微小精密零件加工表面質量影響淺析

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摘要:銑削加工是精密零件加工的重要手段之一，不同銑削加工方式對微小精密零件的表面質量有很大影響。本文通過研究銑刀單齒的運動軌跡模型，分別建立順銑和逆銑時的粗糙度計算模型，以某微小精密零件實際加工參數為例，對順逆銑的表面粗糙度進行對比分析;以AISI4340鋼為工件材料，對某微小精密零件的順逆銑進行仿真，研究兩種銑削方式的銑削力和表面殘余應力。

關鍵詞:順銑;逆銑;粗糙度建模;仿真分析;表面質量

1引言

銑削是加工具有復雜結構的微小精密零件的關鍵加工手段，圖1為銑削加工中逆銑和順銑的加工示意圖，兩種銑削方式對零件的加工表面質量和刀具的使用壽命有很大的影響。張偉等［1］對不銹鋼材料進行順逆銑切削試驗發現，順銑時銑刀偶爾會發生崩刃的情況，普通銑床在順銑時存在工作臺竄動、崩刃和打刀問題。TeChingHsiao等［2］通過建立了一維銑削系統的加工穩定性模型發現，順銑與逆銑相比，Y向順銑的加工穩定性更好，X向逆銑的加工穩定性更好。李玉煒等［3］對P20模具鋼進行順逆銑實驗發現，相同的切削參數條件下，逆銑的表面粗糙度值小于順銑。焦可如等［4］在SiCp/Al復合材料的順逆銑實驗中發現，采用順銑的已加工表面粗糙度值均小于逆銑加工，且順銑的已加工表面粗糙度值變化幅度小于逆銑加工。關于順銑和逆銑的優缺點還存在爭議，為此本文以微小復雜精密零件銑削加工為基礎，通過研究銑刀單齒的運動軌跡，建立粗糙度計算模型來比較順逆銑粗糙度的差異;建立銑削二維仿真模型，以AISI4340鋼為工件材料，仿真分析順銑和逆銑的銑削力變化情況及順逆銑加工的特點。

2順逆銑粗糙度分析

2.1建立順逆銑刀齒軌跡模型

針對順銑和逆銑兩種銑削方式建立數學模型，計算銑刀單齒在銑削時的運動軌跡。以張之敬等［5］的單齒運動幾何模型為基礎，即以立銑刀端面基本圓所表示的刀齒軌跡作為刀軌模型。如圖2所示，θ(θ=2πnt60)表示刀具在t時刻轉過的角度，A點為切削軌跡上某一點，B點為銑刀刀齒在A點時的銑刀圓心。分別建立銑刀的刀齒軌跡矢量模型OA=OC+CB+BA(1)式中，f為銑刀的進給速度(mm/min);n為銑刀的轉速(r/min);r為銑刀基本圓的半徑(mm)。以工件在銑刀上方為標準，計算順逆銑刀齒軌跡運動模型為式中，λ=1時，為順銑刀齒軌跡模型;λ=－1時，為逆銑刀齒軌跡模型。圖3為銑刀單齒運動的二維軌跡模型。

2.2粗糙度計算模型

建立如圖4所示的粗糙度計算模型，曲線1和曲線2分別代表銑刀相鄰兩刀齒切削軌跡，陰影部分為工件在銑削中未被切削部分。式(2)和式(4)為順銑時相鄰兩刀齒的運動軌跡模型，i為銑刀齒數。得到A、B點坐標通過式(5)和式(2)計算yC，得使用牛頓迭代法對該超越方程進行求解，迭代公式為陰影部分面積SShadow和順銑時的表面粗糙度Ra1為同樣可以得到逆銑時C'點的迭代公式為迭代求得α=θC'。逆銑時的表面粗糙度Ra2為取某微小復雜精密零件銑削加工中的實際加工參數(見表1)分別計算順逆銑的粗糙度理論值。計算得到θc=3．139713165536，Ra1=1．472×10－4;θc'=3．143463189106，Ra2=1．458×10－4。忽略材料變形等因素，僅考慮主軸轉速、進給量、銑刀刀刃半徑和銑刀齒數對加工表面粗糙度的影響時，在表1的銑削條件下，對比可知，順銑表面粗糙度比逆銑大1%，并且隨著主軸轉速增大和進給速度減小，順逆銑粗糙度的值越來越接近。

3微小精密零件順逆銑的仿真

分別建立順銑和逆銑的二維分析模型(見圖5)，劃分工件網格，設置單元類型為CPE4RT，設置刀具為剛體，僅考慮刀具的溫度傳導，忽略加工過程中溫度引起的化學變化。設置工件為各向同性，不考慮銑削過程中刀具和工件的振動。刀具材料選擇YG8硬質合金，工件材料選擇AISI4340鋼，材料模型采用Johnson-cook模型，其屈服應力由應變、應變率和溫度三部分組成，可表示為σ=［A+Bεn］［1+Clnε*］［1－T*m］式中，σ表示有效的應力;A，B，c和m為常數，通過實驗測得;ε表示有效塑性應變;n表示工作硬化指數;ε*表示歸一化的有效的塑性應變(一般為1.0s－1);T*=(T－298)/(Tm－298)，Tm表示材料的融化溫度。Johnson-cook損傷模型常用在金屬材料的動態分析中，失效模型采用Johnson-cook損傷模型，材料的失效取決于累積損傷參數D，當累積損傷參數D=1時發生失效，公式為D=∑Δεeqεf式中，Δεeq表示載荷增加時增長的有效塑性應變;εf為當前時間的有效斷裂應變，可表示為εf=［D1+D2expD3(σ)*］［1+D4lnε*eq］［1+D5T*］式中，σ*為應力三軸度;Di(i=1，…，5)為常數。仿真中所用到的參數見表2～表5。圖6和圖8是從切削表面均勻選取一定數量單元的應力變化曲線，計算各個節點切削力的最大值和方差，得到的結果如表6所示。圖7和圖9是仿真得到的順銑和逆銑兩種銑削方式銑削力的變化曲線。對比應力變化曲線，順銑選擇的參考單元中有90%的單元殘余應力在區間［0．1，0．5］中，逆銑選擇的參考單元中有83%的單元殘余應力在區間［0.3，0．7］中，表面殘余應力順銑小于逆銑。順銑時，Y方向上切削力剛開始急劇增大，之后逐漸減小到零。逆銑時，Y方向上切削力由零逐漸增大，最后快速到零。順銑和逆銑X方向切削力變換情況相比，順銑時X方向切削力變化更穩定。

4結語

本文研究了加工微小復雜精密零件時順逆銑對加工性能(包括表面粗糙度和切削力)的影響。(1)建立銑刀單齒運動軌跡模型，分別得到順銑和逆銑的軌跡

模型。結合相鄰兩齒的運動軌跡，分別建立順逆銑的粗糙度計算模型，該模型綜合考慮了主軸轉速、進給量、銑刀刀刃半徑和銑刀齒數對加工表面粗糙度的影響。根據給定的加工參數計算順逆銑粗糙度，可知順銑粗糙度比逆銑大，且兩者粗糙度的差值隨著主軸轉速增大和進給速度減小逐漸變小。因此在主軸轉速小且進給速度大的情況下，要想得到較小的表面粗糙度，應選擇逆銑。(2)使用ABAQUS軟件分別建立順逆銑銑削力的仿真模型，根據仿真得到的結果可知，逆銑時切削力在X方向的變化更平穩。順銑時在Y方向的變化更平穩，但順銑時Y方向切削力先由零急速增長到最大值，之后逐漸減小，對刀具沖擊較大，影響刀具使用壽命。順銑的加工表面殘余應力小于逆銑，逆銑的加工表面更容易發生變形。綜上所述，微小復雜精密零件加工中，如果零件表面質量有較高要求且刀具強度高和塑性好時，銑削方式應選擇順銑;如果是普通機床，機床主軸轉速較低且刀具耐磨性較好，被加工材料不易變形，銑削方式應選擇逆銑。實際加工過程是復雜的，本文建立的粗糙度計算模型只能用于計算理想情況下(即忽略材料變形)工件的粗糙度值，建立的仿真模型為二維模型，切削力仿真時忽略了刀具和工件的振動，考慮工件材料為各向同性，雖然上述措施簡化了運算，但與實際結果會有一些偏差。

作者:馬東明 黃曉華 翁亞華 王子昊 單位:南京理工大學