摘要：本文从表面粗糙度的定义分析入手，建立数学模型，得出机械加工过程中表面粗糙度的计算公式。利用该公式，计算出铣削步距和车削每转进给量，从而解决了机械加工过程中加工步距设定问题。通过加工仿真，验证参数设定的准确性，从而有效控制了零件加工表面质量。
关键词：机械加工；表面质量；切削参数
1 表面粗糙度及其影响因素
表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离很小，它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。
表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。在综合考虑被加工零件材料、刚性，振动、加工参数及积屑瘤等影响表面粗糙度等因素，加工步距是影响零件表面粗糙的最大的因素。
机械加工中应用最多的加工方法就是铣削和车削，加工过程中的加工步距直接影响了被加工表面粗糙度，事实上无论加工步距多小，在相邻的两刀路之间均会产生残留，这些残留便是影响加工表面质量的主要因素。为有效控制加工面的表面质量，需精确地设定加工步距。在使用CAM软件或在机床上直接编程时，根据被加工零件的表面粗糙度要求设定准确的加工步距是比较困难的。通常编程人员为保证零件表面粗糙度都是依据经验或者直接给出很小的加工步距，这样常常会使切削加工时间很长，造成极大的浪费。本文对加工步距对零件表面粗糙度影响进行分析，进而得出机械加工过程中加工步距确定方法，从而有效控制零件机械加工表面质量。
2 表面粗糙度成型分析及计算
铣削加工时涉及平面加工、斜面加工、平坦曲面加工、陡峭曲面加工；车削是涉及柱面加工、锥面加工、曲面加工。实质上平面是曲率为零曲面，是曲面的一种特殊情况。将车削面沿回转直线展开即为可转换为平面或曲面，其加工情况也就与铣削加工时相同，车刀也就可以被看成为直径很小的球头铣刀。下面就以球头铣刀铣削平面这一最特殊情况，建立数学模型，进而推算出影响表面粗糙度的计算公式。
2.1球头铣刀铣削平面
图1 球头刀铣平面示意图
上图所示为球头刀铣削平面示意图，图中b为加工步距，R为球头刀半径，DE为两相邻刀具路径残留高度h，从图中不难看出BE长度即为球头刀半径R。
根据上图所示几何关系不难得出残留高度计算公式：
h=R-BD=R*（1-cos（arcsin（））） 式1
可推导出步距计算公式：
b=2*BC=2R*sin（arcos（1-）） 式2
式中：R为球头刀半径；
b为加工步距。
图2 球头刀铣斜面示意图
相较球头刀铣削平面，用立铣刀或面铣刀铣削平面，就可以将立铣刀或面铣刀看成为R无穷大的球头刀。用立铣刀或面铣刀铣削平面时，只要加工步距小于刀具半径，两相邻刀具路径间残留高度就趋近于零。如果将车削圆柱面展开，我们就可以将车刀看做半径为车刀圆角半径的球头铣刀来计算车削加工表面粗糙度，车削时没转进给量也就相当于铣削加工步距。由于车刀圆角半径一般情况下都小于1mm，这也就是在车削加工时，要获得更好的粗糙度，每转进给量只有几微米的原因。
2.2球头铣刀铣削斜面
上图所示为球头刀铣削斜面示意图，图中α为斜面角度，c为加工步距，R为球头刀半径，DE为两相邻刀具路径残留高度h，BE长度等于球头刀半径R。
DE=R-BD=R*（1-cos（arcsin（））） 式3
可推导出步距计算公式：
c=2*BC=2R*sin（arcos（1-））*cos 式4
式中：R为球头刀半径；
α为斜面角度；
c为加工步距。铣削斜面时两相邻刀具路径间实际距离为
，在这里b设为实际步距，故可将加工残留高度h，加工步距b，计算公式统一为式1、式2形式，即：
h=R*（1-cos（arcsin（
））） 式5
b=2R*sin（arcos（1- 
）） 式6
式中：
h为残留高度；
b为实际步距；
R为刀具半径。
3 铣削实例分析
图3 铣削实例分析
如下图所示用R=5球头铣刀铣削一45°斜面，表面粗糙度Ra6.3，根据式6计算，步距为0.5018。
使用UG软件进行加工模拟仿真，直接将步距应用于部件上，最终加工结果如上图所示，加工面残余高度均＜0.0063，满足加工要求。
4 结论
本文通过分析，建立了球头铣刀加工表面粗糙度计算公式，可以根据图纸要求及加工刀具尺寸，准确的计算出编程时所需切削步距，并将计算方法推广至立铣刀、面铣刀铣削加工、车削加工步距计算，很好的机械加工表面质量控制问题。
论文作者:崔志国
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/8
标签：加工论文; 表面论文; 铣刀论文; 半径论文; 粗糙度论文; 斜面论文; 平面论文; 《基层建设》2019年第23期论文;