微細立銑削切削振動試驗研究*

馬利杰 王西彬 馮啟高 王文龍

(①河南科技學院，河南新鄉 453003;②北京理工大學，北京 100081)

當前，產品小型化已經成為一種全球化趨勢。微小型結構件是小型化產品的重要構成元件，微細切削是其主要加工工藝方法。微細立銑削是微細切削的重要組成部分，特別適合于加工微小型框架、溝槽、薄壁、腔體、柱體、陣列等，通過球頭立銑刀和多軸聯動，還可加工三維自由曲面，加工能力強，是目前最主要的微細切削工藝［1－3］。

自上世紀90年代以來，國內外不少學者開展微細立銑削的基本機理和應用基礎方面的深入研究。Weule［4］在超精密加工機床上對SAE1045鋼進行了不同溫度下微細銑削實驗，并對最小切削厚度進行了估算。德國卡爾斯魯厄大學Schmidt等人［5］進行了熱處理工具鋼(硬度為42～56 HRC)的微細銑削實驗，研究表明:直徑φ22 μm的微細立銑刀的切削總路程達到8 mm時，刀具即發生疲勞失效。美國佛羅里達國際大學 I.N.Tansel等人［6］研究了微細立銑削中微徑刀具的失效與切削力特征之間的對應關系。廣東工業大學王成勇等［7］研究了直徑φ2 mm的立銑刀高速銑削石墨電極時的磨損狀況，結果表明:微小銑刀的主要失效形態包括后刀面磨損、前刀面磨損、微碎裂和破損。北京理工大學劉志兵等［8］開展了微細立銑削工藝應用研究，并取得了較好的效果。

由于微細立銑削的切削區域小、刀具剛性差、載荷波動大、刀具變形嚴重等，與大直徑立銑刀銑削相比，其振動特性更復雜，對加工質量的影響也更突出。因此，本文主要圍繞微細立銑削的切削振動開展研究。

1 試驗條件

圖1為試驗裝置圖，在SYIL S7數控銑床上進行直槽銑削加工，通過DASP切削振動測試系統對切削振動信號進行采集分析。刀具為φ2 mm超微粒鎢鋼鍍膜兩刃平頭立銑刀，其中 WC、Co的含量分別為90%和10%，合金晶粒度0.6 μm，其結構參數為2 mm×6 mm×50 mm×4 mm(切削部直徑×切削部長度×總長×夾持部直徑)，螺旋角為35°;工件材料為45鋼;潤滑方式為干切削。

2 微細立銑削切削振動的基本特性

2.1 振動加速度的基本特征

圖2為微細立銑削的切削振動全程波形圖和頻譜圖，切削參數:主軸轉速n=9 000 r/min，進給量f=80 mm/min(即每齒進給量fz=4.44 μm/齒)，軸向切深H=0.6 mm，進行直槽銑削加工。圖2a表明了振動加速度隨著加工時間推移的瞬時變化波形，圖2b表示穩定切削階段不同頻率成分下的切削振動的幅值大小。通道［1］、［2］和［3］分別表示進刀方向X、槽寬方向Y(垂直于進刀方向)和銑刀軸向Z的波形和頻譜。

根據圖2a，立銑削的各方向的振動加速度都可以看成是由靜態分量和動態分量兩部分組成的瞬時波形，靜態分量是指切削振動中相對比較穩定的成分，其大小近似等于振動加速度的平均值;動態分量是由刀具的破損、工件材質不均勻以及切削面積瞬時變化等原因而造成的振動加速度的瞬時波動量。試驗結果表明:由于微徑立銑刀的直徑小、剛性差，即使在同樣的切削工況下，微細立銑削比大直徑立銑刀加工時具有更大的振動加速度，尤其是振動加速度的動態分量要大很多。因此，微細立銑削時，銑刀直徑越小，切削振動對刀具壽命和工件加工質量的影響也更顯著。

根據圖2b，各方向振動加速度的前兩階主頻完全相同，分別為270 Hz和1 340 Hz，其分別對應于銑削頻率及其5倍頻;由于結構和剛性不同，各方向的3～5階主振頻率稍有不同，但大都為切削頻率的倍頻。從而表明:銑削參數是振動加速度的主要影響因素。

2.2 振動位移量的基本特征

圖3是圖2對應的振動位移量，即圖2所表達的是振動加速度波形經過二次積分變換后所得到的位移波形，反映了立銑刀在三個方向上的瞬時偏移量大小，通道［1D］、［2D］和［3D］的振動位移量分別與銑刀在進刀方向(X方向)上的彎曲變形量、槽的擴張量和槽深變化量成正比。因此，可以利用振動位移量來評價立銑刀的彎曲變形和槽的尺寸精度(包括槽的寬度和深度尺寸)的大小。

根據圖2a和圖3a，振動位移量與振動加速度的變化規律并不相同。圖2a中三個方向上振動加速度由大到小依次為:Y方向＞X方向＞Z方向，而圖3a中除了X方向的局部振動位移量較大之外，其余時間三個方向的振動位移量大致相當，這說明:切削過程在進刀方向(X方向)不穩定，微徑銑刀產生了較大的彎曲擺動，當彎曲變形量超過一定限度，就能夠使刀具沿著進給方向出現彎曲折斷;而在Y方向和Z方向切削比較穩定。振動加速度和振動位移量之所以有不同的變化規律，可以從兩者的幅值譜中找到答案。根據圖3b:振動位移量的前4階主振頻率主要是一些低頻成分，這個頻段主要來自于與切削條件(尤其是切削阻尼)有關因素的影響;而銑削參數只是振動位移量的次要影響因素(對應于3b中270 Hz的波峰)。

3 銑削參數對振動加速度和位移量的影響

3.1 銑削參數選擇

銑削參數如表1所示，表中加下劃線的參數為固定參數。采用單因素試驗法，固定兩個切削參數不變，改變第三參數，觀察其對X、Y和Z方向振動加速度和振動位移量的影響規律。

表1 銑削參數表

3.2 試驗結果及分析

圖4～6分別為直槽微細立銑削時振動加速度和振動位移量隨銑削參數(軸向切深H、進給量f和主軸轉速n)的變化趨勢圖。從圖4～6中可以看出:

(1)無論銑削參數如何變化，振動加速度從大到小總是依次為Y方向＞X方向＞Z方向。從而表明:水平方向(X、Y方向)的振動加速度明顯大于銑刀軸線方向(Z方向)，且槽寬方向(Y方向)的振動加速度大于進刀方向(X方向)，這是由于微徑銑刀的徑向剛度遠小于軸向剛度，且立銑刀在槽寬方向承受的載荷比進刀方向承受的載荷穩定性差的緣故。

(2)振動加速度隨3個銑削參數增加都呈上升趨勢，但軸向切深H和主軸轉速n對振動加速度的影響比進給量f顯著;當軸向切深增加到一定值后，振動加速度基本保持不變;較低轉速切削時，主軸轉速對振動加速度的影響也比較小。

(3)隨著銑削參數的改變，振動位移量與振動加速度的變化趨勢并不相同，在試驗參數范圍內，X、Y、Z這3個方向上的振動位移量大致相當，在一定的范圍內，增大主軸轉速n能使振動位移量加大，增大軸向切深H能夠減小振動位移量的大小。因為對于特定工件的加工，軸向切深一般不易選擇，所以為了降低微徑銑刀發生彎曲折斷的概率和提高尺寸精度必須選擇合適的主軸轉速。

4 結語

(1)在相同的加工工況下，微細立銑削的切削振動遠大于大直徑銑刀銑削的情況，其對刀具壽命和加工質量的影響也更顯著。直槽立銑削時，由于3個方向上刀具剛度和切削負荷的差異，水平方向的振動加速度明顯大于銑刀軸線方向，且槽寬方向的振動加速度大于進刀方向。

(2)銑削參數是影響微細立銑削切削振動的主要因素，振動加速度隨3個銑削參數的增加都呈上升趨勢，但軸向切深H和轉速n對振動加速度的影響比進給量f更顯著。

(3)與振動加速度不同，銑削參數只是振動位移量的次要影響因素，其主要影響因素來自于切削條件(尤其是切削阻尼)方面的原因。直槽立銑削時，X、Y、Z這3個方向上的振動位移量大致相當，在一定的參數范圍內，減小主軸轉速n和增大軸向切深H能夠減小振動位移量的大小，從而能夠減少立銑刀發生彎曲折斷的概率和提高槽的尺寸精度。

［1］于同敏，宮德海.微型磨具制造技術研究與發展［J］.中國機械工程，2005，16(2):179 －183.

［2］Friedrich C，Coane P，Goettert J.Direct fabrication of deep x－ray lithography mashks by micromechanical milling［J］.Precision Engineering，1998(22):164 －173.

［3］Sawada K，Odaka S，Kawai T.Manufacture of diffraction grating on tiny parts by means of ultraprecision milling［J］.Microsystem Technologies，1999(5):157－160.

［4］Weule H，Huntrup V，Tritschle H.Micro－cutting of steel to meet new requirements in miniaturization［J］.Annals of the CIRP，2001(50):61－64.

［5］Schmidt J，Tritschler H.Micro cutting of steel［J］.Microsystem Technologies，2004(10):167－174.

［6］Tansel I N，Arkan T T，Bao W Y.Tool wear estimation in micro－machining［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture 2000，40:599 －620.

［7］Zhou L，Wang C Y，Qin Z，et al.Wear Characteristics of Micro－ end mill in high － speed milling of graphite electrode［J］.Key Engineering Materials，2004，259 －260:858 －863.

［8］劉志兵.微小型結構件的微細切削工藝基礎研究［D］.北京:北京理工大學，2006.7.