铣削加工对表面粗糙度的影响研究

铣削加工对表面粗糙度的影响研究
刘军库; 刘璨; 燕波; 陈思宇
【期刊名称】《《机电工程技术》》
【年(卷),期】2019(048)010
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】铣削参数; 铣削深度; 表面粗糙度; 交互作用
【作者】刘军库; 刘璨; 燕波; 陈思宇
【作者单位】广东海洋大学机械与动力工程学院广东湛江 524088
【正文语种】中文
【中图分类】TH161+.1
0 引言
随着机械加工技术的不断发展，铣削加工作为精加工工序已在机械制造行业中得到广泛应用，已成为现代数控加工技术的重要发展方向。

铣削技术所追求的主要目标是在提高效率的同时，让被加工工件获得更高的已加工表面质量。

工件的表面加工质量不仅指加工精度，还包括加工表面完整性。

而表面粗糙度是衡量表面质量的重要评价指标之一。

影响表面粗糙度的因素非常多，表面粗糙度的大小是许多因素共同作用的综合反应表现，包括几何变量（刀具变量、工件变量、切削参数变量）和非几何变量（切削过程变量）。

而这些因素是相互作用的，对表面粗糙度的影响，在理论上研究和实际加工存在一定误差。

孔金星等[1]的单因素实验表明，提高切削速度使表面粗糙度值降低，增加每齿进给量会使表面粗糙度升高，而径向切深对表面粗糙度影响较小。

杨振朝等[2]的不同铣削速度下TC4表面形貌照片表明，提高铣削速度，试件表面形貌有所提高，表面粗糙度有所降低。

庞俊忠、程秀梅[3]使用TiAlN涂层的整体立铣刀，对淬硬钢进行了高速铣削试验，研究结果表明：切削速度是造成粗糙度变化的主要原因。

郝清龙、孔维森、侯和龙[4]通过对45号钢高速铣削试验，研究了工件材料硬度对切削力以及表面粗糙度的影响趋势。

结果表明，当工件硬度低于HRC50时，随工件硬度的增大，表面粗糙度增大；而工件硬度高于HRC50时，随着工件硬度的增加，表面粗糙度值减小。

大连理工大学的段春争、郝清龙[5]建立了一种基于粒子群最小二乘支持向量机（PSO-LSSVM）算法，对表面粗粗糙度的预测模型，得到了较高的精确性且具有一定的通用性。

湖南科技大学的康小健[6]通过单因素试验和多因素试验对45号钢进行了铣削参数对表面粗糙度研究。

试验结果表明：高速铣削时，铣削深度较小对表面粗糙度具有重要影响。

表面粗糙度随着铣削速度的增大而降低。

刘维伟、李锋等[7]通过对GH4169高速铣削，主轴转速是主要影响因素，但表面粗糙度随着铣削深度的增加成线性比例增加。

综上所述，大部分对表面粗糙度的研究局限在高速铣削的情况下对表面粗糙度的研究。

而对主轴转速较低且铣削深度较小的情况下对表面粗糙度的影响研究较少，由于误差的影响或者其他因素的影响，较小的铣削深度和大的铣削深度对表面粗糙度的影响规律可能不同，较小的铣削深度对表面粗糙度的影响反而更大，因此，本文采用单因素试验与正交试验，研究铣削参数及其参数之间的交互作用对已加工表面粗糙度的影响规律，并重点分析研究了铣削深度对表面粗糙度的影响，为低速铣削加工，提高表面粗糙度等级提供依据。

1 铣削加工单因素试验和正交试验
1.1 试验条件
本文试验由沈阳机床厂生产的VMC1000P三坐标立式数控铣床，最大转速15 000 r/min，；试验材料为45号钢，试件为长方体，几何尺寸为200 mm×65 mm×40 mm；刀具材料选用螺旋硬质合金刀具，刀具直径D=10 mm，Z=4，立式加工中心及刀具如图1所示。

图1 刀具及立式加工中心
表面粗糙度的测量采用MarSurf PS1德国马尔便携式粗糙度测量仪。

测量方法：在已加工面上共测量4个点，然后求平均值。

取样长度为5.6 mm，评定长度为50 mm。

1.2 试验方案及结果
采用单因素试验和四因素三水平正交试验的方法进行低速铣削试验。

所有试验均采用逆铣，干式铣削的方式，实验方案及表面粗糙度测试结果如表1、表2所示。

表1 单因素试验方案及结果试验号铣削宽度a e/mm Ra/μm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12主轴转速n/(r·min-1)1 000 1 400 1 800 1 800 1 800 1 800 1 400 1 800 1 800 1 800 1 800 1 800每齿进给量f/(mm·z-1)0.05 0.05 0.05 0.05 0.1 0.15 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05铣削深度a p/mm 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
0.1 0.15 0.2 0.2 0.2 0.2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 4 1.641 1.305 1.092 1.018 1.240
1.11 1.379 1.049 0.804 0.748 0.845 0.746
表2 正交试验方案和结果试验号铣削宽度a e/mm Ra/μm 1 2 3 4 5 6 7 8 9主轴转速n/(r·min-1)1 000 1 000 1 000 1 400 1 400 1 400 1 800 1 800 1 800每齿进给量f/(mm·z-1)0.1 0.05 0.15 0.05 0.15 0.1 0.1 0.15 0.05铣削深度a
p/mm 0.15 0.1 0.2 0.2 0.15 0.1 0.2 0.1 0.15 3 2 4 3 2 4 2 3 4 0.667 1.615
1.399 1.093 1.167 1.632 0.644 1.406 0.733
2 单因素铣削参数对表面粗糙度的影响
从试验结果直观图2可知，随着主轴转速n从1 000 mm/min增大到1 800
m/min时，粗糙度值下降。

这是因为增大主轴转速，金属切削效率提高；同时切
削区温度会变得很高，使得表面金属层软化效应加剧，积屑瘤减少，摩擦因数减小，铣削过程比较稳定，使得表面粗糙度下降。

所以低速铣削范围内，选择较大的主轴转速可以获得较低的表面粗糙度值。

图3 每齿进给量对粗糙度的影响
图2 主轴转速对表面粗糙度的影响
如图3所示，从试验结果直观可知，随着每齿进给量f从0.05 mm/r增加到0.1 mm/r，表面粗糙度从0.1 mm/r增加到0.15 mm/r，表面粗糙度反而有所减小，这是因为随着每次进给量的增加，铣削厚度增加，铣削体积增大，大量的切屑从刀刃处排出，从而使表面粗糙度增加，当每齿进给量进一步增加时，铣削力进一步增加，温度大幅度升高，造成摩擦系数反而减小，所以表面粗糙度又减小。

总而言之每齿进给量增加，表面粗糙度有增大趋势。

如图4所示，试验结果直观可知，随着铣削深度的增大，表面粗糙度值近似成线
性比例下降。

铣削深度从0.1 mm增加至0.2 mm时，表面粗糙度值从1.379
mm下降至0.804 mm，下降了41.7%，且下降幅度较大。

这可能是安装误差、
刀具刃口半径和铣削深度在同一个数量级上等诸多影响因素共同引起的。

由于铣削深度较小时，在铣削过程中并不产生切削，刀具底刃在已加工表面上产生挤压和打滑现象，形成塑性变形。

再就是刀具底刃对已加工表面有刮擦现象，对表面粗糙度的影响起主要作用，而使表面粗糙度增大，随着铣削深度的增加，刀口半径和铣削深度相差较大，且刀具底刃对表面的刮擦作用的影响明显下降，而金属热软化作用加剧，从而使表面粗糙度下降。

所以在低速铣削参数范围内，铣削深度尽可能的大，以减小诸多因素的共同作用对表面粗糙度产生重要影响。

图4 轴向切深a p对表面粗糙度的影响
图5 径向切宽对粗糙度的影响
如图5所示，从试验结果直观可知，随着铣削宽度a e从2 mm增加到3 mm时，粗糙度值Ra从0.748 mm增加到0.845 mm；铣削宽度a e从3 mm增加到4 mm时，粗糙度值Ra从0.845 mm降低到0.746 mm。

表面粗糙度变化幅度在
较小范围内上下波动，变化较小，说明径向切深a e对表面粗糙度的作用影响较小，这与正交实验的极差分析得到显著性结论相吻合，出现小范围的波动，主要是由于切削系统机床的震动引起的，机床的震动是加工过程中不可避免的影响因素。

3 正交试验的极差分析
L9（33）正交试验表进行了三因素三水平正交试验，如表2所示。

对正交实验表
进行极值分析、影响程度分析，得到最优参数组合，如表3所示。

由极值分析表
可知，对表面粗糙度的影响程度大小依次为轴向铣削深度、主轴转速、每齿进给量、径向切宽。

极值分析的结果与单因素试验分析基本一致，轴向切深较小，而表面粗糙度值较大，这主要是刀具刃口半径和铣削深度在同一个数量级上共同引起的，所以对表面粗糙度的影响较大。

主轴转速越高，切削力越小，表面粗糙度随之较低，所以主轴转速次之，每齿进给量增加，表面粗糙度有增加趋势，而径向切深增加，表面粗糙度涨幅不够明显，出现不稳定波动，又由于是低速铣削，这些因素的共同作用，对表面粗糙度的影响最弱。

所以，在允许的低速铣削参数范围内，为了降低表面粗糙度，应该选择较小的每齿进给量，较大的主轴转速和铣削深度，适中的径向切宽。

表3 正交试验极值分析表试验号铣削宽度a e/mm Ra/μm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1
K2 K3 3 2 4 3 2 4 2 3 4 0.667 1.615 1.399 1.093 1.167 1.632 0.644 1.406
0.733极差R影响主次主轴转速n/(r·min-1)1 000 1 000 1 000 1 400 1 400 1 400 1800 1 800 1 800 1.227 1.297 0.928 0.369每齿进给量f/(mm·z-1)0.1
0.05 0.15 0.05 0.15 0.1 0.1 0.15 0.05 1.147 0.981 1.324 0.343铣削深度a
p/mm 0.15 0.1 0.2 0.2 0.15 0.1 0.2 0.1 0.15 1.551 0.856 1.045 0.695 1.142
1.055 1.255 0.2————————a p＞n＞f＞a e
4 铣削参数交互作用的分析
由正交试验表，通过统计学软件Minitab分析得到参数两两之间的匹配关系对表面粗糙度的影响图，如图6～11所示。

由分析可知，主轴转速与铣削深度的交互作用对表面粗糙度的影响最大。

采用较高的主轴转速、较小的每齿进给量、较大的轴向切深、适中的径向切宽，能得到较小的表面粗糙度。

图6 铣削深度a p与铣削宽度a e的交互作用
图7 每齿进给量f与主轴转速n的交互作用
图8 铣削深度a p与每齿进给量的交互作用
图9 铣削宽度a e与每齿进给量f的交互作用
图10 铣削深度a p与主轴转速n的交互作用
图11 铣削宽度a e与主轴转速转速n的交互作用
5 结论
通过对45号钢的铣削加工平面进行表面粗糙度试验研究，得出以下结论：（1）提高主轴转速能降低工件表面粗糙度。

主轴转速增大，粗糙度值减小；增加轴向切深，粗糙度值减小，在铣削深度为0.1～0.2 mm之间，最小粗糙度值为0.804 mm，增加每齿进给量和径向切宽，表面粗糙度增加不明显，表明各因素参数对表面粗糙度主要影响程度不同。

（2）通过对正交试验的极差分析，对于低速铣削加工来说，由于铣削深度设置较小，刀具半径的影响作用较为明显，所以轴向切深影响非常显著、主轴转速次之、每齿进给量影响较小，而径向切宽影响最弱。

（3）通过两两铣削参数之间的交互作用曲面图，对表面粗糙度的影响分析可知，高转速、大切深和小的每齿进给量和适中的铣削宽度，对提高表面粗糙非常有利。

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