小直徑銑刀銑削淬硬鋼深窄型腔的實驗研究

張忠南，陳遠玲，胡映寧，鄧敏和

（廣西大學機械工程學院,廣西南寧530004）

近十幾年來，采用高轉速、小切深、快進給方式高速銑削硬材質零件的技術，日益受到重視，成為硬材質工件高效加工的又一新生技術。淬硬鋼是模具常用的材料，其延伸率小，塑性低，易于形成光潔的表面，但硬度高，切削性能差，特別是在加工具有深腔或窄槽的模具時，采用小直徑銑刀進行高速銑削，刀具非正常破損問題尤為嚴重。消除刀具的非正常破損，是生產中亟待解決的問題。

國外一些學者，對淬硬鋼高速切削過程中的切削力特征、刀具材料、切屑形成機理、刀具磨損、破損機理、加工表面品質、刀具壽命等進行了研究，但所得結論大多限于直線切削的實驗，且刀具直徑多在Ф 8 mm 以上[1~3]。

在國內，潘建新、馬曉云等學者，對淬硬鋼高速銑削進行了實驗研究，刀具直徑在Ф 6 mm以上[4~6]。

本課題組對用小直徑銑刀對淬硬鋼進行銑斜面、拐角的動力特性和表面品質等，進行了一系列實驗和仿真研究，獲得了一些優化的切削參數[7~10]。

本文主要研究在用不同的切削參數、走刀方式時，對淬硬鋼深窄型腔切削力和振動的影響規律，為優化小直徑銑刀銑削高硬材料模具深窄型腔的工藝參數提供依據。

1 實驗條件

實驗采用單因素法，研究小直徑銑刀加工S136模具鋼型腔時，切削深度（Ad）、切削速度(Vc)、進給速度(fz)、螺旋下刀半徑(R)、螺旋角(α)、走刀方式等，對切削力的影響規律。

實驗條件如表1所示。實驗裝置如圖1。

表1 實驗條件表

圖1 實驗裝置

2 實驗參數及結果分析

2.1 切削速度對切削力和振動的影響

實驗采用的切削參數如表2所示。通過固定切削深度和進給速度，改變切削速度進行實驗。

表2 改變切削速度實驗參數表

圖2 切削速度和切削力的關系

由圖2可以看出，隨著切削速度的增加，徑向力Fx和Fy變化不大，而軸向力Fz隨切削速度的增大而減小。

圖3 切削速度與振動主峰值的關系

由圖3可以看出，在切削速度小于30 m/s時振動信號較弱，而當切削速度為40 m/s時振動明顯增大。

綜合考慮切削速度對切削力和振動的影響，選擇切削速度在30 m/s左右比較好。

2.2 切削深度對切削力和振動的影響

實驗采用的切削參數如表3所示。通過固定切削速度和進給速度，改變切削深度進行實驗。

表3 改變切削深度試驗參數表

圖4 軸向切深和切削力的關系

由圖4可以看出，隨著切削深度的增加，切削力變大。

圖5 切削深度與振動主峰值的關系

通過對圖5的分析可知，振動頻率主要分布在低頻（273 Hz）、中頻（1 728 Hz）附近，在切深Ad=0.10 mm時，振動功率很大，隨著切深的增加，振動功率變化不大。

2.3 每齒進給量對切削力和振動的影響

實驗采用的切削參數如表4所示。通過固定切削速度和切削深度，改變進給速度進行實驗。

表4 改變每齒進給量實驗參數表

圖6 每齒進給量和切削力的關系

圖7 每齒進給量與各振動主峰值的關系

由圖6、圖7可見，隨著每齒進給量的增加，各向切削力變大，且在fz=0.02 mm時，有較大的振動，在加工時應避開此范圍。

2.4 進刀螺旋角的對切削力和振動的影響

此組實驗采用的切削參數如表5所示。通過固定切削速度、進給速度、螺旋半徑、螺旋角，改變切削深度進行實驗。

表5 改變螺旋下刀角度試驗參數表

圖8 螺旋角和切削力的關系

圖9 下刀螺旋角與振動主峰值的關系

由圖8、圖9可見，隨著進刀螺旋角的增大，切削力有明顯增大的趨勢，而振動信號隨著螺旋角的增大而減小，綜合考慮，螺旋角α在30°～45°左右較合適。

2.5 進刀螺旋半徑對切削力和振動的影響

此組實驗采用的切削參數如表6所示。通過固定切削速度、進給速度、切削深度，改變螺旋半徑進行實驗。

表6 改變螺旋半徑試驗參數表

圖10 下刀螺旋半徑和切削力的關系

圖11 螺旋半徑與振動主峰值的關系

根據CAM軟件給出的取值范圍，刀具分別按表6給出的半徑螺旋切入工件，由圖10可見，隨著螺旋半徑的增大，切削力有減小的趨勢，但在實驗范圍內變化不明顯。由圖11可知，主峰頻率主要分布低頻（273 Hz）、中頻（1 728 Hz）附近，隨著螺旋半徑變大，振動有所增加。在實際的高速加工中，可選用較小的螺旋半徑，以提高切削效率。

2.6 走刀方式對刀具的沖擊振動影響

由圖12可見，切削過程中，刀具在螺旋下刀到完全切入工件材料的一瞬間，或環形走刀時，受力出現峰值，刀具受到非常明顯的沖擊力，且最大受力出現在軸向；故在實際的切削過程中，在切入工件的瞬間，都要做適當的減速處理或者對刀具軌跡進行優化處理。進刀后軸向所受的力Fz大大減小，徑向力波動較大，刀具受力不平穩。擺線式走刀與環形走刀相比，其切削力明顯要小，而且比較平穩。

圖12 切削力原始曲線

3 結束語

以擺線式走刀加工模具腔體時，切削力隨著軸向切削深度和每齒進給量的增大而增大，隨切削速度的增大而減小，因此可考慮通過增大切削速度來提高生產率。

刀具螺旋切入工件時，螺旋半徑對切削力影響很小，而切入時切削力峰值，隨著螺旋角的增大而增大，實驗試驗結果表明，螺旋角取30°～45°較合適。

不同的走刀方式，對切削力有較明顯的影響。擺線式走刀，是一種較優的高速銑削走刀方法。

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