【文章內(nèi)容簡介】 和工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來實現(xiàn)對工件的切削加工，使工件在形狀精度、位置精度、表面粗糙度及殘余應(yīng)力等多方面達(dá)到使用要求的一種先進(jìn)切削加工方法。它不是車削與銑削的簡單結(jié)合，而是在當(dāng)今數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展的條件下產(chǎn)生的一種高新切削技術(shù)。車銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給四個基本運動。銑刀的旋轉(zhuǎn)運動是主切削運動。切削速度由銑刀旋轉(zhuǎn)速度和工件旋轉(zhuǎn) 速度共同決定，其中銑刀旋轉(zhuǎn)速度是決定切削速度的主要因素，特別是在高速、超高速車銑加工中，工件旋轉(zhuǎn)速度對切削速度的影響可以被忽略。切削的進(jìn)給速度由工件旋轉(zhuǎn)速度、銑刀軸向進(jìn)給速度和徑向進(jìn)給速度三個基本速度共同決定，其中工件旋轉(zhuǎn)速度對進(jìn)給速度的影響遠(yuǎn)大于其它兩個基本速度。工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向線速度即為銑刀的周向進(jìn)給速度，它的大小等于工件的轉(zhuǎn)速與工件周長的乘積；銑刀的軸向（或徑向）進(jìn)給速度則等于工件的轉(zhuǎn)速與銑刀在工件每轉(zhuǎn)時沿工件軸向（或徑向）移動距離的乘積。銑刀的直線進(jìn)給運動根據(jù)不同加工的需要可采用軸向進(jìn)給（如加工軸 類零件）或徑向進(jìn)給（如加工盤類零件）運動，也可同時采用軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給（如加工錐體零件）運動。，車銑不是單純的將車和銑兩種加工手段合并到一臺機床上，而是利用車銑合成運動來完成各類表面的加工。依據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對位置的不同，車銑加工主要可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑。依據(jù)工件和刀具旋轉(zhuǎn)相對方向的不同，它們又都可分為順銑和逆銑兩種不同的形式，圖 所示。其中軸向車銑和正交車銑是應(yīng)用范圍最廣泛的兩類車銑加工方法，它們分別有各自的特點及局限性。軸向車銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，因 此它不但可以加工外圓表面，也可加工內(nèi)孔表面。但由于它們的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，如銑刀直徑小于其主軸箱體徑向尺寸時，就限制了銑刀的縱向行程，這種情況下不適宜用軸向車銑加工軸向行程較長的外圓表面或較深的內(nèi)孔表面。與此相反，如銑刀直徑大于其主軸箱體徑向尺寸，軸向車銑也可進(jìn)行長軸外圓和深孔內(nèi)表面的車銑加工。正交車銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它不能對內(nèi)孔進(jìn)行加工，但在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進(jìn)給，因此在加工外圓表面時效率較高。 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 10 車銑技術(shù)的發(fā)展歷史 與其它科學(xué)技術(shù) 一樣，車銑技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展與生產(chǎn)實踐是分不開的。1955 年德國的 總結(jié)了大量的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在《生產(chǎn)技術(shù)》上發(fā)表了《用硬質(zhì)合金刀具銑削圓柱表面》一文 [1]，詳細(xì)介紹了銑削圓柱表面時進(jìn)給量、切削速度等主要參數(shù)的選用，并對已加工件的表面精度進(jìn)行了詳細(xì)研究。該文獻(xiàn)對后來車銑技術(shù)的研究產(chǎn)生了重要的影響，它介紹的用銑刀加工圓柱表面的方法，就是車銑技術(shù)的一種基本加工方法軸向車銑的早期萌芽。 1983 年德國的 在他的博士論文《車銑技術(shù)》 [2]中系統(tǒng)地研究了車銑技術(shù)的另一種基本加工方法 — 正交車銑， 對正交車銑的運動原理、已加工件的表面精度、切削力、切削速度等進(jìn)行了開拓性的研究工作。目前，德國的 Aachen工業(yè)大學(xué)和 Darmstadt工業(yè)大學(xué)都設(shè)有專門從事車銑技術(shù)研究的研究中心。這兩個研究中心是德國 11個重要的機械研究中心中主要的兩個，各類實驗用的機床、測試儀器及科研設(shè)備非常齊全，科研水平處于世界前列。在這兩個研究中心里，眾多的科研人員在車銑原理、車銑運動學(xué)及動力學(xué)、已加工件表面質(zhì)量、不同材料的車銑工藝性、車銑加工中心的設(shè)計與測試以及 CAD/CAM 等多個領(lǐng)域內(nèi)從事研究工作。尤其值得關(guān)注的是 Darmstadt 工業(yè)大學(xué)機床及生產(chǎn)工程研究所的 教授將長期從事高速銑削技術(shù)的研究成果成功地與車銑技術(shù)相結(jié)合，開創(chuàng)了高速、超高速車銑新領(lǐng)域。這些研究成果支持德國機床工業(yè)制造出了商品化的 CNC 車銑中心。 車銑基礎(chǔ)理論是對車銑技術(shù)進(jìn)行全面研究的基礎(chǔ)，由于可以理解的原因，國外有關(guān)車銑基礎(chǔ)理論研究的文獻(xiàn)很少見到，特別是用數(shù)學(xué)方法對車銑運動和工件的表面特征進(jìn)行分析的文獻(xiàn)更難得到。從掌握的資料來看，目前人們對車銑技術(shù)的研究主要集中在車銑切削過程及車銑工藝和設(shè)備兩個方面 [1~26]。 國內(nèi)對車銑技術(shù)還沒有進(jìn)行過系統(tǒng) 的研究， 20 世紀(jì)六七十代在一些工廠的生產(chǎn)革新中出現(xiàn)過旋風(fēng)銑削，這是車銑的一種基本形式 —— 軸向車銑的實際應(yīng)用。近年來，有些科研人員對旋風(fēng)銑削又進(jìn)行了一些深入的研究，但這些研究工作主要集中于旋風(fēng)銑削在螺紋加工中的實際應(yīng)用 [27~51]。這些文獻(xiàn)所報導(dǎo)的研究成果對軸向車銑螺紋研究有著重要的參考價值，但對于車銑技術(shù)的全面研究還有很大的局限性。 目前，對于車銑技術(shù)的研究，遼寧省高速切削工程技術(shù)中心處于國內(nèi)領(lǐng)先沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 11 水平。該中心在國家科學(xué)技術(shù)部“九五”重大攻關(guān)課題的資助下，在車銑技術(shù)的基礎(chǔ)理論、車銑工藝、 CNC 車銑加工中 心的設(shè)計和制造等方向進(jìn)行著研究。我國對車銑技術(shù)的研究已涉足各個方面，但總體上處于起步階段。近期應(yīng)重視以下研究方向。 （ 1） 車銑技術(shù)應(yīng)用前景的研究。 （ 2） 特種工件車銑工藝的研究。 （ 3） 新材料車銑加工性的研究。 （ 4） 車銑用銑刀的研究。 （ 5） 高速、超高速車銑及其相關(guān)技術(shù)的研究。 目前，車銑技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，使用車銑工藝將會對金屬切削技術(shù)，乃至零件的設(shè)計理念產(chǎn)生極大的推動作用，使對零件的設(shè)計、加工由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向先進(jìn)制造領(lǐng)域。 車銑技術(shù)的主要特點 車銑加工與其它傳統(tǒng)切削方法一樣，并不是所有零件的切削加工都適用于車銑技 術(shù)，它只是在一些特定條件下能夠充分發(fā)揮它的加工特點。作為一種先進(jìn)的金屬切削方法，其主要優(yōu)點為： (1)車銑是間斷切削，因此無論加工何種材料的工件都能得到較短的切屑，易于自動除屑。 (2)間斷切削使刀具有充足的冷卻時間，刀具切削溫度相對較低。 (3)與傳統(tǒng)車削相比，車銑極易實現(xiàn)高速切削，而高速切削的一切優(yōu)點可在車銑中得以體現(xiàn)。如切削力比傳統(tǒng)切削可下降 30%，切削力的下降就意味著引起工件變形的徑向力有明顯下降，這有利于提高薄壁件和細(xì)長件加工的形狀精度，由于切削力小，機床和刀具承受的負(fù)荷小，也有 利于機床精度的保持。 (4)由于切削速度是由工件和刀具的回轉(zhuǎn)速度共同合成，因此不需使工件高速旋轉(zhuǎn)也能實現(xiàn)高速切削，有利于對大型工件進(jìn)行高速切削。尤其重要的是對于大型鍛件毛坯，工件的超低轉(zhuǎn)速將消除因工件偏心而引起的振動或徑向切削力的高頻周期變化，這些特點使得此類工件的切削過程十分平穩(wěn)，有利于減少被加工件的形狀誤差。 (5)工件轉(zhuǎn)速相對較低，加工薄壁件時幾乎沒有由于離心力產(chǎn)生的變形。 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 12 (6)當(dāng)采用高速車銑時，切削變形過程主要是絕熱剪切，故切屑和刀具帶走熱量較多，因此工件溫度相對較低，熱變形小。 (7)使用較大的縱向進(jìn)給也能得到較小的表面粗糙度。 (8)如采用 CNC 車銑中心，需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件能在一次裝夾中完成，不需更換機床，大大縮短了生產(chǎn)周期，防止了重復(fù)裝夾誤差。 (9)車銑是多刃切削，結(jié)合高速切削可較大地提高生產(chǎn)效率。 (10)多刃切削切削過程平穩(wěn)，刀具磨損小，這對新型難加工材料和大型回轉(zhuǎn)體毛坯的加工十分有益。 由此可知，車銑技術(shù)特別適用于以下各類零件的切削加工。 (1)重型或難加工材料回轉(zhuǎn)體毛坯的粗加工，如大型軋輥、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、大型鑄管模、大型船舶用曲 軸以及火炮身管等等。 (2)大型薄壁件回轉(zhuǎn)體的精加工。 (3)大型回轉(zhuǎn)體工件的高速、超高速切削。 (4)需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件。 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容包括車銑的基礎(chǔ)理論研究、車銑刀具的研究、被加工件的研究、加工過程的研究以及車銑加工中心的研制五個領(lǐng)域。車銑基礎(chǔ)理論研究包括車銑運動學(xué)、車銑動力學(xué)、已加工件的理論表面粗糙度以及車銑加工的切削過程等主要內(nèi)容，這些內(nèi)容是 CNC 車銑中心研制、車銑刀具選擇與設(shè)計以及車銑加工工藝制定的技術(shù)基礎(chǔ)，是車銑技術(shù)研究的難點之一。 車銑用銑刀與普通銑刀不同，由于車銑加工主要是用銑削方法加工回轉(zhuǎn)體，因此切削刃的前角、后角、刃傾角、主切削刃、副切削刃等主要幾何參數(shù)都不同于普通銑削。對于車銑用銑刀（特別是高效大進(jìn)給車銑粗加工用銑刀和高速高精度車銑精加工用銑刀）的研究，目前在世界范圍內(nèi)仍是車銑技術(shù)研究的前沿課題。 一臺標(biāo)準(zhǔn)的 CNC 車銑加工中心，至少應(yīng)包括 X、 Y、 Z、 B和 C 五個軸，其中三至五軸可聯(lián)動。在這樣一臺車銑中心上可實現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多個工序的一次裝夾完全加工，從而大大降低了重復(fù)裝夾誤差。 車銑加工的編程是車銑技術(shù)的又一難點。由于目 前的控制系統(tǒng)主要針對車、沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 13 銑、鉆等傳統(tǒng)工藝而開發(fā)，如應(yīng)用到 CNC 車銑中心上一般需要二次開發(fā)，且車銑運動是復(fù)合運動，因此如不很好地掌握車銑基礎(chǔ)理論，很難編制出好的車銑加工程序。 正交車銑運動學(xué) 與軸向車銑不同，正交車銑銑刀的回轉(zhuǎn)軸線與工件的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它是加工大型回轉(zhuǎn)體和長軸類零件的一種高效方法。 如圖 所示，一個典型的正交車銑加工過程包括工件的旋轉(zhuǎn)運動、銑刀的旋轉(zhuǎn)運動和銑刀的直線進(jìn)給運動。由于正交車銑的加工對象主要為大型回轉(zhuǎn)體和長軸類 零件，所以銑刀的直線進(jìn)給運動一般為軸向進(jìn)給運動，而很少采用徑向進(jìn)給運動 [7,8]。 （ 1）通過對正交車銑運動過程的分析，得到了進(jìn)給速度的矢量表達(dá)式，并由正交車銑運動的矢量模型，建立了描述銑刀相對工件運動的矢量表達(dá)式。 （ 2）由進(jìn)給速度的矢量表達(dá)式可知，加工中的軸向進(jìn)給速度由銑刀軸向運動速度決定，切向進(jìn)給速度由工件旋轉(zhuǎn)線速度決定。 （ 3）從銑削動力裝置與被加工件相對位置可斷定，正交車銑更適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體的加工和長軸類工件的加工。 （ 4）正交車銑理論運動方程的建立為車銑機床和 CNC 車銑中心的設(shè)計提供了 理論依據(jù)，是車銑工藝必不可少的理論指導(dǎo)。 圓周刃、端面刃切削力 由切削力經(jīng)驗公式得圓周刃的瞬 時切削力為： ? ? ? ? ? ? FcUSUSp,FcUSc, yhaCF ??? ??? 如圖 給出了刀齒一次切削內(nèi)圓周刃的切削力。 圖 正交車銑的主要運動 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 14 在銑刀切削的任一時刻，銑刀轉(zhuǎn)角可以被看作常數(shù)，則在銑刀半徑方向一小塊面積上的端面刃切削力為： ? ? ? ? ????? d,d FcSSFcSSc, yhCF ?? 由此得端面刃的瞬時切削力為： ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ??? ??? ???????????? aiFc d,d SSFcSSc,SSc, yhCFF 可以看出端面刃的瞬時切削力為端面刃的單位切削力 FcC 與切削厚度? ?Fc,SS yh ?? 的乘積在端面刃上一點到銑刀旋轉(zhuǎn)中心距離 ? 上的積分，其積分的上下限均為銑刀轉(zhuǎn)角 ? 的函數(shù)。 由此可知圓周刃的瞬時切削力僅為銑刀轉(zhuǎn)角 ? 的函數(shù)，而端面刃的瞬時切削力不但是銑刀轉(zhuǎn)角 ? 的函數(shù)還是銑刀端面刃上一點到銑刀旋轉(zhuǎn)中心距離 ? 的函數(shù)。 如圖 給出了刀齒一次切削內(nèi)端面刃的切削力。 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =2mm。 af =5mm。 e =0mm。 圖 刀齒一次切削內(nèi)圓周刃切削力的變化 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 15 如圖 給出了刀齒一 次切削內(nèi)的切削力。通過圖 、圖 和圖 不難得到，圓周刃和端面刃切削幾乎同時開始，同時結(jié)束。圓周刃切削力對整個刀齒切削力的大小起主導(dǎo)作用，并且圓周刃在切削后半程切削力迅速降低。 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =2mm。 af =5mm。 e =0mm。 圖 刀齒一次切削內(nèi)端面刃切削力的變化 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =3mm。 af =5mm。 e =0mm。 圖 刀齒一次切削內(nèi)切削力的變化 沈陽理工大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 16 主要切削參數(shù)對圓周刃、端面刃切削力的影響 圖 、圖 給出切削深度、軸向進(jìn)給量對圓周刃、端面刃 切削力最大值的影響。切削深度的增大對端面刃切削力基本沒有影響，但圓周刃切削力卻成正比增大，而軸向進(jìn)給量的增大對圓周刃切削力基本沒有影響，但端面刃切削力卻成正比增大。因此在對徑向剛度較弱的零件進(jìn)行正交車銑精加工時，采用大切深小進(jìn)給更有利于提高零件的加工精度。反之，對軸向剛度較弱的零件進(jìn)行正交車 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =1~2mm。 af =5mm。 圖 切削深度對圓周刃、端面刃切削力的影響 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =2mm。 af =5~10mm。