微小精密零件加工表面质量影响浅析

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摘要:铣削加工是精密零件加工的重要手段之一，不同铣削加工方式对微小精密零件的表面质量有很大影响。本文通过研究铣刀单齿的运动轨迹模型，分别建立顺铣和逆铣时的粗糙度计算模型，以某微小精密零件实际加工参数为例，对顺逆铣的表面粗糙度进行对比分析;以AISI4340钢为工件材料，对某微小精密零件的顺逆铣进行仿真，研究两种铣削方式的铣削力和表面残余应力。

关键词:顺铣;逆铣;粗糙度建模;仿真分析;表面质量

1引言

铣削是加工具有复杂结构的微小精密零件的关键加工手段，图1为铣削加工中逆铣和顺铣的加工示意图，两种铣削方式对零件的加工表面质量和刀具的使用寿命有很大的影响。张伟等［1］对不锈钢材料进行顺逆铣切削试验发现，顺铣时铣刀偶尔会发生崩刃的情况，普通铣床在顺铣时存在工作台窜动、崩刃和打刀问题。TeChingHsiao等［2］通过建立了一维铣削系统的加工稳定性模型发现，顺铣与逆铣相比，Y向顺铣的加工稳定性更好，X向逆铣的加工稳定性更好。李玉炜等［3］对P20模具钢进行顺逆铣实验发现，相同的切削参数条件下，逆铣的表面粗糙度值小于顺铣。焦可如等［4］在SiCp/Al复合材料的顺逆铣实验中发现，采用顺铣的已加工表面粗糙度值均小于逆铣加工，且顺铣的已加工表面粗糙度值变化幅度小于逆铣加工。关于顺铣和逆铣的优缺点还存在争议，为此本文以微小复杂精密零件铣削加工为基础，通过研究铣刀单齿的运动轨迹，建立粗糙度计算模型来比较顺逆铣粗糙度的差异;建立铣削二维仿真模型，以AISI4340钢为工件材料，仿真分析顺铣和逆铣的铣削力变化情况及顺逆铣加工的特点。

2顺逆铣粗糙度分析

2.1建立顺逆铣刀齿轨迹模型

针对顺铣和逆铣两种铣削方式建立数学模型，计算铣刀单齿在铣削时的运动轨迹。以张之敬等［5］的单齿运动几何模型为基础，即以立铣刀端面基本圆所表示的刀齿轨迹作为刀轨模型。如图2所示，θ(θ=2πnt60)表示刀具在t时刻转过的角度，A点为切削轨迹上某一点，B点为铣刀刀齿在A点时的铣刀圆心。分别建立铣刀的刀齿轨迹矢量模型OA=OC+CB+BA(1)式中，f为铣刀的进给速度(mm/min);n为铣刀的转速(r/min);r为铣刀基本圆的半径(mm)。以工件在铣刀上方为标准，计算顺逆铣刀齿轨迹运动模型为式中，λ=1时，为顺铣刀齿轨迹模型;λ=－1时，为逆铣刀齿轨迹模型。图3为铣刀单齿运动的二维轨迹模型。

2.2粗糙度计算模型

建立如图4所示的粗糙度计算模型，曲线1和曲线2分别代表铣刀相邻两刀齿切削轨迹，阴影部分为工件在铣削中未被切削部分。式(2)和式(4)为顺铣时相邻两刀齿的运动轨迹模型，i为铣刀齿数。得到A、B点坐标通过式(5)和式(2)计算yC，得使用牛顿迭代法对该超越方程进行求解，迭代公式为阴影部分面积SShadow和顺铣时的表面粗糙度Ra1为同样可以得到逆铣时C'点的迭代公式为迭代求得α=θC'。逆铣时的表面粗糙度Ra2为取某微小复杂精密零件铣削加工中的实际加工参数(见表1)分别计算顺逆铣的粗糙度理论值。计算得到θc=3．139713165536，Ra1=1．472×10－4;θc'=3．143463189106，Ra2=1．458×10－4。忽略材料变形等因素，仅考虑主轴转速、进给量、铣刀刀刃半径和铣刀齿数对加工表面粗糙度的影响时，在表1的铣削条件下，对比可知，顺铣表面粗糙度比逆铣大1%，并且随着主轴转速增大和进给速度减小，顺逆铣粗糙度的值越来越接近。

3微小精密零件顺逆铣的仿真

分别建立顺铣和逆铣的二维分析模型(见图5)，划分工件网格，设置单元类型为CPE4RT，设置刀具为刚体，仅考虑刀具的温度传导，忽略加工过程中温度引起的化学变化。设置工件为各向同性，不考虑铣削过程中刀具和工件的振动。刀具材料选择YG8硬质合金，工件材料选择AISI4340钢，材料模型采用Johnson-cook模型，其屈服应力由应变、应变率和温度三部分组成，可表示为σ=［A+Bεn］［1+Clnε*］［1－T*m］式中，σ表示有效的应力;A，B，c和m为常数，通过实验测得;ε表示有效塑性应变;n表示工作硬化指数;ε*表示归一化的有效的塑性应变(一般为1.0s－1);T*=(T－298)/(Tm－298)，Tm表示材料的融化温度。Johnson-cook损伤模型常用在金属材料的动态分析中，失效模型采用Johnson-cook损伤模型，材料的失效取决于累积损伤参数D，当累积损伤参数D=1时发生失效，公式为D=∑Δεeqεf式中，Δεeq表示载荷增加时增长的有效塑性应变;εf为当前时间的有效断裂应变，可表示为εf=［D1+D2expD3(σ)*］［1+D4lnε*eq］［1+D5T*］式中，σ*为应力三轴度;Di(i=1，…，5)为常数。仿真中所用到的参数见表2～表5。图6和图8是从切削表面均匀选取一定数量单元的应力变化曲线，计算各个节点切削力的最大值和方差，得到的结果如表6所示。图7和图9是仿真得到的顺铣和逆铣两种铣削方式铣削力的变化曲线。对比应力变化曲线，顺铣选择的参考单元中有90%的单元残余应力在区间［0．1，0．5］中，逆铣选择的参考单元中有83%的单元残余应力在区间［0.3，0．7］中，表面残余应力顺铣小于逆铣。顺铣时，Y方向上切削力刚开始急剧增大，之后逐渐减小到零。逆铣时，Y方向上切削力由零逐渐增大，最后快速到零。顺铣和逆铣X方向切削力变换情况相比，顺铣时X方向切削力变化更稳定。

4结语

本文研究了加工微小复杂精密零件时顺逆铣对加工性能(包括表面粗糙度和切削力)的影响。(1)建立铣刀单齿运动轨迹模型，分别得到顺铣和逆铣的轨迹

模型。结合相邻两齿的运动轨迹，分别建立顺逆铣的粗糙度计算模型，该模型综合考虑了主轴转速、进给量、铣刀刀刃半径和铣刀齿数对加工表面粗糙度的影响。根据给定的加工参数计算顺逆铣粗糙度，可知顺铣粗糙度比逆铣大，且两者粗糙度的差值随着主轴转速增大和进给速度减小逐渐变小。因此在主轴转速小且进给速度大的情况下，要想得到较小的表面粗糙度，应选择逆铣。(2)使用ABAQUS软件分别建立顺逆铣铣削力的仿真模型，根据仿真得到的结果可知，逆铣时切削力在X方向的变化更平稳。顺铣时在Y方向的变化更平稳，但顺铣时Y方向切削力先由零急速增长到最大值，之后逐渐减小，对刀具冲击较大，影响刀具使用寿命。顺铣的加工表面残余应力小于逆铣，逆铣的加工表面更容易发生变形。综上所述，微小复杂精密零件加工中，如果零件表面质量有较高要求且刀具强度高和塑性好时，铣削方式应选择顺铣;如果是普通机床，机床主轴转速较低且刀具耐磨性较好，被加工材料不易变形，铣削方式应选择逆铣。实际加工过程是复杂的，本文建立的粗糙度计算模型只能用于计算理想情况下(即忽略材料变形)工件的粗糙度值，建立的仿真模型为二维模型，切削力仿真时忽略了刀具和工件的振动，考虑工件材料为各向同性，虽然上述措施简化了运算，但与实际结果会有一些偏差。

作者:马东明 黄晓华 翁亚华 王子昊 单位:南京理工大学