shù)為：工件轉(zhuǎn)速 90 r/min，刀具轉(zhuǎn)速16000 r/min，切削厚度 0.1 mm。再次進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得的工件表面粗糙度值為Ra0.469 m，表面微觀形貌見(jiàn)上圖 3.10。3.4 刀具磨損試驗(yàn)分析從刀具磨損試