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車銑切削力對(duì)機(jī)械加工的影響
2021-1-7  來源：山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院  作者：程聯(lián)斌


    摘要：為進(jìn)一步提升車銑復(fù)合加工中心對(duì)產(chǎn)品的加工精度，在對(duì)車銑加工理論研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了車銑加工技術(shù)影響產(chǎn)品加工精度的關(guān)鍵因素，并以曲軸加工為例研究了車銑切削力對(duì)機(jī)械加工精度的影響機(jī)理，為提升車銑加工精度提供了參考。

    關(guān)鍵詞：車銑；切削力；機(jī)械加工
  
    ０　引言
  
    機(jī)械加工是基于機(jī)械加工設(shè)備對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行加工處理得到滿足要求產(chǎn)品的過程。機(jī)械加工主要包括車、銑、刨、磨等工種。自２０世紀(jì)８０年代以來，新興的車銑加工技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。車銑加工技術(shù)并不是簡單的將車削和銑削兩種工種合并于一個(gè)機(jī)床上，而是基于車銑合成運(yùn)動(dòng)對(duì)原材料表面進(jìn)行加工處理，使得所得產(chǎn)品的形狀、位置精度以及表面粗糙度等均滿足要求。
  
   但是，對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的零件而言，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其受力情況復(fù)雜，使得采用車銑技術(shù)加工時(shí)常發(fā)生零件變形、產(chǎn)品不合格等問題。經(jīng)研究可知，采用車銑技術(shù)時(shí)影響機(jī)械加工
精度的因素主要包括車床的幾何誤差、加工過程中車銑切削力以及工件裝夾條件等。本文將著重研究車銑切削力對(duì)機(jī)械加工零件精度的影響。

   １　、車銑加工的概述
  
   簡單的說，車銑技術(shù)是基于工件旋轉(zhuǎn)和銑刀旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)完成對(duì)工件的加工，使所得產(chǎn)品在位置、形狀以及表面粗糙度方面滿足要求的先進(jìn)機(jī)械加工方法。車銑加工針對(duì)零件的加工過程主要包括 ４ 種運(yùn)動(dòng)，分別為銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和銑刀徑向進(jìn)給。

   其中，銑刀旋轉(zhuǎn)為車銑加工的主要運(yùn)動(dòng)，根據(jù)所加工工件的不同特征可對(duì)不同零件采取軸向車銑、正交車銑以及一般車銑等加工工藝。與傳統(tǒng)零件切削加工工藝相比，車銑加工技術(shù)具有如下特點(diǎn)：
  
  （１）車銑加工過程主要為間斷切削，該切削更方便于切屑的排出，并有利于零件在加工過程中冷卻，使零件的加工溫度較低。
  （２）車銑加工過程中僅需對(duì)零件一次裝夾即可完成整個(gè)零件所有工序或者大部分工序的加工，大大提高了零件的加工效率；同時(shí)，一次裝夾也大大避免了多次裝夾所累積的安裝定位誤差，
間接提高了零件加工精度。
  （３）車銑加工在高速加工過程中對(duì)零件的切削力僅為傳統(tǒng)加工手段的３０％，大大降低了由于切削力導(dǎo)致的零件變形的概率；同時(shí)，較小的切削力對(duì)車床的沖擊力小，保證了車床的精度要求。
  （４）車銑加工中的車刀和銑刀均為多刃刀具。多刃刀具的應(yīng)用一方面提高了刀具的使用壽命，另一方面在加工過程中保證了零件處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，進(jìn)而使得所加工零件的表面粗糙度滿足要求。
  （５）車銑加工過程中的切削速度是工件旋轉(zhuǎn)和刀具旋轉(zhuǎn)合成的速度，因此，在高速切削過程中，即使是工件以超低速運(yùn)行也可保證高速切削。對(duì)于超薄壁零件而言，可確保其在超低速情況下完成加工任務(wù)，避免了超薄壁零件在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生變形。
  （６）車 銑 加工對(duì)零件 的切削變 形 主 要 為 絕 熱 剪切，因此，實(shí)際加工過程中所產(chǎn)生的絕大部分熱量由刀具帶走，留在工件上的溫度較低，從而減小了待加工零件的熱變形。

   ２　、影響工件加工精度的因素分析
   
   車銑復(fù)合加工中心是車銑加工技術(shù)的集中體現(xiàn)，也是當(dāng)今順應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的加工中。車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)如圖１所示。
 
 

圖１　車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)示意圖
  
   車銑復(fù)合加工中心所加工零件的精度主要由刀具相對(duì)于工件的實(shí)時(shí)位置精度所決定。影響車銑復(fù)合加工零件加工精度的因素主要包括機(jī)床幾何誤差、切削力、控制系統(tǒng)、加工環(huán)境以及熱變形等。
  
    ２．１　機(jī)床幾何誤差對(duì)加工精度的影響
  
    機(jī)床的幾何誤差主要是由機(jī)床導(dǎo)軌的誤差、機(jī)床主軸的誤差、機(jī)床移動(dòng)部件相互間的垂直誤差以及傳動(dòng)鏈之間的誤差所累積而成的誤差。機(jī)床幾何誤差可根據(jù)所加工產(chǎn)品的形態(tài)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整或者更換零部件等措施消除。

    ２．２　切削力對(duì)產(chǎn)品加工精度的影響
  
    在實(shí)際加工過程中，刀具、夾具以及工件等均會(huì)受到切削力、夾緊力以及傳動(dòng)力的影響，進(jìn)而使得工件與刀具之間的相對(duì)位置被破壞，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的加工誤差針對(duì)車銑復(fù)合加工中心，切削力影響產(chǎn)品加工精度的主要原因是切削力會(huì)導(dǎo)致機(jī)床主軸、尾座以及刀塔變形。
  
    ２．３　控制系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品加工精度的影響
  
    車銑復(fù)合加工中心控制系統(tǒng)由于其算法、靈敏度等因素導(dǎo)致其在實(shí)際加工過程中存在零點(diǎn)飄移、穩(wěn)定誤差等問題，從而影響產(chǎn)品的加工精度。

    ２．４　熱變形對(duì)產(chǎn)品加工精度的影響
  
    在實(shí)際加工過程中，機(jī)床電機(jī)所發(fā)出的熱量、各個(gè)零部件摩擦所發(fā)出熱量以及工件與刀具在切削過程中產(chǎn)生的熱量等均會(huì)導(dǎo)致機(jī)床無法按照實(shí)際指令完成其相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作或者動(dòng)作不到位，
導(dǎo)致所加工工件的精度不滿足要求。

    ３　、實(shí)例分析
  
    在影響工件加工精度的眾多因素中，切削力對(duì)工件精度影響的比重最大。本文以曲軸的加工為例著重探討車銑切削力對(duì)工件加工精度的影響機(jī)理。由于正交車銑主要適用于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的加工和長軸類零件的加工，因此，對(duì)于曲軸的加工而言，采用正交車銑的方式完成。

    正交車銑的工作示意圖如圖２所示。

  
  
圖２　正交車銑加工示意圖

    本文采用 ＡＮＳＹＳ建模仿真分析的手段研究切削力對(duì)工件加工精度的影響。本文所研究曲軸共有３個(gè)連桿頸和５個(gè)主軸頸，連桿頸的直徑為Φ２４ｍｍ；主軸頸的直徑為Φ２５ｍｍ；曲軸的連桿臂長為１５ｍｍ；曲軸的總長為２１２ｍｍ。曲軸的三維結(jié)構(gòu)如圖３所示。
　
　　　 
圖３　曲軸三維結(jié)構(gòu)

    具體仿真結(jié)果如下：車銑復(fù)合加工中心對(duì)曲軸第一連桿頸加工時(shí)，第一連桿頸處的最大變形量為１.０２８×１０－３　ｍｍ，第一連桿頸平均切向位移量為３．８×１０－４　ｍｍ，扭轉(zhuǎn)變形量為０．０８７′。對(duì)應(yīng)得出，加工第一連桿頸時(shí)，其余兩個(gè)連桿頸的變形量如表１所示。
  
表１　加工第一連桿頸時(shí)其余兩個(gè)連桿頸的變形量
   
  

    車銑復(fù)合加工中心對(duì)曲軸第二連桿頸加工時(shí)，第二連桿頸的最大變形量為１．７×１０－３　ｍｍ，切向平均位移量為９．４×１０－４　ｍｍ，扭轉(zhuǎn)變形量為０．２１５′。對(duì)應(yīng)得出，
加工第二連桿頸時(shí)，其余兩個(gè)連桿頸的變形量如表２所示。
  
表２　加工第二連桿頸時(shí)其余兩個(gè)連桿頸的變形量
 
 
  
  
    車銑復(fù)合加工中心對(duì)曲軸第三連桿頸加工時(shí)，第三連桿頸最大變形量為２．６×１０－３　ｍｍ，平均切向位移量為１．２７×１０－３　ｍｍ，扭轉(zhuǎn)變形量為０．２９１′。對(duì)應(yīng)得出
，加工第三連桿頸時(shí)，其余兩個(gè)連桿頸的變形量如表３所示。
  
表３　加工第三連桿頸時(shí)其余兩個(gè)連桿頸的變形量
  
    
  
    綜上所述：根據(jù)工藝要求對(duì)第一、第二、第三連桿頸進(jìn)行加工時(shí)，其對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)變形量逐漸增大，且最終扭轉(zhuǎn)變形量為０．２９１′。經(jīng)仿真分析可知：切削力導(dǎo)致曲軸加工相位角的誤差為０．２９１′。

    ４　、結(jié)語
  
    車銑加工作為當(dāng)前機(jī)械加工中相對(duì)先進(jìn)的加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于零部件的加工中，車銑復(fù)合加工中心作為車銑加工技術(shù)的集中體現(xiàn)是未來機(jī)械加工設(shè)備的發(fā)展方向。為進(jìn)一步提升車銑加工技術(shù)的加工精，需準(zhǔn)確掌握影響產(chǎn)品加工精度的因素，分析各類因素影響產(chǎn)品加工精度的機(jī)理。經(jīng)研究，切削力對(duì)車銑加工產(chǎn)品的加工誤差會(huì)不斷累加，進(jìn)而影響產(chǎn)品的加工精度。



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