超精密车削切削力的试验研究

3航天支撑技术基金资助项目(项目编号:0223HIT 07)

黑龙江省自然科学基金资助项目(项目编号:E01220)收稿日期:2002年9月

超精密车削切削力的试验研究3

王洪祥1　孙　涛1　张龙江1　张　昊2

　1哈尔滨工业大学　2黑龙江省科技评估中心

摘　要:通过超精密车削试验,分析了微薄切削时进给量和背吃刀量对切削力的影响规律,指出吃刀抗力F t

的特殊变化将直接影响加工表面粗糙度,为保证超精密加工表面质量,应在合理范围内选取刀具进给量。

关键词:超精密车削,　切削力,　进给量,　背吃刀量

Experimental R esearch on Cutting Force in U ltra 2precise Turning

Wang H ongxiang Sun T ao Zhang Longjiang et al

Abstract :Based on the ultra 2precise turning experiments ,the in fluences of feeds and back cutting depth on the cutting force in micro 2thin cutting are analyzed.I t is pointed out that the machined sur face roughness will be affected by the special change of cutting resisting force Ft ,the feeds of cutter should be selected in a rational range to ensure the ultra 2precise sur face quality.

K eyw ords :ultra 2precise turning ,　cutting force ,　feed ,　back cutting depth

1　引言

经过近二十年的不断发展,超精密机床的加工

性能已达到相当高的水平。由于超精密切削加工选用的背吃刀量极小(几微米甚至小于1微米),因此切削力对加工精度的影响不容忽视。在超精密切削中,由于金刚石刀具的切削刃具有钝圆半径,因此前刀面被分为平面和圆柱面两部分(圆柱面部分均为负前角)。当选用不同的背吃刀量时,刀具前刀面的两个部分在切削过程中所起作用和所占比重也各不相同。以前刀面圆弧部分为主要工作部分时,其单位切削面积所受切削力比以平面部分为主要工作部分时大得多,切削层越薄,单位面积所受切削力越大。切削力对被加工工件的尺寸和形状精度、加工表面粗糙度、加工变质层和刀具耐用度等均具有直接或间接影响。在以往的研究中,对于切削用量、刀具几何参数、工件材质等因素对表面粗糙度的影响较为重视,而往往忽视了切削力对表面粗糙度的二次影响。因此,减小切削力对表面粗糙度的影响已成为超精密切削领域一个亟待解决的重要课题。本文通过超精密车削试验,研究了各切削参数对切削力的影响规律。

2　超精密车削试验条件

(1)超精密机床

切削试验所用机床为哈尔滨工业大学自行研制

的HC M 2Ⅰ型亚微米级超精密车床。机床工作台由直

流伺服电机驱动,进给分辨率0101μm ;采用空气静压主轴(回转精度±011μm );导轨部件采用可抗温度干

扰的花岗岩材料,空气导轨直线度误差0113μm/100mm ;采用空气弹簧作为减振、隔振系统;机床固有

频率:水平方向≤1112H z ,垂直方向≤2H z [1]。

(2)工件材料

切削试件材料为铝合金LY 12,其化学成分及物理性能指标分别见表1和表2[2]。

表1　LY12的化学组分(%)

组成元素

Cu Mn M g Al G B3190标准值

3180～41900130～01901120～1180

-测试值

415

0151

1142

-

表2　LY12的物理性能

弹性模量E (×103MPa )

7412切变模量G (×103MPa )2713剪切强度τ(MPa )252H BS 硬度(G Pa )1140强化系数n

0132

(3)金刚石刀具

天然单晶金刚石具有极高的硬度、耐磨性和弹性模量,制成的刀具工作寿命长,尺寸耐用度高,切削刃极为锋利,可实现超薄切削,切削刃形可复映在已加工表面上,加工出超光滑表面;金刚石刀具与工件材料间抗粘结性好、摩擦系数低、加工表面完整性好[3]。本切削试验所用刀具为英国C ontour Fine T ooling 公司生产的圆弧刃金刚石车刀,刀具前角γ0=0°,后角α0=7°

,刀尖圆弧半径r ε=115mm ,切削刃0

1工具技术

钝圆半径r n ≈190nm 。(4)切削力测量系统

为获得超光滑加工表面,除了采用超精密加工机床、金刚石刀具以及对加工环境进行严格控制外,还需利用测量仪器对加工过程进行实时监控、分析与优化。超精密车削选用的进给量和背吃刀量通常比普通车削小三个数量级,因此加工中产生的切削力也非常小(一般不超过1N ),为此,需要采用高精度、高灵敏度、高可靠性的切削力测量系统。本切削试验采用的切削力测量系统如图1所示。该测量系统由安装在机床刀架上的K istler 9256A1型高灵敏度压电式三向测力仪、5019B 型多通道电荷放大器、DynoWare System 数据采集系统软件、5261型A/D 转换卡、主机及显示系统等组成,附带的驱动软件可通过RS 2232C 接口对电荷放大器进行遥控,利用系统的多种图形显示功能可方便地对测量数据进行分析和研究

。

图1　切削力测量系统示意图

3　进给量对切削力的影响

进给量是影响切削力的重要因素之一。通过切削

试验,得到当背吃刀量a p =10μm 时进给量f 与主切削力F c 、吃刀抗力F t 的对应关系曲线如图2

所示。

图2　进给量f 与切削力F c 、F t 的对应关系曲线

由图可见,进给量f 对切削力的影响比较显著,

F c 和F t 随着进给量的增大而增大。当进给量f 大于一定值时,F c 和F t 的变化趋势与普通切削相同,即始终保持F c >F t ;当进给量f 小于一定值时,F c 和F t 则具有特殊变化规律,即出现F c >F t 的现象。

当背吃刀量a p =10μm ,进给量分别为f =5μm/r 、

f =12μm/r 时,测力仪实际测得的切削力曲线分别如图3a 、3b

所示。

(a )f =5μm/

r

(b )f =12μm/r

图3　切削力测量曲线

4　背吃刀量对切削力的影响

通过切削试验,得到当进给量f =10μm/r 时背吃刀量a p 与主切削力F c 、吃刀抗力F t 的对应关系曲线如图4所示

。

图4　背吃刀量a p 与切削力F c 、F t 的对应关系曲线

由图可见,当背吃刀量a p 小于一定值时,也会出现F t >F c 的现象;当背吃刀量a p 大于一定值时,

则始终保持F c >F t 。随着背吃刀量的增大,F c 、F t 值逐渐增大,且F c 的增幅大于F t 的增幅。 5　分析与讨论

在超精密微薄切削时,出现F t >F c 现象的主要原因分析如下:作用于前刀面上的切削力主要与进给量f 和背吃刀量a p 有关,而作用于切削刃刃口和后刀面上的切削力除与f 和a p 有关外,还与切削刃钝圆半径r n 有关[4,5]。当选用的进给量和背吃刀量与切削刃钝圆半径相比较大时,作用于切削刃刃

1

12003年第37卷№5