基于origin的正交车铣加工表面粗糙度的仿真研究

为了研究的方便,一般采用转速比 λ 进行表面粗糙 度的分析,即 λ 越大则 RZ 越小。 由于工件转速越大,正 交车铣的单位时间去除率越高,所以在设定合适工件转 速以保证加工效率的前提下,尽量提高铣刀转速。
:; -55 9:- 5
工件直径 Dw 越大,表面粗糙度值越小,即表面质 量越好,说明正交车铣更适合大尺寸回转零件的加工, 此时刀具直径增大,轴向进给量可以增加以提高加工 效率,虽然转速比下降,但由于工件直径增加,仍能保 持较好的表面粗糙度。 对于细长杆零件的加工,工件 直径较小,此时需采用较小直径的铣刀以减小切削力 和保证切削稳定性,同时提高铣刀转速,从而增大转速 比,以保证合适的表面粗糙度。
表面粗 糙 度 是 正 交 车 铣 研 究 的 重 要 内 容 之 一, Schulz 首次验证了正交车铣相对于车削具有更好的表 面粗糙度[1-2] 。 Ekinovic' 通过不同材料的正交车铣和传 统车削的实验对比,充分验证了在相同去除率的条件 下,正交车铣的加工表面粗糙度要好于传统车削[3] 。 Kopacˇ 、Pogacˇ nik 和 Choudhury 等人的研究结果表明:
基于 origin 的正交车铣加工表面粗糙度的仿真研究∗
秦录芳,孙 涛,郭华锋
( 徐州工程学院 机电工程学院,江苏 徐州 221008)
摘要:正交车铣是车铣复合加工技术最常用的一种加工方式。 通过建立正交车铣的粗糙度数学模型 和利用 origin 软件仿真,深入探讨了转速比、工件直径、铣刀齿数和每齿进给量等切削参数对已加工 表面粗糙度的影响规律。 研究表明:正交车铣适合不同直径回转类零件的加工,其表面粗糙度要优 于车削,转速比越高,齿数越多,表面粗糙度值越小;增加铣刀每齿进给量,表面粗糙度值愈大。 关键词:正交车铣;表面粗糙度;切削参数 中图分类号:TH161;TG506 文献标识码:A
(2)
式中:rt ———刀具半径,mm;
ls ———刀刃长度,mm;
famax———刀具最大轴向进给量,mm / r。
;:CBD
<?
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83
45 +>A
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1-2769 ;:CBD
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83
1.2769
图 2 偏心和无偏心条件下刀具轴向进给量的取值范围[11]
02
0.
/2
78- 5
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2
.

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.,4 98
-*5.,53-8+ .,1
.,0
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图 6 正交车铣中刀具每齿进给量和工件半径对表面 粗糙度的影响(Z = 5)
由图 4 ~ 图 6 可知,正交车铣的表面粗糙度主要
和工件直径 Dw、转速比 λ、铣刀齿数 Z 和铣刀每齿进 给量 fZ 四个参数有关。
RZ
≈
f2Z 8rw
(9) (10)
2 正交车铣表面粗糙度的仿真与分析
2. 1 各切削参数对表面粗糙度的影响
Origin 为 OriginLab 公司出品的较流行的专业函 数绘图软件,既可以满足一般用户的制图需要,也可以 满足高级用户数据分析、函数拟合的需要[12] 。
在取工件直径公式 Dw = 100mm 的情况下, 采用 origin 软件对公式 (6 ) 进行三维图像仿真, 如图 4 所 示,以分析正交车铣中转速比 λ 和铣刀齿数 Z 对表面 粗糙度的影响规律。
第 10 期 2015 年 10 月
组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
No. 10 Oct. 2015
文章编号:1001 - 2265(2015)10 - 0028 - 03 DOI:10. 13462 / j. cnki. mmtamt. 2015. 10. 008
0 引言
从德国学者 Schulz[1-2] 提出车铣复合加工技术后, 由于其相对于车削,可以减少切削力和切削温度,故在 高强度钢、镍基高温合金和钛合金等难加工材料以及 薄壁件、大型回转体零件和易变形工件的加工中得到 了广泛的应用。
车铣复合加工按铣刀与工件的相对位置常分为轴 向、正切和正交车铣这三类常用的车铣加工方法。 其 中正交车铣的应用最为广泛,它是加工大型回转体和 细长轴类零件的一种高效方法。
铣刀的切削速度如下:
vt = fa Znw
(7)
式中:fa———刀具轴向进给量,mm / r。
工件的线速度如下:
vw = πDw nw
(8)
在正交车铣中,切削过程是铣刀的切削速度和工
件速度的合成,则每齿进给量 fZ 为
fz =
v2t + v2w Znt
= nw
f2a Z2 + π2 D2w Znt
由于 f2a Z2 < < π2 Dw2 ,故
其中,正交车铣的表面粗糙度 RZ 与每齿进给量 fZ 和工件转速 nw 成正比,即在工件直径、铣刀齿数和铣 刀转速一定的情况下,fZ 和 nw 越大,则 RZ 越大。 表面 粗糙度与工件直径 Dw、铣刀转速 nt 和铣刀齿数 Z 成 反比,即在工件转速一定的情况下,Dw、nt 和 Z 越大, 则 RZ 越小。 反之亦然。
建立正交车铣表面粗糙度理论公式,首先要满足
以下前提:铣刀的底刃是直线;铣刀和工件的中心线相
互垂直。 同时,参照图 2,铣刀的轴向进给量还要满足
以下公式
无偏心时(e = 0),
famax = ls
(1)
有偏心时( e≠0) ,
famax = 2 r2t - ( rt - ls ) 2 = 2 2rt ls - l2s
正交车铣时,刀具轴向进给速度应低于最大轴向进给 量,随着铣刀转速的提高、工件转速的下降、切削深度 的减小,加工表面粗糙度越小[4-7] 。 金成哲等人分别通 过正交试验法的方差和回归分析,研究了正交车铣时 各因素对表面粗糙度的影响及主次顺序,部分验证了 以上学者关于加工参数和表面粗糙度之间关系的观 点[8-10] 。 上述研究主要是采用试验手段对正交车铣的 表面粗糙度进行了分析,并未充分解释切削参数和表 面粗糙度之间的量化关系,难以对正交车铣的加工提 供详细指导。
/+
+ /+ ,++ 3 ,/+
. 0
16 -++,+
图 4 正交车铣中转速比 λ 和铣刀齿数 Z 对表面 粗糙度的影响( Dw = 100mm)
/+
.+
67* 3
-+
,+
+ 0+ ,++ 4 ,0+
-++ ,1+ ,-+ 2+
/+
-++
89 *33
图 5 正交车铣中转速比 λ 和工件半径 rw 对表面 粗糙度的影响(Z = 5)
.*031+
.*2/1+
,-031+
图 1 正交车铣的运动方式
轴类零件的表面粗糙度主要包括轴向和周向两个
方向。 正交车铣中,当铣刀轴向进给量 fa 小于刀具最 大轴向进给量 famax 时,轴向的表面粗糙度值理论上接 近于零,而切削参数对周向表面粗糙度影响较大,所以
本文主要对正交车铣的周向表面粗糙度进行研究。
作者简介:秦录芳(1979—),女,河南新乡人,讲师,研究方向为高效精密加工,(E - mail)798033365@ qq. com。
2015 年 10 月
秦录芳,等:基于 origin 的正交车铣加工表面粗糙度的仿真研究
·29·
垂直,一个典型的正交车铣加工过程包括工件的旋转 运动、铣刀的旋转运动和铣刀的直线进给运动,如图 1 所示。
铣刀的每齿进给量 fZ 会影响刀具的磨损进度从 而造成刀具耐用度下降,同时 fZ 的增加也会增大表面 粗糙度。 铣刀齿数也是影响表面粗糙度的重要参数, 正交车铣中应该增大铣刀齿数以降低表面粗糙度同时 也能保证更好的切削稳定性。
2. 2 与车削表面粗糙度的对比分析
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3
5 6 1.-+0
4
9;
* 2.-+0
:; 8<
7
图 3 正交车铣时已加工工件的横截面
图 3 中,铣刀转过一齿,工件转过 φ 角
φ
=
2πnw nt Z
(3)
式中:nw———工件转速,r / min;
nt———铣刀转速,r / min;
Z———铣刀齿数。
图3 中
AD = rwtanφ
(4)
Simulation Research of Machined Surface Roughness for Orthogonal Turn-milling Based on Origin Software
QIN Lu-fang, SUN Tao, GUO Ha-feng ( School of Mechanical and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou Jiangsu 221008, China) Abstract: Orthogonal turn-milling is the most common method in turn-milling compound processing. In this paper, the mathematical models of orthogonal turn-milling are set up and simulated. And the influence rules of rotating speed ratio, workpiece diameter, milling cutter teeth number and feed per tooth on surface roughness are further analyzed. The studies show that orthogonal turn-milling is suitable for processing large sized rotating part and slender rod. Also, surface roughness of orthogonal turn-milling is superior to turning. In addition, the higher rotating speed ratio and more milling cutter teeth number cause the less roughness, and greater feed per tooth generates the bigger roughness. Key words: orthogonal turn-milling; surface roughness; cutting parameters