高速切削加工.docx

高速切削表面粗糙度的研究摘要: 表面粗糙度直接影响机械零件的配合性质，表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命，是评价产品精度和进行零件设计的技术要求之一，也是衡量切削加工性能的重要指标。表面粗糙度的影响因素，测量及其预报和控制，已受到国内外研究学者的广泛关注1。高速切削(HSC)以高的加工效率和高的加工质量为主要特征。工件已加工表面粗糙度为评价工件表面质量的重要指标。机床、刀具与工件材料是影响高速切削已加工表面粗糙度的外在关键因素2。关键词： 高速切削 表面粗糙度 进给量 引言高速切削(High Speed Cutting,简称HSC)是切削加工的主要发展方向之一,已成为切削加工的主流。高速切削与传统切削加工方式有显著不同的特点,主要表现在:材料去除率高、切削力低、热变形小、加工表面粗糙度值低、表面完整性好、制造成本较低,产品开发周期短、可加工薄壁件,使加工工艺和生产管理简化。高速切削是一个复杂的系统技术,是在机床结构及材料、高速主轴、快速进给、高性能CNC控制、高性能刀夹装置、高性能刀具材料及刀具设计、高精度测量测试、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的。由于高速切削技术在切削原理上是对常规切削的重大突破,在高速切削条件下切削加工工艺安排、切削用量选择、刀具应用及高速切削系统的适用性和表现特性等方面都有其特殊的技术要求及实施手段,所以高速切削技术在很多方面有着传统切削方式所无可比拟的高效、精密的优越性4。2 表面粗糙度的影响因素5在高速切削加工过程当中，表面粗糙度的影响因素大致可以归纳为四个方面: 工件变量，刀具变量，切削参数变量及切削过程变量。这些影响因素之间存在相互耦合的关系，而且在切削过程中还受到很多不可控因素的影响。2.1 工件变量的影响工件变量主要包括: 工件尺寸( 长度、直径) ，工件材料硬度等。工件材料的性能对表面质量有着重要的影响。工件材料金属分子与刀具材料的亲和力大时，被加工材料容易与刀具因粘结而生成积屑瘤和鳞刺，且被粘结在刀刃上的金属与被加工表面分离时还会形成附加的粗糙度。因此，粘结情况严重或摩擦严重的，表面粗糙度都比较大； 反之如果粘结和摩擦不严重的，表面粗糙度都比较小。2.2 刀具变量的影响刀具变量主要包括: 刀尖半径，切削刃形状，悬伸量，硬度，刀片安装误差等。刀具几何参数对表面粗糙度有一定的影响。其中刀尖圆弧半径对表面粗糙度影响较大: 半径增大时，残留面积减小，所以在刚度允许的情况下，刀尖圆弧半径的增大是降低表面粗糙度的一个很好的方式； 副偏角减小，表面粗糙度也随之降低; 然而副偏角减小会引起振动，因此减小副偏角，必须根据机床系统的刚度来确定，具体问题具体分析&副偏角达到一定值的时候，再增大半径，表面粗糙度值也不会增加&前角对表面粗糙度没有直接影响，却对抑制积屑瘤和刺有较好的效果，并使刃口回弧半径减小，因此在中，低速范围内适当增大前角可降低表面粗糙度。2.3 切削参数变量的影响切削参数变量主要包括: 切削深度，切削速度，进给量( 每齿进给量) 行间距切削参数变量对表面粗糙度有着显著的影响。由于切削参数的综合作用，切削速度，进给量，切削深度对表面粗糙度的影响规律较难得出定量的分析。切削速度 1400r/min 是一个临界值,v=1400r/min时，可以得到良好的表面光洁度和较高的加工效率及低负载。采用高切削速度，低进给率和低切削深度时可以得到较好的表面质量。 图1 常规加工示意图 图2 高速切削加工示意图2.4 切削过程变量的影响 切削过程变量主要包括: 切削温度，刀具磨损，切削力，刀具轨迹，切削方式，系统振动，系统刚度等。当刀具磨损达到一定值时，刀具磨损是影响表面形貌和表面粗糙度的主导因素，表面粗糙度随着刀具磨损的增大而变大。用硬质合金球头铣刀加工模具钢，发现适当地控制切削力不仅有助于效率的提高，也可以获得更好的表面质量;所期望的表面质量可以通过预定的方式来控制切削力来保持； 较大的切削力会使表面粗糙度增大。在对镍基高温合金进行高速切削时，冷却润滑的条件和刀具的磨损，刀具的磨损和加工工件表面粗糙度都有直接相关性。在冷风，油雾的切削条件下，能较好的抑制刀具的磨损，减小表面粗糙度。冷风一方面可以降低切削区的温度，增加刀具和工件表面的摩擦，另一方面又可以增大工件材料和刀具的硬度，减小已加工表面的积削瘤，减小表面粗糙度&油雾可以减小刀具和工件表面的摩擦，进而减小加工工件的表面粗糙度，降低了切削区域的加工温度，减小高温对刀具的损害，还可延长刀具的寿命。1 图3 进给速度不变( 图4 每齿进给量不变( 2.5进给量和铣削行距对表面粗糙度的影响进给量对加工效率影响很大,在切削速度一定的情况下,加工效率与每齿进给量成正比。对于球头铣刀而言,每齿进给量和铣削行距将直接影响平面加工的工件表面残留高度(见图2)。从理论上讲,减小每齿进给量和铣削行距可以减小残留高度,使表面粗糙度值降低。但考虑到加工效率的需要,必须合理选择进给量和行距。 图5 每齿进给量和铣削行距产生的残留高度 3试验环境与方法73.1试验条件（1）机床:采用MAKINOA-55卧式加工中心,数控系统为FANUC16;主轴采用HSK63、40TAPER,最高转速可达12000r/min,最快移动速度60m/min。 （2）刀具:采用超微粒硬质合金基体涂层刀具MS2MBR0600两刃球头立铣刀,螺旋角为30,球头半径R=6mm,外径D=12mm,刃长22mm,全长110mm,柄径12mm;铣刀采用MS涂层,硬度9093HRA,抗弯强度2000 3500MPa。该刀具材料强度和韧性高,抗热冲击性能好,可大幅提高切削速度,适用于高速铣削。（3）工件材料:NAK80模具钢,试件尺寸为163mm125mm89.6mm; (4)测量装置:选用Surftest 500表面粗糙度测试仪。通过检波器的转变能够获得满意的测量效果,可完成高精度的表面粗糙度测量。(5)铣削方式:刀具与铣削表面成30，采用油冷却。3.2试验方法试验分两组进行。第一组:保持周期进给量0.200mm不变,取切深为固定值0.171mm;根据刀具参数、被加工材料(NAK80模具钢)和加工角度(15)确定主轴转速和进给速度;改变切削速度和进给速度,测量加工表面粗糙度。试验结果见表1。第二组:保持主轴转速7200r/min不变;取切深为固定值0.171mm;让每转进给量f与周期进给量P相等;改变周期进给量和进给速度进行相应试验。试验结果见表2。表1 第一组参数的试验结果表2 第二组参数的试验结果4试验结果及分析由第一组试验所得到的Ra、Ry、Rz变化曲线见图6。由第二组试验得到的Ra、Ry、Rz曲线见图7。 图6 图7 由图可知,在恒定转速7200r/min、切削深度0.171mm的条件下改变周期进给量时,开始时周期进给量比较小,使工件上残留高度也较小,因此表面粗糙度值也较小;随着周期进给量的增大,残留高度也相应增大。当周期进给量增大到0.400mm时,表面粗糙度值将发生突变,这是由于周期进给量的增大使刀具加工时的步距加大,导致材料残留高度变大。5结论通过本实验可以得出:在高速切削且周期进给量改变时,随着周期进给量的增大,表面粗糙度值也相应增大;在较小的周期进给量和切削深度下,切削速度的变化(41350m/min)对表面粗糙度的影响并不明显;在高速、小切深且周期进给量小于0.3mm时,可得到较高的表面质量,实现以切代磨。6 结语 影响已加工表面粗糙度的因素可分成几何因素和非几何因素。几何因素是按几何关系计算出来,称为理论粗糙度。但在实际切削过程中,各种非几何因素对表面粗糙度的影响要比理论粗糙度大得多5。通常影响粗糙度的非几何因素包括:积屑瘤、鳞刺、振动、切削刃刃磨质量、工件材料组织缺陷以及切削液使用情况等。高速切削不仅能大幅提高单位时间材料切除率,而且当切削速度达到相当高的区域时,切削力下降,工件温升较低,热变形较小,刀具的使用寿命提高。高速切削的速度是普通切削速度的510倍6。 高速切削加工技术是一项全新的正在发展之中的先进实用技术!在工业发达国家已得到广泛的应用。取得巨大的经济和社会效益。在我国高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究#开发工作需要进行。研究各种材料的高速切削机理!开发合理的高速切削技术是当务之急。 文献检索1陈良芳,林有希. 高速切削表面粗糙度研究进展J. 工具技术,2013,09:10-14.2刘宝莉,赵晓强. 高速切削技术应用可提高航空零部件加工质量和效率J. 航空制造技术,2014,12:100-101.3温志远. 影响铝合金高速切削已加工表面粗糙度的关键因素J. 广东轻工职业技术学院学报,2006,03:5-7.4郭培燕,王素玉,冯桢,李明艳. 高速切削加工表面残余应力的产生和控制J. 工具技术,2007,03:46-48.5张树森,刘世成,布光斌,冯明军. 高速铣削铝合金叶片表面质量的试验研究J. 工具技术,2007,12:21-24.6Paul-Heinz Beyer,卢镇华. 高效切削加工对机床的要求J. 木工机床,2007,04:15-21.7曲晓文,林有希,颜聪明. 模具高速切削关键技术研究进展J. 机械设计与制造,2012,05:249-251.8沈步楼. 高速切削技术在模具制造中的应用J. 产业与科技论坛,2012,04:73-74.9段虹,何永利,王仲民. 模具钢高速切削表面粗糙度的试验研究J. 工具技术,2005,11:29-31.10毛文亮,杨小平,邹山梅. 铝合金高速切削表面粗糙度影响因素研究J. 机械研究与应用,2010,05:53-55.11李甜甜,姜丽娜,吴冉. PCBN刀具高速切削钛合金切削力和表面质量的研究J. 工具技术,2013,01:50-53.12郭强. 高速切削加工技术应用分析J. 黑龙江科技信息,2013,25:24.13李小雷,童水光. 高速切削刀具系统固有特性和动态响应分析J. 工程设计学报,2004,05:268-272.14王西彬. 金刚石刀具高速精密切削加工的研究J. 工具技术,2002,02:15-18.15王素玉,赵军,艾兴,吕志杰. 高速切削表面粗糙度理论研究综述J. 机械工程师,2004,10:3-6.16龙震海,王西彬,蒋放. 镁合金高速切削条件下表面粗糙度影响因素析因分析J. 航空制造技术,2005,04:104-107.1