謝登華

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。

關(guān)鍵詞：車銑；不銹鋼；細(xì)長(zhǎng)軸

1引言

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)。

2車銑加工概述

2.1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。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]。

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。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，用于工件精密超精密加工。

2.2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，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常縱向行程較長(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)，顯著改善工件表面質(zhì)量。

2.3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。

3車銑復(fù)合加工機(jī)床改造

3.1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，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3.1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。

3.2 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，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。

（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。

3.3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 mm×500 mm×490 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/min～2300 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)。拆除車床已有轉(zhuǎn)盤和刀架裝置，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。

4結(jié)論

論文在分析車銑復(fù)合切削相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，建立了車銑復(fù)合加工裝置，并利用該裝置進(jìn)行切削加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量、加工精度影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲得了具有較好表面質(zhì)量、一定尺寸精度的微細(xì)軸、細(xì)長(zhǎng)軸工件。

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