董永亨 李淑娟 李 言 張 倩

(①西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710082;

②西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安710048)

銑削加工作為零件表面獲得的主要方法之一，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，多軸數(shù)控銑削技術(shù)在復(fù)雜型面的加工中得到了廣泛應(yīng)用。球頭銑刀以對象適應(yīng)性強，廣泛應(yīng)用于曲面的多軸精加工中，其加工質(zhì)量直接決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量。表面形貌的分布狀態(tài)及其粗糙度作為工件加工質(zhì)量中表面質(zhì)量的一個重要方面，近年來得到了極大的關(guān)注，許多學(xué)者從不同的理論仿真和試驗驗證角度對銑削加工表面形貌進行了深入地研究［1-4］，但目前研究的重點還主要停留在三軸垂直加工中。然而，多軸銑削的最大優(yōu)點之一是能夠根據(jù)表面的特征調(diào)整和優(yōu)化刀具的姿態(tài)。球頭銑刀作為多軸精銑削的最常用刀具，如果能夠掌握其姿態(tài)對表面形貌分布及特征參數(shù)的影響規(guī)律，將對更加合理地調(diào)整刀具姿態(tài)和提高加工質(zhì)量提供重要的參考依據(jù)。

鋁合金材料是航空航天工業(yè)的常用材料，也是普通產(chǎn)品中零件的常用對象之一，研究球頭銑刀姿態(tài)對其表面形貌的影響，對提高相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的意義。

1 球頭銑刀的銑削方式

按照加工時刀具軸線與被加工表面法線夾角不同而引起的位姿不同，常將球頭銑刀的銑削方式分成4種:順銑、逆銑、推銑和拉銑［4］，該夾角在本文中簡稱“傾斜角”。如圖1 所示，如果刀具繞平行于間歇方向的坐標軸OAXA的正向和負向旋轉(zhuǎn)而使刀具軸線與被加工表面傾斜，分別形成推銑(圖1a)和拉銑(圖1b);若刀具繞平行于進給方向的坐標軸OAYA的正向和負向旋轉(zhuǎn)而使刀具軸線和被加工傾斜，此時分別形成順銑(圖1c)和逆銑(圖1d)。

2 主要試驗器具

試驗機床為長征機床廠生產(chǎn)的KVC650F/1 立式四軸加工中心，該機床配備的數(shù)控系統(tǒng)是FANUC0i，帶A軸控制功能，主軸無級調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速為6000 r/min;刀具選用直徑為φ10 mm 的2 齒硬質(zhì)合金平面刃球頭銑刀，試件坯料選用材料為LY12 的直徑為φ50 mm 的棒料，所用測量裝置主要為帶攝像裝置的1M 系列工具顯微鏡和電動輪廓儀。

3 試驗過程

為了突顯刀具姿態(tài)對表面形貌的影響，減少切削力變化和刀具磨損等因素的干擾，試驗采取了一系列措施，主要有:刀具選用未開封的硬質(zhì)合金球頭銑刀，設(shè)置較小的切深和較高的切削速度，并且加工時充分冷卻等。總共安排18 次試驗，分別是刀具傾斜角為－40°、－30°、－20°、－10°、0°、10°、20°、30°和40°的順逆銑試驗各一次，同傾斜角的推拉銑試驗各一次。試驗時先將φ50 mm 棒料加工成圖2 所示對邊尺寸為45.3 mm 的十八棱柱，以保證每次試驗的加工余量一致，也利于測量時試樣的正確安放。不同銑削方式下刀具加工時的姿態(tài)是由加工軌跡和機床A軸的旋轉(zhuǎn)相互配合的而實現(xiàn)的。試驗選用的切削速度是30 m/min，背吃刀量是0.5 mm，每齒進給量是0.15 mm/齒，進給行距是0.5 mm。試驗加工過程如圖3 所示。

加工完成后，使用帶攝像裝置的工具顯微鏡攝取各表面形貌，然后用電動輪廓儀測量每個表面的粗糙度。

4 試驗分析與討論

4.1 順逆銑時刀具姿態(tài)對表面形貌的影響

圖4 所示為球頭銑刀順銑或逆銑鋁合金時刀具傾斜角對表面粗糙度的影響情況。對應(yīng)于圖1，傾斜角為負時形成逆銑，為正時形成順銑。從圖4 所示曲線可以看出:垂直加工比傾斜加工(順逆銑)獲得的表面粗糙;順銑和逆銑獲得表面的粗糙度起初都隨著傾斜角度絕對值的增大而減小，但減小到一定值后又隨之增大;然而，該曲線并不關(guān)于傾斜角等于零的垂線對稱，即傾斜角度絕對值相等的順銑和逆銑獲得表面的粗糙度并不相等，逆銑的大于順銑的。

圖5 給出了試驗獲得的球頭銑刀垂直加工和順逆銑加工獲得的工件表面形貌比較圖。其中，圖5a 為垂直加工獲得的表面形貌，圖5b 為刀具傾斜－20°形成逆銑加工所獲得的表面形貌。比較這兩幅圖可以明顯地看出它們的紋理分布截然不同，垂直加工表面形貌的紋理呈擺線狀，而傾斜加工的呈弧狀，且該弧線的兩端點不在同一條水平線上，本例中左邊高于右邊;此外，還可以看到垂直加工的表面紋理比傾斜加工的紊亂。

4.2 推拉銑時刀具姿態(tài)對表面形貌的影響

圖6 所示為球頭銑刀推銑或拉銑鋁合金時刀具傾斜角對表面粗糙度的影響規(guī)律曲線。對應(yīng)于圖1，傾斜角為負時形成拉銑，為正時形成推銑。與順逆銑情況類似，從圖6 所示曲線可以看出:垂直加工比傾斜加工(推拉銑)獲得的表面形貌粗糙;推銑和拉銑獲得表面的粗糙度起初都隨著傾斜角度絕對值的增大而減小，但減小到一定值后也有增大的趨勢，但該趨勢明顯弱于順逆銑。與順逆銑情況不同的是該曲線關(guān)于傾斜角為零的垂線基本對稱，即等傾斜角絕對值的推銑和拉銑獲得表面的粗糙度基本一致。

此外，比較圖6 和圖4 對應(yīng)點的粗糙度，可以發(fā)現(xiàn)圖6 所示的推拉銑表面的粗糙度大致介于圖4 所示的順銑和逆銑表面的之間。

圖7 為球頭銑刀垂直加工和推拉銑加工鋁合金獲得的工件表面形貌比較圖。其中，圖7a 為垂直加工獲得的表面形貌，圖7b 為刀具傾斜－20°形成拉銑加工獲得的表面形貌。對比這兩幅圖也可以得到與圖5 類似的結(jié)論，即推拉銑傾斜加工獲得表面的紋理也呈圓弧狀，但與圖5 不同的是該弧的兩端幾乎在同一條水平線上。

5 結(jié)語

(1)球頭銑刀傾斜加工獲得表面形貌的紋理比垂直加工獲得的整齊，并且粗糙度值也小。

(2)多軸銑削鋁合金時，不同的銑削方式獲得表面形貌的紋理狀態(tài)是不同的。垂直加工獲得表面的紋理呈擺線狀;傾斜加工獲得的呈弧狀，但順逆銑時弧線的兩端點不在同一條水平線上，而推拉銑時則幾乎在同一條水平線上。

(3)多軸傾斜銑削鋁合金時，不同的銑削方式獲得表面的粗糙度也不同。順銑表面的粗糙度值明顯小于逆銑的;推銑和拉銑表面的粗糙度幾乎一樣，并且介于順銑和逆銑之間。

［1］Bilalis Nikolaos，Petousis Markos. Development of a virtual environment for surface topomorphy and roughness determination in milling operations［J］. Journal of Computing and Information Science in Engineering，2008(8):1 －7.

［2］Gao Tong，Zhang Weihong，Qiu Kepeng，et al. Numerical Simulation of machined surface topography and roughness in milling process［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering，2006，128:96 －103.

［3］Ismail L. Sculpture surface machining:a generalized model of ball－end milling Force system［J］. International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2003，43:453 －462.

［4］趙曉明，胡德金，趙國偉. 5 坐標數(shù)控加工中工件表面形貌的計算機仿真［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2003，37(5):690 －694.