秦錄芳，孫 濤，郭華鋒

（徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221008）

基于origin的正交車銑加工表面粗糙度的仿真研究*

秦錄芳，孫 濤，郭華鋒

（徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221008）

正交車銑是車銑復(fù)合加工技術(shù)最常用的一種加工方式。通過建立正交車銑的粗糙度數(shù)學(xué)模型和利用origin軟件仿真，深入探討了轉(zhuǎn)速比、工件直徑、銑刀齒數(shù)和每齒進給量等切削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。研究表明：正交車銑適合不同直徑回轉(zhuǎn)類零件的加工，其表面粗糙度要優(yōu)于車削，轉(zhuǎn)速比越高，齒數(shù)越多，表面粗糙度值越?。辉黾鱼姷睹魁X進給量，表面粗糙度值愈大。

正交車銑；表面粗糙度；切削參數(shù)

0 引言

從德國學(xué)者Schulz［1-2］提出車銑復(fù)合加工技術(shù)后，由于其相對于車削，可以減少切削力和切削溫度，故在高強度鋼、鎳基高溫合金和欽合金等難加工材料以及薄壁件、大型回轉(zhuǎn)體零件和易變形工件的加工中得到了廣泛的應(yīng)用。

車銑復(fù)合加工按銑刀與工件的相對位置常分為軸向、正切和正交車銑這三類常用的車銑加工方法。其中正交車銑的應(yīng)用最為廣泛，它是加工大型回轉(zhuǎn)體和細長軸類零件的一種高效方法。

表面粗糙度是正交車銑研究的重要內(nèi)容之一，Schulz首次驗證了正交車銑相對于車削具有更好的表面粗糙度［1-2］。Ekinovic′通過不同材料的正交車銑和傳統(tǒng)車削的實驗對比，充分驗證了在相同去除率的條件下，正交車銑的加工表面粗糙度要好于傳統(tǒng)車削［3］。Kopacˇ、Pogacˇnik和Choudhury等人的研究結(jié)果表明：正交車銑時，刀具軸向進給速度應(yīng)低于最大軸向進給量，隨著銑刀轉(zhuǎn)速的提高、工件轉(zhuǎn)速的下降、切削深度的減小，加工表面粗糙度越?。?-7］。金成哲等人分別通過正交試驗法的方差和回歸分析，研究了正交車銑時各因素對表面粗糙度的影響及主次順序，部分驗證了以上學(xué)者關(guān)于加工參數(shù)和表面粗糙度之間關(guān)系的觀點［8-10］。上述研究主要是采用試驗手段對正交車銑的表面粗糙度進行了分析，并未充分解釋切削參數(shù)和表面粗糙度之間的量化關(guān)系，難以對正交車銑的加工提供詳細指導(dǎo)。

因此，本文通過對正交車銑的表面粗糙度進行數(shù)學(xué)建模，并利用origin軟件進行三維仿真，以揭示正交車銑主要切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，為正交車銑的應(yīng)用推廣提供參考依據(jù)。

1 正交車銑的表面粗糙度數(shù)學(xué)模型

正交車銑的銑刀回轉(zhuǎn)軸線與工件的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直，一個典型的正交車銑加工過程包括工件的旋轉(zhuǎn)運動、銑刀的旋轉(zhuǎn)運動和銑刀的直線進給運動，如圖1所示。

圖1 正交車銑的運動方式

軸類零件的表面粗糙度主要包括軸向和周向兩個方向。正交車銑中，當(dāng)銑刀軸向進給量fa小于刀具最大軸向進給量famax時，軸向的表面粗糙度值理論上接近于零，而切削參數(shù)對周向表面粗糙度影響較大，所以本文主要對正交車銑的周向表面粗糙度進行研究。

建立正交車銑表面粗糙度理論公式，首先要滿足以下前提：銑刀的底刃是直線；銑刀和工件的中心線相互垂直。同時，參照圖2，銑刀的軸向進給量還要滿足以下公式

圖2 偏心和無偏心條件下刀具軸向進給量的取值范圍［11］

圖3 正交車銑時已加工工件的橫截面

2 正交車銑表面粗糙度的仿真與分析

2.1 各切削參數(shù)對表面粗糙度的影響

Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業(yè)函數(shù)繪圖軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要［12］。

在取工件直徑公式Dw=100mm的情況下，采用origin軟件對公式（6）進行三維圖像仿真，如圖4所示，以分析正交車銑中轉(zhuǎn)速比λ和銑刀齒數(shù)Z對表面粗糙度的影響規(guī)律。

同時，在取銑刀齒數(shù)Z=5的情況下，分別對公式（6）和公式（10）進行三維圖像仿真，結(jié)果如圖5和圖6所示，以分析正交車銑中轉(zhuǎn)速比λ、工件半徑rw和銑刀每齒進給量fZ對表面粗糙度的影響規(guī)律。

圖4 正交車銑中轉(zhuǎn)速比λ和銑刀齒數(shù)Z對表面粗糙度的影響（Dw=100mm）

圖5 正交車銑中轉(zhuǎn)速比λ和工件半徑rw對表面粗糙度的影響（Z=5）

圖6 正交車銑中刀具每齒進給量和工件半徑對表面粗糙度的影響（Z=5）

由圖4～圖6可知，正交車銑的表面粗糙度主要和工件直徑Dw、轉(zhuǎn)速比λ、銑刀齒數(shù)Z和銑刀每齒進給量fZ四個參數(shù)有關(guān)。

其中，正交車銑的表面粗糙度RZ與每齒進給量fZ和工件轉(zhuǎn)速nw成正比，即在工件直徑、銑刀齒數(shù)和銑刀轉(zhuǎn)速一定的情況下，fZ和nw越大，則RZ越大。表面粗糙度與工件直徑Dw、銑刀轉(zhuǎn)速nt和銑刀齒數(shù)Z成反比，即在工件轉(zhuǎn)速一定的情況下，Dw、nt和Z越大，則RZ越小。反之亦然。

為了研究的方便，一般采用轉(zhuǎn)速比λ進行表面粗糙度的分析，即λ越大則RZ越小。由于工件轉(zhuǎn)速越大，正交車銑的單位時間去除率越高，所以在設(shè)定合適工件轉(zhuǎn)速以保證加工效率的前提下，盡量提高銑刀轉(zhuǎn)速。

工件直徑Dw越大，表面粗糙度值越小，即表面質(zhì)量越好，說明正交車銑更適合大尺寸回轉(zhuǎn)零件的加工，此時刀具直徑增大，軸向進給量可以增加以提高加工效率，雖然轉(zhuǎn)速比下降，但由于工件直徑增加，仍能保持較好的表面粗糙度。對于細長桿零件的加工，工件直徑較小，此時需采用較小直徑的銑刀以減小切削力和保證切削穩(wěn)定性，同時提高銑刀轉(zhuǎn)速，從而增大轉(zhuǎn)速比，以保證合適的表面粗糙度。

銑刀的每齒進給量fZ會影響刀具的磨損進度從而造成刀具耐用度下降，同時fZ的增加也會增大表面粗糙度。銑刀齒數(shù)也是影響表面粗糙度的重要參數(shù)，正交車銑中應(yīng)該增大銑刀齒數(shù)以降低表面粗糙度同時也能保證更好的切削穩(wěn)定性。

2.2 與車削表面粗糙度的對比分析

車削的表面粗糙度理論公式如下：

式中：f——車刀進給量，mm/r；

rε——車刀刀尖圓弧半徑，mm。

使用origin軟件對公式（11）進行三維圖形仿真，結(jié)果如圖7所示。

從三維圖的仿真情況來看：正交車銑時，當(dāng)λ= 100，Z=5時，RZ=0.99μm；車削時，f=0.1mm/r，rε= 0.5mm，RZ=2.5mm，所以在常用的切削參數(shù)下，車銑的理論表面粗糙度要好于車削。如果要提高車削的表面粗糙度，一是降低f，這樣必然降低切削效率；二是使用圓刀片，但是使用范圍會受到限制。采用正交車銑加工方式，可以在很高的軸向進給速度下保證優(yōu)于車削的加工表面粗糙度。

圖7 車削表面粗糙度的仿真

3 總結(jié)

（1）正交車銑時，已加工表面的粗糙度主要和工件直徑、轉(zhuǎn)速比、銑刀齒數(shù)和銑刀每齒進給量四個參數(shù)有關(guān)。

（2）正交車銑時，已加工表面的粗糙度值與銑刀每齒進給量的平方成正比，與轉(zhuǎn)速比的平方、銑刀齒數(shù)的平方成反比。

（3）正交車銑適合直徑不同的回轉(zhuǎn)類零件的加工，無論是大尺寸回轉(zhuǎn)類零件還是細長桿零件的正交車銑加工，都可以保證較好的表面粗糙度。

（4）正交車銑的已加工表面粗糙度要優(yōu)于車削。

［1］H Schulz，Prof G Spur.High speed turn-milling a new precision manufactu-ring technology for the machining of rotationally symmetrical workpieces［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1990，39（1）：107-109.

［2］H Schulz，T Kneisel.Turn-milling of hard-ened steel—an Alternative to Turning［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，1994，43（1）：93-96.

［6］Dr SK Choudhury，K SMangrulkar.Investigation of orthogonal turn-milling for the machining of rotationally symmetrical work pieces［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，99（1-3）：120-128.

［7］SK Choudhury，JB Bajpai.Investigation in orthogonal turnmilling towards better surface finish［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，170（3）：487-493.

［8］金成哲，賈春德，龐思勤.正交車銑高強度鋼表面粗糙度的研究 ［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37（3）：368-370.

［9］金成哲，陳爾濤，徐驏.車銑粗糙度預(yù)測模型的建立和分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，41（3）：224-226.

［10］金成哲，徐驏，陳爾濤.正交車銑表面粗糙度預(yù)測模型的研究［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2008，27（6）：56-59.

［11］Lida Zhu，Haonan Li，and Wansan Wang.Research on rotary surface topography by orthogonal turn-milling［J］.Int J Adv Manuf Technol，2013，69：2279-2292.

［12］張海波，劉亮，黃洋洋.數(shù)控加工中心維修時間模型研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（5）：158-160.

（編輯 趙蓉）

Simulation Research of Machined Surface Roughness for Orthogonal Turn-milling Based on Origin Software

QIN Lu-fang，SUN Tao，GUO Ha-feng
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China）

Orthogonal turn-milling is the most common method in turn-milling compound processing.In this paper，the mathematical models of orthogonal turn-milling are setup and simulated.And the influence rules of rotating speed ratio，workpiece diameter，milling cutter teeth number and feed per tooth on surface roughness are further analyzed.The studies show that orthogonal turn-milling is suitable for processing large sized rotating part and slender rod.Also，surface roughness of orthogonal turn-milling is superior to turning.In addition，the higher rotating speed ratio and more milling cutter teeth number cause the less roughness，and greater feed per tooth generates the bigger roughness.

orthogonal turn-milling；surface roughness；cutting parameters

TH161；TG506

A

1001-2265（2015）10-0028-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.008

2015-03-20；

2015-04-21

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（CXLX12_0139）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助

秦錄芳（1979—），女，河南新鄉(xiāng)人，講師，研究方向為高效精密加工，（E-mail）798033365@qq.com。