車銑復合加工裝置設計及應用

謝登華

摘 要：車銑復合加工是利用銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)合成運動來達到加工的目的，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長軸類工件的切削加工。

關(guān)鍵詞：車銑；不銹鋼；細長軸

1引言

車銑復合加工是通過銑刀與工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來完成對工件的切削加工。車銑復合加工較易實現(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

車銑復合加工作為目前國際上最流行的機加工工藝。切削加工時，工件、銑刀同時做旋轉(zhuǎn)運動，同時銑刀沿工件軸向、徑向進給包絡出加工表面。車銑加工不是簡單的將車削、銑削功能集中到一臺機床上，而是利用車銑合成運動實現(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，加工外圓表面時縱向形成不受限制，適合細長軸類工件切削加工。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

與傳統(tǒng)切削加工方法相似，車銑復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。車銑加工作為當下應用最廣泛的機加工方法之一，有如下優(yōu)點：

（1）不同于車削，車銑復合切削加工可以在工件轉(zhuǎn)速較低的情況下實現(xiàn)高速切削。高速切削較普通切削切削力降低30%，當用于細長軸類弱剛度工件切削加工時，工件因受切削力變形而引起的加工誤差也隨之降低。

（2）車銑復合為斷續(xù)切削加工，切屑較短，便于加工過程中自動排屑；斷續(xù)切削，刀具在切削過程中周期性冷卻，刀具壽命更長，進一步降低加工成本。

（3）多刃切削，切削加工過程較平穩(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，使用較大的縱向進給也可以得到較低的表面粗糙度。

細長軸類工件車銑復合切削加工時，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)勢能夠得到發(fā)揮。工件低速旋轉(zhuǎn)時，離心力等引起的工件變形能夠在一定程度上得到緩解。細長軸類工件切削加工通?？v向行程較長，刀具長時間切削，刀具溫度較高磨損較快，車銑復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，一定程度抑制細長軸切削時自激振動，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)的主要研究內(nèi)容有車銑基本理論、車銑切削刀具、被加工工件、切削加工過程以及車銑復合加工中心五個領域。車銑基本理論有車銑運動學與動力學、已加工工件的理論表面粗糙度以及加工過程等內(nèi)容，這些內(nèi)容是數(shù)控車銑中心研究開發(fā)、切削刀具選擇與設計和加工工藝規(guī)程制定的技術(shù)基礎及研究的難點。

車銑用刀具與普通銑削刀具有很大區(qū)別，因為車銑一般是用銑切削加工回轉(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。

一臺標準的數(shù)控車銑加工中心，至少需有X、Y、Z、B和C五個軸，其中三至五軸可聯(lián)動。在這樣的加工中心上，可實現(xiàn)一次裝夾完成車、銑、鉆、鏜等多個工序，從而減小重復裝夾誤差。

編程是數(shù)控車銑的另一難點。由于現(xiàn)今開發(fā)的控制系統(tǒng)多數(shù)是針對車、銑、鉆等傳統(tǒng)切削加工工藝，若將其應用到數(shù)控車銑中心，一般需再次開發(fā)，且車銑切削加工是復合運動，因此，如沒掌握車銑基本理論，編程將會非常困難。

3車銑復合加工機床改造

3.1機床整體布局方案

本課題擬基于普通臥式車床完成車銑復合機床改造，用于中碳鋼、不銹鋼等各種難加工材料細長軸車銑復合切削加工。改造后機床能夠?qū)崿F(xiàn)車銑復合運動的四個基本運動：銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)運動、被加工工件的軸向進給運動及其徑向進給運動。改造后的機床需要在原機床車削主軸的基礎上增加銑削主軸，銑削主軸可以在水平方向有相對運動，垂直方向上可以定量進給。改造后的機床整體布局如圖3.1所示，從圖中可以看出，車銑復合機床的最為重要的部件是車削主軸和銑削主軸，由于該機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）主軸動力選擇

銑削主軸的選型是機床改造的關(guān)鍵流程之一，銑削主軸的運動誤差特性直接影響被加工工件的表面質(zhì)量和加工精度。為實現(xiàn)微小型零件切削加工，銑削主軸應保證能夠穩(wěn)定、高速旋轉(zhuǎn)。目前，機床主軸動力常見選擇有普通電機、氣動馬達和電主軸三種。普通電機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，需要設計專用的機械主軸，機械主軸與電機之間通過聯(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)較復雜，主軸高速旋轉(zhuǎn)機構(gòu)穩(wěn)定性不能保證。氣動主軸結(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，實驗條件無法滿足。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、響應快等優(yōu)點，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，能夠簡化機床設計，易于實現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種較為理想的裝置，復合機床改造要求，試驗選用電主軸為銑削主軸提供銑削動力。

（2）電主軸功率優(yōu)選

車銑切削加工過程中，切削厚度動態(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)驗公式研究較少，尚無確切研究結(jié)果。

3.3車銑復合加工機床

試驗用車銑復合機床基于德國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)無級變速；進給量有0.085 mm和0.16 mm兩檔。車削主軸采用的是帶傳動，帶傳動的結(jié)構(gòu)比較簡單，皮帶可彈性吸振，傳動較平穩(wěn)。拆除車床已有轉(zhuǎn)盤和刀架裝置，設計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軌移動，通過進給裝置調(diào)整銑刀的進給量，實現(xiàn)車銑復合切削加工功能。夾具工裝與車床下刀架之間通過銷定位保證銑削主軸與機床主軸垂直。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，徑向跳動量0.01 mm，同軸度0.025 mm。

4結(jié)論

論文在分析車銑復合切削相關(guān)理論的基礎上，建立了車銑復合加工裝置，并利用該裝置進行切削加工參數(shù)對表面質(zhì)量、加工精度影響的相關(guān)實驗，獲得了具有較好表面質(zhì)量、一定尺寸精度的微細軸、細長軸工件。

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