孫富建 羅長庚 蔣志賢 廖君慧 肖罡

（1 難加工材料高效精密加工湖南省重實驗室，湘潭 411201）

（2 湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

（3 湖南江濱機器（集團）有限責任公司，湘潭 411100）

文摘 綜述了車銑復合切削過程中的運動學原理、刀具磨損、切屑形貌、切削力和表面完整性方面的最新研究進展；闡述了車銑復合在航空零部件和軸類零件加工中的應用；展望了車銑復合切削加工的研究方向。

0 引言

隨著汽車、航空航天和船舶制造業(yè)的發(fā)展，螺桿、螺旋槳、葉片、起落架等各種復雜回轉體零件因具有不規(guī)則的表面形狀和較大直徑，使用普通數控車床或銑床很難加工這些復雜的回轉體零件，并且加工效率極低。20 世紀70 年代初，車銑復合切削由歐美發(fā)達國家最先提出，隨著科學技術、計算機和數控機床技術的快速發(fā)展，車銑復合切削技術得到了推廣應用，成為了先進制造領域的前沿技術［1-3］。

車銑復合切削不是車削與銑削的簡單結合，而是利用銑刀旋轉和工件旋轉的合成運動對工件進行切削加工，實現(xiàn)斷續(xù)切削，降低工件旋轉速度，減小切削溫度和徑向切削力，提高切削加工效率，使工件在形狀精度、位置精度、表面質量等達到工藝要求的高新先進切削加工技術［4］。

目前，國內外學者圍繞車銑復合切削技術的運動學原理、刀具磨損、切屑形成、切削力以及工件表面完整性等方面開展了大量的研究，但是仍有許多問題暫不明確。本文對車銑復合加工過程中的運動學原理、切削性能、表面完整性等方面進行綜述，并對車銑加工技術的應用前景進行了初步討論。

1 車銑復合切削加工的運動學原理

車銑復合切削加工運動過程較為復雜、切削參數多，這些參數與切削性能、工件表面完整性間存在密切且復雜的關系。

1.1 車銑復合切削加工的切削參數

車銑復合切削將車削中的車刀換成旋轉主軸，使銑刀、工件的軸心相互垂直。車銑復合切削加工依據工件與刀具的旋轉軸線相對位置的不同，主要分為軸向車銑、正交車銑和切向車銑3 種加工方式（圖1）。軸向車銑不僅能夠用于加工外圓和內孔，還適用于加工橫截面為橢圓型面、等距曲邊三角形廓形、六面體的工件［5-7］。正交車銑復合可以加工外圓表面、等距聯(lián)接型面［8-9］。切向車銑復合加工表面質量較高，可實現(xiàn)車銑代磨，用于精密、超精密加工。

圖1 車銑加工的主要加工方式Fig.1 Main processing methods of turn-milling processing

作為一種特殊的車削過程，車銑復合切削包含了4個運動：銑刀的旋轉、工件的旋轉、銑刀的軸向和徑向進給運動（圖2）。其中銑刀的旋轉運動是主切削運動，決定了切削速度的大?。?］。

圖2 車銑復合切削中的主要運動Fig.2 Main movements in turn-milling

由于車銑復合切削運動復雜，車銑復合的切削參數較多（圖3），包括：銑刀的旋轉速度n1、切削速度vc、切削深度ap、軸向進給量fa、軸向進給速度vfa和每齒進給量fz等；此外，還有工件半徑R、偏心量e、銑刀半徑r、銑刀齒數Z、工件的旋轉速度n2、切削寬度w等參數，可以用來求得進給速度vf、銑刀的角速度w1、工件的角速度w2［10］。

圖3 正交車銑復合切削原理［10］Fig.3 Diagram of Orthogonal turn-milling principle［10］

車銑復合切削加工時銑刀的角速度、線速度要顯著高于工件的，為此銑刀的線速度被認定為實際切削速度，切削速度v1表達式為：

切向進給速度可以由工件的轉速和周長來表示：

車銑復合的進給速度可由銑刀的軸向進給速度和工件的切向進給速度組成：

切向進給量、軸向進給量分別為：

進而切向、軸向進給量之比可表示為：

每齒進給量為：

在正交車銑復合切削中，工件軸線、銑刀軸線間的偏心量e也影響著切削參數，尤其影響著最大軸向進給量fa。當偏心量e=0時，

當0＜e＜r-ls時，

當e=r-ls時，

當r-ls＜e＜r時，

當e=r時，

H.OTALORA-ORTEGA等［11-12］利用未切削切屑尺寸理論模型預測切削力時，首先對正交車銑復合切削的切削參數進行研究；K.R.BERENJI等［13］在研究正交車銑加工的切屑幾何形狀模型及表面質量時，詳細分析了正交車銑復合切削的切削參數。由此可見，車銑復合切削參數關系的建立能夠為正交車銑復合切削的切削力、刀具磨損、切屑形貌以及表面形成方面的研究提供理論基礎。

1.2 車銑復合切削的運動模型

切削加工過程中刀尖運動軌跡的分析是工件表面形貌研究的基礎，車削、銑削加工過程中，刀尖軌跡較為簡單。車銑復合切削中切削參數較多，刀具軌跡與諸多切削參數有著密切且復雜的關系，不同的切削參數組合加工工件表面質量有很大差異。因此，建立車銑復合切削銑刀運動軌跡的數學模型，分析其運動學對車銑復合切削工件表面質量的研究意義重大，是車銑復合切削加工正確應用的基礎［14］。

在車銑復合切削的運動模型建立過程中，一般首先以工件軸心、刀具軸心分別建立工件、刀具坐標系，然后在刀具坐標系下建立刀刃表達式，再根據坐標變換將刀刃任一點用工件坐標系來表示，最后通過運動軌跡的仿真得到車銑復合切削刀具的運動曲線，由運動曲線的包絡完成對工件的切削加工。

國內最早研究軸向車銑運動模型的是姜增輝等人［15］，他們對軸向車銑加工進行了矢量建模，給出了刀具運動過程的矢量表達式并利用運動方程對刀具的軌跡進行了仿真（圖4）。從運動方程和刀尖運動軌跡可以直觀地看出，軸向車銑的加工表面形狀取決于刀具與工件的轉速比λ、刀具半徑R、工件半徑r、刀具齒數z與加工方式，在使用軸向車銑加工外圓時，使用逆銑的加工方式可以獲得更為理想的已加工工件表面形狀。潘恒［5］、陽劉萍［6］、石莉［7］等發(fā)現(xiàn)軸向車銑不僅能夠用于加工外圓和內孔，還適用于加工橫截面為橢圓型面、等距曲邊三角形廓形、六面體的工件，他們通過運動建模及仿真對軸向車銑這幾種橫截面的成形過程進行了研究，證明了應用軸向車銑切削加工橢圓型面、等距曲邊三角形廓形、六面體工件的可行性。研究結果還表明：要想獲得理想的已加工表面，可以通過增加銑刀齒數或者增大銑刀與工件的轉速比來實現(xiàn)。田苗苗［16］分析了軸向車銑過程中刀具坐標系下的刀刃表達式，再通過坐標變換，把刀具坐標系下的刀刃矢量方程表達式轉換成工件坐標系下的刀刃矢量方程表達式，推導出了軸向車銑時刀刃的運動軌跡矢量方程。利用該模型進行軸向車銑表面微觀形貌的仿真，得出的結果與實驗所得結果基本趨于一致。

圖4 軸向車銑外圓的運動曲線Fig.4 Motion curve of axial turn-milling outer circle

正交車銑加工的工件回轉軸線與銑刀的回轉軸線相互垂直，無法對內孔進行加工，但加工外圓表面時銑刀的縱向行程不受限制，因此在加工外圓表面時效率較高。賈春德等［17］對正交車銑的運動過程進行了研究與分析，建立了其在空間坐標系下的基本矢量模型（圖5），得出銑刀在正交車銑加工中各刀刃運動的統(tǒng)一矢量表達式：

圖5 正交車銑的矢量模型［17］Fig.5 Vector model of orthogonal turn-milling［17］

式中，φw為工件轉角，e為偏心量，λ為銑刀與工件的轉速比，i為銑刀刀齒編號，k1和k2的取值與銑刀的加工位置和加工旋向的組合有關。

由式（13）可見，正交車銑運動受到多個參數的影響，在其他參數不變時，增加刀具齒數z或者增大刀具與工件的轉速比可以獲得更好的工件表面質量，與軸向車銑不同的是，正交車銑的運動軌跡還受偏心量e的影響。利用式（13）進行運動軌跡仿真，結果如圖6 所示，在正交車銑軌跡的橫截面投影上，隨著偏心量的增加，軌跡會逐漸發(fā)散［18］。范月寧等［19］則利用該運動模型推導出了正交車銑在工件側面形成的側母線方程，進而對正交車銑切削加工工件表面的形狀精度進行研究，發(fā)現(xiàn)增大偏心量和銑刀半徑可以減小側母線的峰值，有利于提高被加工工件的形狀精度。李智博［20］在研究正交車銑加工大型回轉體內表面時，建立了用非車銑復合切削加工機床以正交車銑的加工方式對大型回轉體內表面進行加工時的刀具運動軌跡模型。他用長方體工件代替大型回轉體工件，用非車銑機床操作臺的“鐘擺式”小角度旋轉運動代替車銑加工中心主軸的360°回轉運動，進而達到用非車銑復合機床模擬出車銑加工大型回轉體內表面中一小段弧長的效果。最終得到的正交車銑大型回轉體內表面的切削運動軌跡模型如下：

圖6 偏心量對正交車銑外圓運動曲線的影響Fig.6 Influence of eccentricity on motion curve of orthogonal turn-milling outer circle

式中，c＇表示刀具切削點，R為大型內回轉工件的回轉半徑，d為長方體工件長度，α為工件的旋轉角度，±號的取值由工件旋轉角度α確定。利用上述數學模型進行數控編程，可以完成非車銑數控機床對正交車銑大型回轉體工件的仿真模擬加工，得到正交車銑加工大型回轉體內表面加工過程的刀具整體運動軌跡及工件加工成形后的整體輪廓。但該模型只是簡單確定了刀具整體的切削運動軌跡，沒有考慮刀刃和刀尖的運動軌跡，因此無法對工件被加工后的表面形貌和表面粗糙度等情況進行分析。

軸向車銑和正交車銑的應用較為廣泛，它們分別有各自的特點和局限性。而切向車銑是車銑復合切削加工技術中出現(xiàn)相對較晚的一種切削加工方式，切向車銑加工過程中刀具切削刃平面與工件加工表面相切。楊大衛(wèi)等［21］采用矢量方法，對切向車銑加工運動進行矢量建模，利用仿真得到銑刀的運動軌跡，分析了銑車轉速比、軸向進給量、刀具螺旋角和銑刀齒數等參數對運動軌跡的影響，發(fā)現(xiàn)在其他參數不變時，銑刀螺旋角越大，參與切削的螺旋刃越長，切入性越好。

車銑復合的運動學原理是車銑復合切削技術的研究基礎，所以車銑加工技術中的車銑復合切削運動模型的相關研究開展較早也較為成熟。然而在車銑復合切削新的形狀表面前，研究車銑復合切削新形狀的運動模型依然必須。

2 車銑復合切削加工的刀具磨損

在切削加工中，刀具磨損機理及刀具壽命是重要的研究內容之一，其不僅對于零部件的加工質量有著重要影響，也決定了零部件的加工效率和加工成本。目前，車銑復合加工的刀具磨損機理主要研究方法為試驗法。

劉暐［22］、李勇［23］利用TiN 涂層刀具、金屬陶瓷刀具進行高速軸向車銑加工高強度鋼、45#鋼時，TiN 涂層能夠減弱切削區(qū)內的擴散、氧化等，因此涂層刀具的壽命高于金屬陶瓷刀具的壽命，在使用水溶乳化液輔助冷卻時，由于車銑復合斷續(xù)切削時的加熱、急冷反復交替會使刀具快速發(fā)生疲勞損傷，為此，干切削時的刀具壽命要高于冷卻輔助切削。姜增輝等［24］利用干式高速軸向車銑TC4 鈦合金內孔，硬質合金銑刀以刀尖的刃口以及后刀面磨損為主，磨損機理為粘結磨損，銑刀的順銑刀具壽命要高于逆銑的刀具壽命。同時姜增輝等［25-27］研究了切削速度、進給量對軸向車銑TC4 鈦合金刀具磨損的影響，S30T 刀具適合切削速度是100 m/min，過高的切削速度降低了刀具壽命，不適合切削鈦合金，增加軸向進給量和每齒進給量都會降低刀具壽命，但是每齒進給量對刀具壽命的影響較弱。

由于正交車銑復合切削在實際應用中應用廣泛，其刀具的磨損機理及壽命方面的研究較多。黃樹濤等［28-31］利用金屬陶瓷刀具和TiN 涂層刀具干式、濕式正交車銑加工D60 鋼，濕式切削時金屬陶瓷刀具的磨損區(qū)出現(xiàn)了大量的由微裂紋分割的龜裂單元［圖7（a）］，金屬陶瓷刀具在干式切削時具有較低的磨損率；在濕式切削時TiN涂層刀具主要的磨損機理是涂層剝落［圖7（b）］，涂層剝落后較高的切削溫度使基體粘結相發(fā)生軟化，從而加劇了硬質相的剝落。金成哲等［32-34］選用硬質合金刀具、TiN 涂層硬質合金刀具進行正交車銑鋁合金和不銹鋼，如圖7 所示，切削鋁合金時刀具磨損以粘結磨損為主，切削不銹鋼時刀具磨損以微崩刃、前刀面的剝落和碎斷等形式為主；在利用CE7132A 仿形正交車銑機床進行高強度鋼加工時，低速范圍內刀具以疲勞-剝落磨損、粘結磨損為主，高速時以擴散磨損為主。孫建業(yè)等［35］研究了正交車銑切削高強度鋼，實驗結果表明在切削參數中，切削速度對銑刀磨損速率的影響最大，在任意切削速度下磨料磨損、粘結磨損和疲勞-剝落磨損均存在，擴散磨損只有在較高切削速度下才會發(fā)生。石莉等［36-38］利用PVD 涂層硬質合金刀具、無涂層硬質合金刀具正交車銑加工TC4 鈦合金，發(fā)現(xiàn)切削液對刀具壽命的影響細微，順銑時刀具的壽命最長；刀具的前后刀面均出現(xiàn)粘結磨損，刀具的磨損機理以粘結磨損為主。Y.L.CAI［39］、M.E.KARA［40］等研究了在正交車銑復合加工中切削參數對銑刀磨損的影響，Y.L.CAI 發(fā)現(xiàn)偏心量對刀具磨損的影響最大，其次為銑刀齒數，最次為軸向進給量比；而M.E.KARA 則指出切削速度的影響最大，偏心量其次。U.KARAGUZEL等［41］利用正交車銑復合、銑削、車削加工718鎳基合金，正交車銑復合加工刀具壽命是銑削加工刀具壽命的3～20 倍，是車削加工刀具壽命的40 倍，其中偏心量對刀具壽命的影響最大。T.SUN等［42］利用正交車銑加工TC21 鈦合金，當任意切削參數增大，刀具壽命都會出現(xiàn)減小，TiAlN 涂層刀具的主要磨損機理是粘結磨損，同時刀具的粘結磨損、擴散磨損、氧化磨損等均會導致嚴重的刀具破損，降低刀具壽命。Y.L.CAI等［43］在正交車銑復合加工中引入了刀具切削刃的無限小單元掃掠面積來表征刀具切削刃不同位置的磨損量，在切削參數中切削深度和切削角是計算掃掠面積的主要參數，刀具切削刃不同位置掃掠面積的均衡能夠平均切削刃處的磨損量，從而延長刀具壽命，刀具偏心量和單位偏心量切削長度會影響掃掠面積的均衡。

圖7 正交車銑刀具的磨損Fig.7 Wear of tools for orthogonal turn-milling

切向車銑復合切削加工技術出現(xiàn)相對較晚，目前尚無切向車銑復合刀具磨損方面的研究。根據車銑復合切削刀具磨損的研究現(xiàn)狀，相對濕式車銑復合切削加工，干式車銑復合加工的刀具磨損較小、壽命更長。對于鈦合金、鎳基合金、高溫合金等高韌性難加工材料，車銑復合切削刀具磨損對工件的表面質量、加工效率等都有著重要影響，同時超聲振動、激光、電脈沖等輔助方法的應用能夠顯著改善刀具的磨損，然而，難加工材料車銑復合加工輔助技術刀具磨損方面的研究尚鮮見。

3 車銑復合切削加工的切屑形貌

車銑復合切削加工時銑刀的圓周刃和端面刃都會參與切削，且兩刃的切削深度和厚度都在不斷地變化，因此，車銑切削的切屑形態(tài)是一種空間“S 形”曲線切屑。這種切屑的內表面是光滑的，外表面由于切屑內部產生局部的突變性剪切使切屑內部發(fā)生絕熱剪切，會呈現(xiàn)鋸齒狀（圖8），變形很大的窄帶就是所謂的絕熱剪切帶（或熱塑剪切帶），絕熱剪切帶的寬度隨著切削速度的提高而變窄［44-45］。

圖8 鋸齒形切屑模型［46］Fig.8 Sawtooth chip model［46］

車銑復合加工的切屑形成對切削力、切削溫度、刀具磨損、工件表面質量等都有重要的影響，而車銑復合加工切削參數眾多，均與切屑形成密切相關。為此國內外學者將車銑復合切削的切屑形貌及其對加工性能的影響作為一項重要的研究內容，進行了廣泛、深入的研究。

姜增輝等［46-48］把車銑復合切削產生的切屑看作由銑刀回轉時刀刃切入工件的空間曲面與工件上相應的被切削部分表面圍合而成的一個復雜的空間實體，由此分別建立正交車銑和軸向車銑切屑仿真的數學模型，用AutoLISP 語言對車銑切屑進行建模仿真，據此分析轉速比、軸向進給量及偏心量等工藝參數對車銑復合切屑形狀的影響，其切屑建模側重于無偏心切屑且建模方法較為復雜。U.KARAGUZEL等［49］在正交車銑復合切屑模型的基礎上，建立了軸向車銑的接觸限制和未切削切屑厚度的模型。

朱立達等［50］基于正交車銑切削理論建立了無偏心和偏心的切屑理論模型，進行了變切深、變厚度的切屑仿真，將仿真得到的結果與切削實驗結果進行對比（圖9），驗證了切屑建模的可行性和可靠性，能夠解決變切深、變厚度的切屑問題，為切削力和顫振等研究提供理論基礎和參考依據，但該方法沒有考慮切削層的幾何形狀的變化種類，難以反映切削層的幾何形狀變化規(guī)律。邱文旺等［51］則考慮了不同刀具形狀對切削層的影響，通過對刀刃軌跡進行簡化，推導了計算幾種不同形狀面銑刀切屑厚度的統(tǒng)一表達式，該方法省去了數值方法中的迭代運算，具有較高的計算效率。L.D.ZHU等［52］建立了三維切屑模型，得到了考慮側刃、端刃的切屑厚度、寬度的表達式，并進行了有限元仿真，切屑的尺寸受各種切削參數影響，當偏心量為0 時，入口切削角幾乎與端刃和側刃同時開始，但端刃在側刃之前從工件切出；在整個切削過程中，側刃移動到切入區(qū)，隨著偏心量的增加端刃也會移動到切入區(qū)，側刃的切屑厚度和端刃的切屑寬度均會隨著進給量的增加而增大。同時L.D.ZHU等［53］利用實驗研究了切屑尺寸隨著切削參數的變化情況，當進給量增加，切屑的長度和厚度均出現(xiàn)增大，而在軸向進給速度恒定時，當切削速度增大，切屑的長度和厚度出現(xiàn)減?。划斻姷兜霓D速、工件的轉速增大，切屑的變形出現(xiàn)增加趨勢。

圖9 正交車銑三維切屑幾何形狀與實驗形狀對比［50］Fig.9 Comparison of three-dimensional chip geometry and experimental shape in orthogonal turn-milling［50］

目前大多數研究人員對于車銑加工切屑的研究主要采用實驗分析法和數學建模的方法。分析切屑的形態(tài)特征，探究車銑過程中切屑的成形機理，是車銑復合加工切削機理的重要組成部分。車銑復合加工切屑的理論模型可以為切削機理的研究提供理論基礎。

4 車銑復合切削加工的切削力

與傳統(tǒng)車削、銑削相比，車銑復合切削加工切削力的變化更為復雜，由于銑刀的圓周刃和端面刃在車銑復合加工切削過程中會較大程度地參與切削，因此工件的軸向、徑向都會受到切削力，從而對加工精度產生較大影響。通過建立車銑復合切削加工的切削力模型，對切削力進行預測和優(yōu)化，可有效提高加工精度，改善工件表面質量和刀具磨損情況等。

目前對于車銑切削加工的切削力建模方法主要有解析法、經驗法和機械法。解析建模法一般以正交切削的剪切面理論或剪切變形區(qū)理論為基礎，通過分析變換來得到斜刃切削以及實際三維銑削的切削力模型。該方法被證明與實際加工情況吻合較好，已被廣泛應用于銑刀的切削力建模和顫振穩(wěn)定性仿真的研究中。姜增輝等［54-55］對軸向車銑和無偏心正交車銑的理論切削力進行了研究，針對車銑加工變厚度、變深度切削的特點，首先把切削刃劃分為圓周刃和端面刃兩部分，分別以其瞬時切削面積為主要研究對象，構建了計算各自瞬時切削力的數學模型，通過該模型得出結論：在正交車銑和軸向車銑中，其瞬時切削力是一個多變量函數，受到銑車轉速比、切削深度、軸向進給量、刀具齒數、刀具和工件半徑等多個參數的影響；在正交車銑中切削力的最大值由銑刀的圓周刃和端面刃共同決定，而軸向車銑中切削力的最大值只由主切削刃圓周刃決定；正交車銑時銑刀的圓周刃和端面刃幾乎同時切入、切出工件，圓周刃瞬時切削力在一次完整的切削過程中會發(fā)生一次突變。他們的研究為車銑加工切削力的后續(xù)研究奠定了堅實基礎，但是其研究側重于無偏心車銑加工的切削力，且理論切削力模型無法反映各切削分力的變化，計算精度偏低。

經驗公式建模法是通過采用不同加工工藝參數的組合進行切削加工試驗，以采集的試驗數據為研究基礎，建立切削力與各加工工藝參數組合之間的非線性指數函數關系模型，將切削力模型中的切削加工參數、工件材料因子、刀具幾何角度等特征參數用系數和指數值來進行替換。周敏等［56］對車銑切削加工中銑刀的單齒圓周刃沿進給螺旋線展開后形成的次擺線運動軌跡進行分析，得到銑刀刀刃的軌跡方程和切削周期中切削厚度、切削寬度等計算模型，并結合切削力經驗公式建立了切削力模型。F.J.M.CRICHIGNO［57］通過經驗法建立了切削力模型，用于預測無偏心正交車銑的切削力大小。經驗法雖然能夠準確地得到切削力和切削參數之間的關系，但是實驗成本較高，且不能充分反映其切削過程。

機械法結合了解析法和經驗法的優(yōu)勢，不需進行復雜的參數確定，且可以反映切削本質。利用機械法對車銑切削力進行建模一般是將刀刃分成很多切削微元，考慮每一個切削微元上的切向力、徑向力和軸向力，把刀具受到的切削力看作參與切削的各切削微元的受力之和，以此建立切削力的理論模型（圖10）。

圖10 正交車銑切削力模型［58］Fig.10 Orthogonal turn-milling force model［58］

朱立達等［58］、閆蓉等［59］分別在無偏心和偏心兩種情況下，對銑刀圓周刃和端面刃的切削力變化規(guī)律進行建模仿真。仿真結果表明：在正交車銑中，對于無偏心和偏心這兩種情況，起主導作用的都是圓周刃，偏心情況下切削力更大；存在偏心距時，圓周刃和端面刃會同時切出工件，切削力的最大值也是由二者共同決定的。W.QIU等［60］利用機械法對圓弧刀片銑刀正交車銑加工中的切削力進行建模，該模型使用刀具的幾何包絡線代替了切削刃的實際掃掠面，著重考慮了切削厚度對切削力的影響。U.KARAGUZEL等［61］通過對切屑的幾何形狀的分析，建立了切屑受力模型，該模型采用了切削力的機械建模，給出了切屑的幾何函數和切削力的切向、徑向和軸向分量的切削系數表達式。A.COMAK等［62］使用機械法對作用在球頭銑刀上的切削力進行了建模，該模型考慮到了球頭銑刀的球半徑和螺旋角，但是忽略了銑刀底部產生的接觸力。K.UTSUMI等［63］為了研究車銑加工中刀具姿態(tài)對切削力的影響，提出了一種主要考慮刀具和工件之間復雜接觸行為的切削力仿真模型，該切削力模型建模過程使用機械法，可以預測車銑加工時刀具超前角和傾斜角的變化對切削力的影響。T.SUN等［64］分析了正交車銑時幾種不同的切削層幾何形狀種類，針對幾種不同種類的切削層幾何形狀進行分析建模，從而得出相應的切削力模型。其切削力模型如圖11 所示，圖中xt軸為刀具沿工件的軸向進給方向，zt軸為刀具的旋轉軸，灰色部分為刀具側刃參與切削形成的切削層，綠色部分為刀具底刃參與切削形成的切削層，右圖中深色部分為切削微元，每個切削微元都受一個切向、徑向和軸向的力，對各切削微元受到的力進行積分求和即可求得刀具所受到的總切削力。

圖11 正交車銑切削層的切削力模型［64］Fig.11 Cutting force model of orthogonal turn-milling layer ［64］

圖12 車銑復合加工典型航空零部件Fig.12 Turn-milling machining typical aviation parts

圖13 車銑復合加工軸類零件Fig.13 Turn-milling machining axis parts

上述對于車銑復合切削加工切削力的研究，主要是從工件材料的力學特性、刀具結構參數、切削參數等方面出發(fā)，考慮車銑切削加工過程中切削厚度的變化對于切削力的影響來建立切削力模型。但是車銑復合切削加工是一個動態(tài)的過程，受多種因素的影響，其中刀具磨損對于切削力也有較大影響，因此在切削力的建模過程中應考慮這一因素，對切削力預測結果進行不斷完善使其更貼近于實際情況。

5 車銑復合切削加工的表面完整性

與傳統(tǒng)的切削加工相比，優(yōu)異的工件表面質量是車銑加工的一個顯著特點。在車銑技術被作為一項新技術進行研究的初期，許多研究人員針對車銑加工的表面質量進行了大量研究。他們通過實驗，把車銑加工的工件表面質量與傳統(tǒng)車削、銑削以及磨削加工的工件表面質量進行了對比，相對于車削，即使使用較低的切削速度，車銑復合加工也能獲得高質量的工件表面，車銑復合切削工件表面粗糙度值比車削工件表面粗糙度值低10 倍左右，而且生產效率也遠高于車削加工；車銑復合切削工件表面光潔度優(yōu)于常規(guī)銑削，使用合適的切削參數時表面質量可以與磨削工件表面質量相媲美，因此車銑復合切削被認為是一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)車削、銑削和磨削的加工工藝［65-70］。

5.1 工件表面粗糙度和表面形貌

工件加工表面的粗糙度和表面形貌是表面質量最直接的體現(xiàn)，而利用實驗獲得切削參數與表面粗糙度之間的關系是科研人員的常用手段。在軸向車銑中，影響工件表面粗糙度的主要加工參數按影響程度大小依次為：工件轉速、銑刀轉速、切削深度，但是受機床振動和刀具磨損等因素的影響，工件表面質量變化趨勢并不穩(wěn)定［71］。V.SAVAS等［72-73］通過對比實驗研究了切向車銑中工件轉速、刀具轉速、切削深度和進給率對工件表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著切削深度和進給率的增大，粗糙度也增大，在一定范圍內隨工件和刀具的轉速的增加粗糙度值減小，而當轉速超過一定限度，切削溫度急劇升高會導致切屑粘結在刀具上，使加工表面粗糙度值增大，根據實驗結果建立了切向車銑加工表面粗糙度預測公式：

式中，N為工件轉速，n為刀具轉速，f為進給率，a為切削深度。

利用遺傳算法優(yōu)化技術求解式（15），確定了最小表面粗糙度值的最優(yōu)切削參數組合，并結合實驗驗證了結果的可靠性。B.KARPUSCHEWSKI［74］等主 要對切向車銑產生的表面紋理的摩擦和磨損性能進行了研究，通過實驗對比了切向車銑、傳統(tǒng)磨削以及硬車削工件表面，實驗中使用合適的工藝參數組合時切向車銑的表面粗糙度可以達到磨削的標準，而且切向車銑加工的圓柱滾子軸承表面的傾斜紋理相比于磨削和硬車削產生的紋理具有更好的摩擦磨損性能。劉進彬［75］通過正交實驗研究了正交車銑加工鈦合金時銑刀轉速、工件轉速和軸向進給量對工件表面粗糙度的影響，對實驗結果進行極差分析得到上述參數對粗糙度影響程度大小依次為銑刀轉速＞工件轉速＞軸向進給量，采用最優(yōu)參數組合可獲得的最小表面粗糙度為0.13 μm，并給出了表面粗糙度經驗公式：

式中，A為銑刀轉速，B為工件轉速，C為軸向進給量。

E.UYSAL等［76］研究了正交車銑中所特有的參數偏心率對表面粗糙度的影響，結果表明：通過優(yōu)化偏心率，工件的表面質量可進一步提高。

上述研究在利用實驗研究加工參數對工件表面質量的影響規(guī)律的基礎上，為工件表面的粗糙度建立了經驗預測公式，以獲得較優(yōu)的加工參數組合，但是實驗過程中會有很多不穩(wěn)定因素，因此一些研究者通過建立車銑復合切削工件表面幾何形貌的理論模型，以預測各個切削參數對表面形貌的影響規(guī)律。S.M.YUAN等［77］基于表面形態(tài)學算法，對軸向車銑和正交車銑進行了表面形貌的模擬仿真，得到了不同工藝參數下的2D 工件截面輪廓和三維表面形貌。通過對比仿真結果，發(fā)現(xiàn)對于軸向車銑而言，理論表面粗糙度隨著刀具轉速n、銑車轉速比λ、刀具齒數z和刀具半徑r的增大而減小，而在正交車銑中刀具半徑r對理論表面粗糙度沒有影響，仿真結果還表明使用偏心加工可以改善工件表面質量，但是沒有通過實驗驗證模型的正確性。L.D.ZHU等［10］研究了正交車銑的運動原理，根據正交車銑的運動關系，建立了正交車銑工件表面粗糙度理論模型，然后將工件從橫截面展開成矩形并進行網格劃分，通過計算工件表面的相對位置高度hij，得到表面形貌的數學模型，隨后利用MATLAB 軟件對所得模型進行了模擬，最終通過實驗驗證了模型的正確性，通過對實驗結果的分析定性定量地提出了正交車銑加工中一些參數的選擇準則。其表面粗糙度模型的表達式為：

當銑車轉速比為整數時其表面形貌模型表示如下：

當銑車轉速比不是整數時其表面形貌模型為：

式中，r為刀具半徑，R為工件半徑，n1為刀具轉速，n2為工件轉速，fa為軸向進給量，ap為切削深度，z為刀具齒數，θz為工件旋轉角度，N為工件旋轉的圈數。

J.HOU等［78］基于對正交車銑殘余高度的理論分析，建立了工件表面粗糙度預測模型，討論了工件轉速、刀具轉速、工件半徑和切削深度對粗糙度的影響，其理論粗糙度模型表示如下：

式中，st為工件轉速，sm為刀具轉速，n為刀具刃數，R為工件半徑，ap為軸向切削深度。

C.D?BBERTHIN等［79］基于現(xiàn)有文獻中的車銑過程的數學模型，利用MATLAB 編寫了新的分析方法，將現(xiàn)有的公式擴展到一個單一的軟件工具，可用于切向車銑和正交車銑兩種車銑過程，預測其表面形貌，并與實驗結果進行了對比，驗證了該軟件工具可以很好地預測這兩種車銑加工的實際表面形貌。

為了能夠獲得最優(yōu)的工件表面質量，除了進行工藝參數對工件表面形貌、表面粗糙度的影響規(guī)律研究，對車銑復合工藝參數進行優(yōu)化也是重要一環(huán)。由于車銑加工的切削參數眾多，使其優(yōu)化選擇具有挑戰(zhàn)性。上述文獻［73］中提到的遺傳算法是常用的一種優(yōu)化技術，該文獻中研究者利用遺傳算法得到了最小表面粗糙度值的最優(yōu)切削參數組合。但是車銑復合加工參數優(yōu)化是一個多目標問題，大多數情況下需要對兩個或者兩個以上的目標進行優(yōu)化。為了獲得較優(yōu)的工件表面質量，G.H.V.P.BABU等［80］根據多組正交車銑實驗結果，建立了響應面模型，用響應曲面法找出影響表面粗糙度和刀具振動幅值的重要切削參數，采用多響應優(yōu)化技術，得到了獲得較小的表面粗糙度和刀具振動幅度的最佳切削參數，利用期望函數分析證明了該響應可以被接受。K.V.RAO［81］使用一種稱為教與學算法（Teaching-Learning-Based Optimization Algorithm，TLBO）的先進優(yōu)化算法對正交車銑的工藝參數進行優(yōu)化，以獲得最小的表面粗糙度和刀具振動幅度，利用人工神經網絡和實驗驗證了該優(yōu)化方法的有效性，該方法可以在實驗數據較少的情況下實現(xiàn)工藝參數的多響應優(yōu)化。M.E.KARA等［40］使用了多目標遺傳算法，對正交車銑加工中包括表面粗糙度、切削力、刀具耐用度等多個數學模型作為優(yōu)化目標進行求解，最終得到一組帕累托最優(yōu)解，其中表面粗糙度的數學模型來自上述文獻［10］，運用該方法可以有效解決目標沖突的多目標優(yōu)化問題。

根據目前車銑復合切削加工工件表面質量的研究，表明在車銑復合切削加工中，通過提高刀具轉速n、銑車轉速比λ、刀具齒數Z、刀具半徑r、偏心率或減小軸向進給量fa、切削深度ap，都能使工件的表面粗糙度減小，選用合適的切削參數組合可獲得更高的表面質量。此外，通過改變車銑加工的切削參數和刀具結構，可以在工件表面形成微織構，一方面，車銑加工可在已加工表面得到良好的微儲油結構，提高摩擦副的摩擦磨損性能［82］；另一方面，車銑加工形成的微織構可以提升工件表面的靜摩擦系數，增加摩擦鎖緊連接中可傳遞扭矩的靜摩擦力［83-84］。

5.2 工件表面殘余應力

工件的表面殘余應力對其使用性能和壽命有著重要的影響，表面殘余拉伸應力會使工件的疲勞強度降低甚至產生裂紋，而表面殘余壓應力可以提高工件的疲勞強度。在車銑復合加工中，刀具和工件同時進行運動，所以在加工表面產生的殘余應力也是兩種運動合成加工的結果。

徐驏等［85］通過單因素正交車銑加工65#鋼的殘余應力實驗研究了切削速度和軸向進給量對于已加工表面殘余應力的影響規(guī)律，結果表明：金屬的熱塑性變形作用是車銑加工工件表面殘余應力產生及大小改變的主導因素，里層金屬發(fā)生彈性恢復和切削熱作用下表層金屬發(fā)生的相變是次要因素。與一般的車削加工相比，車銑加工可以在更高的生產效率下使工件獲得更好的表面殘余應力狀態(tài)。付鑫等［86］運用ABAQUS 有限元分析軟件建立了微細車銑三維仿真模型，采用單一因素試驗法得到不同測點深度下銑刀轉速、工件轉速、軸向進速度和背吃刀量4 個參數對殘余應力的影響，試驗結果表明：表面殘余應力與銑刀轉速呈負相關，與工件轉速和軸向進給量呈正相關，而背吃刀量則對表面殘余應力無明顯影響。

M.BOOZARPOOR等［87］、E.HOSSEINI等［88］利用單因素實驗法對正交車銑加工鎳鉻鐵合金的表面殘余拉伸應力進行了研究，通過改變銑刀轉速、工件轉速、進給速度、偏心量和切削深度觀察已加工表面的殘余拉伸應力變化，隨著銑刀轉速增加，殘余拉伸應力增大，因為銑刀轉速增加會使切削熱增加，而熱應力會促進殘余拉伸應力的產生；隨著工件轉速的增加，殘余拉伸應力減小，這主要是因為誘導應變率的影響，誘導應變率對工件表面施加了加工硬化，并提供殘余壓應力，導致殘余拉伸應力減小；隨著進給速度增加，切削力增大，而切削力增大也會導致加工硬化，提高殘余壓應力，使殘余拉伸應力減?。浑S著偏心量的增加，刀具和工件的嚙合減小，從而減小切削力，使殘余拉伸應力增大；隨著切削深度的增加，切削力增大，殘余拉伸應力減小。選擇銑刀轉速1 200 r/mm、工件轉速100 r/mm、進給量15 mm/r、偏心量0.2 mm、切削深度0.6 mm 時可以獲得最小表面拉伸殘余應力。B.CLAU?等［89］對車銑加工顆粒增強鋁基復合材料的表面性能進行了研究，他研究了不同刀具后角、切削速度和進給量對殘余壓應力的影響，發(fā)現(xiàn)當刀具后角為1°時，表面殘余壓應力隨著切削速度和進給量的增加而減小；而刀具后角為5°時，隨著切削速度增加，表面殘余壓應力沒有明顯變化。當刀具后角為1°、切削速度為200 m/min 時可以獲得最大的表面殘余壓應力。

目前，關于殘余應力的產生機理，從理論上定量分析還存在困難，現(xiàn)有的研究是通過試驗分析車銑加工過程中產生的切削力、切削熱、加工硬化以及熱塑性變形來對殘余應力的變化作出定性分析，從而為加工參數的選擇提供指導。

6 車銑復合切削加工的實際應用

車銑復合作為較新的加工工藝，在研究者們對其運動學原理、切削性能以及表面完整性進行了大量研究的基礎上，現(xiàn)主要應用于具有特殊結構特性的航空零部件和軸類零件的加工。

6.1 車銑復合加工在航空零部件中的應用

航空零部件具有承受載荷大、結構復雜、精度要求高等特點，一般由難加工材料制成，如起落架、機匣、發(fā)動機葉片等零部件，采用傳統(tǒng)加工方式很難滿足此類零件的技術要求，而車銑加工技術的出現(xiàn)在一定程度上可以滿足此類零件的加工需求。華中科技大學團隊針對起落架車銑加工的加工穩(wěn)定性、加工工藝規(guī)劃和表面形貌隨各工藝參數的變化規(guī)律進行了研究，為面向起落架車銑加工的穩(wěn)定性預測、加工工藝及編程效率、表面形貌等方面進行了一系列的優(yōu)化，取得了較為滿意的成果［90-92］。航空發(fā)動機機匣是典型的薄壁回轉體零件，其形狀結構復雜，整體薄壁且材料切除率很高，趙明等［93］通過實驗對比分析，驗證了車銑復合技術有利于提高機匣的加工效率，節(jié)省工裝夾具，降低加工成本，避免加工中機匣變形帶來的二次裝夾找正誤差；李濱等［94］根據車銑加工高速、高效、高質量的加工特點，利用Siemens NX 軟件進行數控程序編程仿真，為航空發(fā)動機鋁鎂合金機匣零件設計了加工工藝流程，該工藝方案相比于原有的工藝流程縮短了加工周期，降低了加工成本，一定程度上解決了鋁鎂合金機匣制造困難的問題；俸躍偉等［95］把偏心車銑技術應用于機匣的加工中，通過采用刀具偏置的方式避免了銑刀旋轉中心的零轉速點與零件相接觸，有效改善了零件加工質量并提高了加工效率。航空發(fā)動機葉片是航空核心部件，葉片的設計制造水平在很大程度上直接影響航空發(fā)動機的性能，寧晉生［96］研究了車銑復合加工鈦合金葉片時由再生效應引起的切削顫振，通過分析比對，發(fā)現(xiàn)當有顫振發(fā)生時表面粗糙度會達到穩(wěn)定表面的4倍以上；分析了使用不同加工參數對鈦合金葉片表面質量的影響，提出了車銑復合加工葉片時應采用多齒數、大刀徑、高轉速、小進給的加工策略。王曉邦等［97］針對薄壁葉片在高速車銑加工中受到的切削力建立了柔性切削力模型，然后利用相對傳遞函數建立了高速車銑加工葉片系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性模型，為如何避免顫振的發(fā)生提供了參考；J.NING等［98］在CAM 環(huán)境下完成了航空發(fā)動機葉片的數控加工程序的優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝可以提高實際切削效率和銑刀的穩(wěn)定性及精度，通過建立表面輪廓的數學模型，定量分析了加工參數對葉片表面形貌的影響。

現(xiàn)階段，車銑加工已經在許多航空零部件的加工中得到了應用，除了上述幾種較為典型的航空零部件，還包括轉動梁、渦輪軸、整體葉輪和各種接頭等零部件［99-102］。

6.2 車銑復合加工在軸類零件中的應用

發(fā)動機曲軸和凸輪軸都是結構形狀復雜的回轉體，在傳統(tǒng)加工方式中需要多次裝夾，生產效率低，而使用車銑復合加工可以做到“一次裝夾，完全加工”，能提高生產率，獲得顯著效益。同時，由于車銑復合能夠降低工件的旋轉速度，減小徑向切削力，能夠對弱剛度零件進行精密加工，車銑復合還被用于加工細長軸類零件［103］。

劉虎［104］、谷豐［105］分別完成了曲軸和凸輪軸基于車銑復合加工中心的加工工藝設計，根據其加工特征和加工精度要求選取了適宜的加工方法、加工刀具和工藝參數，并利用NC 加工編程仿真軟件完成了曲軸和凸輪軸的車銑加工程序設計，為實際生產中異性軸類零件的車銑加工工藝設計提供了一定參考。王海龍等［106］利用引進的GAMMA2000 車銑復合加工中心完成了單缸機曲軸、四缸機曲 軸、V6 曲軸、V8曲軸及V12曲軸等多種類型曲軸的試制開發(fā)。

細長軸通常指長徑比大于25的軸類零件。由于細長軸的剛度較低，在切削過程中易受切削力、切削熱、振動等因素的影響，加工后很難獲得滿意的表面粗糙度和幾何精度，所以細長軸類零件一直被認為是機加工領域的難加工工件。祝孟琪等［107］根據正交車銑特點把普通車床改造成為車銑復合專用機床，利用該機床進行車銑加工得到了表面粗糙度值為Ra0.458 μm，尺寸精度優(yōu)于0.015 mm 的9×300 mm的不銹鋼細長軸；仵珍稷等［108］研究了不同裝夾方式對車銑加工細長軸時產生的鼓形誤差的影響情況，發(fā)現(xiàn)使用跟刀架時產生的誤差遠優(yōu)于使用頂尖以及中心架作為輔助支撐時的質量，參考了加工手冊，選用合適的車銑加工刀具與切削用量用于車銑加工高強度鋼細長軸時，對比車削，車銑加工時間減少了23.98%，金屬去除率提高了31%。

7 車銑加工技術研究發(fā)展趨勢

國內外學者對車銑加工技術所涉及的運動學原理、刀具磨損、切屑形貌、切削力和表面完整性等方面進行了大量研究，目前這幾個方面研究的發(fā)展趨勢可以歸結如下。

（1）對于運動學原理的研究，目前的研究主要在于建立車銑運動的矢量模型，得到描述刀具運動的矢量表達式，但是只是針對普通車銑中刀刃上某一點相對于工件的運動規(guī)律，沒有考慮刀刃實際參與切削的長度、和刀刃的螺旋角以及其他幾何角度對切削的影響。因此應綜合考慮加工過程中刀刃參與切削的實際情況，探究更貼近于實際的運動學原理。

（2）對于刀具磨損的研究，目前的研究主要集中于通過單因素或者正交實驗探究不同切削條件及切削用量對于刀具耐用度的影響和刀具磨損機理，但很少有利用輔助方法改善刀具磨損的研究。因此應研究利用各種輔助方法，如：超聲振動、激光、電脈沖等輔助方法改善刀具磨損。

（3）對于切屑形貌的研究，目前的研究主要集中于采用實驗分析法和數學建模法對車銑加工過程中切屑的成形機理進行定性分析。未來的研究方向包括不同涂層和刀具、工件材料對車銑切屑形貌的影響，以及車銑切屑形貌與切削力、顫振穩(wěn)定性和加工表面質量之間的定量關系的確定。

（4）對于切削力的研究，目前主要考慮車銑切削加工過程中切削厚度的變化對切削力的影響建立切削力模型，但是未考慮刀具磨損對切削力帶來的影響。因此應在切削力的建模過程中考慮刀具磨損，使得切削力預測結果更貼近于實際情況。

（5）目前，表面完整性的研究主要集中于已加工表面的表面粗糙度、表面形貌和表面殘余應力等方面，而對已加工表面的加工硬化鮮有研究。因此車銑切削加工已加工表面加工硬化的研究有待開展。

8 結語

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，車銑復合加工技術因具有加工效率高和加工精度高的優(yōu)點一直受到研究人員的青睞。由于車銑復合加工具有加工工序集中、加工精度高、易于實現(xiàn)高速切削和間斷切削等優(yōu)點，目前廣泛應用于航空零件和難加工材料的加工。為了滿足現(xiàn)在與未來的需求，高精密車銑復合加工機床和新型車銑切削銑刀的研制應被予以重視，同時加強車銑加工中切削力研究與計算機仿真技術的結合和對加工過程的實時監(jiān)控的方法研究。隨著車銑復合機床、車銑刀具、計算機仿真和實時監(jiān)控等技術的發(fā)展，車銑技術的發(fā)展前景將越來越廣闊。