球頭銑刀姿態(tài)對(duì)鋁合金工件表面形貌影響的試驗(yàn)研究*

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(jī)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(duì)象適應(yīng)性強(qiáng)，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(gè)重要方面，近年來(lái)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(yàn)驗(yàn)證角度對(duì)銑削加工表面形貌進(jìn)行了深入地研究［1-4］，但目前研究的重點(diǎn)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(diǎn)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(duì)表面形貌分布及特征參數(shù)的影響規(guī)律，將對(duì)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(duì)象之一，研究球頭銑刀姿態(tài)對(duì)其表面形貌的影響，對(duì)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(shí)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(jiǎn)稱“傾斜角”。如圖1 所示，如果刀具繞平行于間歇方向的坐標(biāo)軸OAXA的正向和負(fù)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(jìn)給方向的坐標(biāo)軸OAYA的正向和負(fù)向旋轉(zhuǎn)而使刀具軸線和被加工傾斜，此時(shí)分別形成順銑(圖1c)和逆銑(圖1d)。

2 主要試驗(yàn)器具

試驗(yàn)機(jī)床為長(zhǎng)征機(jī)床廠生產(chǎn)的KVC650F/1 立式四軸加工中心，該機(jī)床配備的數(shù)控系統(tǒng)是FANUC0i，帶A軸控制功能，主軸無(wú)級(jí)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L(zhǎng)Y12 的直徑為φ50 mm 的棒料，所用測(cè)量裝置主要為帶攝像裝置的1M 系列工具顯微鏡和電動(dòng)輪廓儀。

3 試驗(yàn)過(guò)程

為了突顯刀具姿態(tài)對(duì)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(yàn)采取了一系列措施，主要有:刀具選用未開(kāi)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(shí)充分冷卻等。總共安排18 次試驗(yàn)，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(yàn)各一次，同傾斜角的推拉銑試驗(yàn)各一次。試驗(yàn)時(shí)先將φ50 mm 棒料加工成圖2 所示對(duì)邊尺寸為45.3 mm 的十八棱柱，以保證每次試驗(yàn)的加工余量一致，也利于測(cè)量時(shí)試樣的正確安放。不同銑削方式下刀具加工時(shí)的姿態(tài)是由加工軌跡和機(jī)床A軸的旋轉(zhuǎn)相互配合的而實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)選用的切削速度是30 m/min，背吃刀量是0.5 mm，每齒進(jìn)給量是0.15 mm/齒，進(jìn)給行距是0.5 mm。試驗(yàn)加工過(guò)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(dòng)輪廓儀測(cè)量每個(gè)表面的粗糙度。

4 試驗(yàn)分析與討論

4.1 順逆銑時(shí)刀具姿態(tài)對(duì)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(shí)刀具傾斜角對(duì)表面粗糙度的影響情況。對(duì)應(yīng)于圖1，傾斜角為負(fù)時(shí)形成逆銑，為正時(shí)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(duì)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(duì)稱，即傾斜角度絕對(duì)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(yàn)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(diǎn)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(shí)刀具姿態(tài)對(duì)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(shí)刀具傾斜角對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律曲線。對(duì)應(yīng)于圖1，傾斜角為負(fù)時(shí)形成拉銑，為正時(shí)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(duì)值的增大而減小，但減小到一定值后也有增大的趨勢(shì)，但該趨勢(shì)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(duì)稱，即等傾斜角絕對(duì)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(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)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(yǔ)

(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(shí)，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(shí)弧線的兩端點(diǎn)不在同一條水平線上，而推拉銑時(shí)則幾乎在同一條水平線上。

(3)多軸傾斜銑削鋁合金時(shí)，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(guó)偉. 5 坐標(biāo)數(shù)控加工中工件表面形貌的計(jì)算機(jī)仿真［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(5):690 －694.