切向车铣铝合金回转体工件表面形貌的试验研究*

姜增辉 段宗玉 杨大卫

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159)

车铣加工是一种新的切削加工方法，在大型回转体的高速切削及弱刚度回转体的精加工中有其独特的优势［1］。近二十年来，车铣技术在国内外都取得了较大的进展，在表面形貌方面的研究也取得了一定的成果。Choudhury在对黄铜材料工件进行正交车铣试验后指出，与车削相比采用较低的切削速度，能到得较小的表面粗糙度值，Ra值甚至可减小至车削的1/10［2］。同时，随刀具半径增大，表面粗糙度值减小，而随切深增加，表面粗糙度值会增大［3］。

切向车铣是近几年发展起来的主要车铣加工方法。如图1所示，加工过程中铣刀轴线与工件轴线相互垂直，依靠铣刀旋转运动与工件旋转运动的复合运动完成各类零件表面加工的一种先进切削加工方法，且只有螺旋圆周刃参与切削，端面刃不参与切削。切向车铣加工过程包括工件的旋转运动，铣刀的旋转运动，铣刀的径向进给运动和铣刀的轴向进给运动。Vedat指出［4，5］，在中碳钢的回转体切向车铣加工中能得到很小的表面粗糙度值，它非常接近磨削的加工水平，因此可以在一些情况下代替磨削加工，从而较大地节约生产成本。

铝合金材料是航空航天工业的常用材料，也是目前高速切削的最主要加工对象，研究切向车铣中主要切削参数对表面形貌的影响对实现其高效、高速加工具有较强的现实意义。

1 主要试验设备

如图2，试验机床为Mazak200Y卧式车铣加工中心，五轴四联动，带C轴功能。铣削主轴无级调速，最高转速6000 r/min。

铣刀为含钴8%的高速钢立铣刀，刀具直径20 mm，刀具齿数2，刀刃螺旋升角 30°。

工件为ZL101铝合金棒料。

测量仪器为TR100便携式表面粗糙度测量仪和IM系列工具显微镜。

2 试验分析与讨论

在车铣加工中轴向进给量和周向进给量是对表面形貌影响较大的两个切削参数，因此重点对它们进行试验研究。

2.1 轴向进给量对表面形貌的影响

试验条件:铣刀转速2700 r/min，工件转速5 r/min，切削深度 0.1 mm，工件直径 102.2 mm，顺铣，干切削。工件每转一周铣刀在工件轴向的进给量从0.4 mm逐渐增加到1.0 mm。

试验结果如图3所示，当轴向进给量为0.6 mm/r时，沿工件轴向测得的表面粗糙度Ra为0.68μm，是试验中得到的最小值。当轴向进给量为1.0 mm/r时，Ra为最大值3.41μm。分析结果可得，尽管Ra在进给量为0.6 mm/r和0.9 mm/r有两个较小值，但总体上表面粗糙度Ra是随轴向进给量的增大而增大的。

图4给出了试验得到的工件表面形貌。可看到在工件表面同时存在着沿工件轴向分布的加工纹理与沿周向分布的纹理，两种纹理的分布均匀而有规律，方向互相垂直。周向纹理间距很小，且轴向进给量对周向纹理的分布没有影响。轴向纹理分布间距较大，且随着轴向进给量的增加，轴向纹理的间距也增大。

2.2 周向进给量对表面形貌的影响

周向进给量是车铣加工中特有的一个切削参数，它在工件圆周方向所表达的含义与平面铣削中的每齿进给量类似。周向进给量可由下式计算得到

式中:nW为工件转速，nT为铣刀转速，D为工件直径，Z为铣刀齿数。

由式(1)可知，如其它参数不变，通过改变工件转速可以改变铣刀的周向进给量。由此选定试验条件:铣刀转速2700 r/min，轴向进给量 0.4 mm/r，切削深度0.1 mm，工件直径102.2 mm，顺铣，干切削。

试验结果如图5所示，当周向进给量为0.3 mm/z时，沿工件轴向测得的表面粗糙度Ra为0.84μm，是试验中得到的最小值。当周向进给量为1.5 mm/z时，Ra为最大值2.91μm。分析结果可得，轴向进给量保持不变，通过改变周向进给量仍可使工件的表面粗糙度产生很大变化，且表面粗糙度值随周向进给量的增大而增大。

图6给出了改变周向进给量得到的表面形貌。可以看到，与轴向进给量相比周向进给量对表面纹理的影响更明显。通过轴向和周向纹理的复合、叠加作用，不但使纹理的方向发生改变，而且使纹理的分布间距也产生了明显变化。当周向进给量取0.9 mm/z时，表面纹理呈网格状，这是铣刀和工件旋转复合运动的明显特征。在有些情况下合理选择参数得到的这种网格状表面纹理有可能为需要储油结构的表面加工提供一种新的选择。

3 结语

(1)切向车铣加工铝合金回转体工件时，采用干切削也能得到较好的加工表面。

(2)表面粗糙度值不但随着轴向进给量的增大而增大，而且随着周向进给量的增大而增大。

(3)周向进给量对表面纹理的影响更为明显。通过轴向和周向纹理的复合、叠加，可使纹理的方向和分布间距都发生明显变化，并可生成网格状表面纹理。

1 贾春德，姜增辉.车铣原理［M］.北京:国防工业出版社，2001.

2 Dr.S.K.Choudhury，K.S.Mangrulkar.Investigation of orthogonal turn-milling for the machining of rotationally symmetrical work pieces［J］.Journal of Materials Processing Technology.2000，99:120-128

3 S.K.Choudhury，J.B.Bajpai.Investigation in orthogonal turn-milling towards better surface finish［J］.Journal of Materials Processing Technology.2005，170:487 – 493

4 Vedat Savas，Cetin Ozay.Analysis of the surface roughness of tangential turn-milling formachining with endmilling cutter［J］.Journal ofMaterials Processing Technology.2007，186:279 –283

5 Vedat Savas，Cetin Ozay.The optimization of the surface roughness in the process of tangential turn-milling using genetic algorithm.Int JAdv Manuf Technol.2008，37:335–340