小直徑銑刀圓弧進(jìn)刀方式銑削力的研究

張慶力,劉輝,史強(qiáng),侯賀啟

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100）

0 引 言

隨著高速加工技術(shù)在模具制造領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，小直徑銑刀成為了加工淬硬模具必不可少的刀具。工件硬度較大，切削加工性差，切入過程中受周期性沖擊力的作用，是導(dǎo)致刀具的崩刃、斷刀現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。為減小切入工件時(shí)刀具所受的沖擊力，圓弧進(jìn)刀、斜向進(jìn)刀、螺旋進(jìn)刀等方式以不同的方式緩沖切削力。胡英寧[1]以直接切入工件的方式，對(duì)刀具進(jìn)刀階段的碰撞力、接觸力以及加速度等進(jìn)行研究，解釋因素間內(nèi)在聯(lián)系，并依據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)切入條件進(jìn)行了優(yōu)化；葉友東[2]通過有限元法及試驗(yàn)，研究了封閉區(qū)域“步進(jìn)式垂直進(jìn)刀”、斜向進(jìn)刀、Z字形進(jìn)刀、螺旋切向進(jìn)刀過程中進(jìn)刀應(yīng)力及載荷大小，并推薦了各種進(jìn)刀方式的適用范圍；劉闖[3]運(yùn)用有限元分析法對(duì)薄壁件復(fù)合材料以螺旋進(jìn)刀方式切削，研究對(duì)軸向力、徑向力影響較大的因素及提出優(yōu)化因素方案；姜雪松[4]對(duì)斜向進(jìn)刀過程做了動(dòng)力學(xué)仿真，通過分析進(jìn)刀過程的接觸力、應(yīng)力、應(yīng)變，研究切削用量對(duì)刀具破損的影響，切削力隨切削速度增加呈現(xiàn)下降趨勢與Abrao Mendes[5]得出結(jié)論一致;而劉戰(zhàn)強(qiáng)[6]對(duì)切削速度做過更詳細(xì)的分析，針對(duì)45鋼材料和灰鑄鐵，銑削力隨工作轉(zhuǎn)速的提高而增大，同時(shí)分析獲得轉(zhuǎn)速臨界值，即大于此值條件下，切向銑削力的大小隨速度提高而減小；龐俊忠[7]對(duì)不同硬度的P20鋼材料進(jìn)行高速銑削，結(jié)論為隨材料硬度的提高，鋸齒形切屑形成所需的最小切削速度降低，并且工件的材料硬度越高，切削過程產(chǎn)生的切削力未必越大。

切削用量確定的情況下，工件的硬度、刀具夾持量，也對(duì)切削過程影響極大，工件硬度的變化又會(huì)影響切削溫度、切削力[8-10]等；對(duì)于刀具夾持量過小，會(huì)導(dǎo)致刀具的振動(dòng)，也影響工件表面質(zhì)量，對(duì)夾持量的研究中，李茂偉等[11-12]在切削試驗(yàn)中，研究了切削力與夾持量的關(guān)系，得到夾持量與切削力并不是正比或者是反比關(guān)系，有一個(gè)最不適合加工的臨界值。

綜上，對(duì)于開放區(qū)域圓弧進(jìn)刀方式的研究并不多，本文以淬硬45鋼為研究對(duì)象[13-14]，通過高速銑削試驗(yàn)，使用小直徑刀具圓弧進(jìn)刀方式側(cè)銑長方體工件，同時(shí)對(duì)不同刀具夾持量、不同硬度工件的切削情況進(jìn)行了分析。研究以上不同切削條件下切削力的變化趨勢，對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率等都有較大的實(shí)際意義。

1 高速銑削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

高速銑削試驗(yàn)在佳鐵JT-600A高速數(shù)控雕銑機(jī)上進(jìn)行；硬質(zhì)合金銑刀，刀具直徑d=4 mm，4刃，刃長10 mm，刀具總長50 mm。工件材料為經(jīng)過熱處理后硬度分別為30、35、40、45 HRC及初始硬度為25 HRC的工件。加工方式為圓弧進(jìn)刀干式銑削側(cè)銑。試驗(yàn)測力系統(tǒng)采用大連理工大學(xué)研制的三向壓電石英測力儀（YDCB III05型）及電荷放大器（LN 5861型）、數(shù)據(jù)采集卡（USB-1902型）。測力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。刀具的進(jìn)刀路徑示意圖如圖2所示。其中A、B、C均為銑刀軸心移動(dòng)過程點(diǎn)，A點(diǎn)為刀具初始位置點(diǎn)，B點(diǎn)為刀具開始切入工件點(diǎn)，C點(diǎn)為完全切入工件點(diǎn)，α為刀具開始切入至完全切入工件的旋轉(zhuǎn)角度，R為旋轉(zhuǎn)半徑。灰色區(qū)域?yàn)楣ぜ磺邢鞯膮^(qū)域。

圖1 切削力測量系統(tǒng)示意圖

圖2 刀具進(jìn)刀路徑示意圖

圖3 銑削力原始信號(hào)

圖4 銑削力與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)采用單因素法，試驗(yàn)中對(duì)研究因素進(jìn)行研究，由測力儀測到的信號(hào)如圖3，在n=10 000 r/min轉(zhuǎn)速下，銑削力實(shí)測圖，首先將所有數(shù)據(jù)減去空刀階段的切削力，然后，對(duì)圓弧進(jìn)刀過程中切削力各個(gè)峰值大小排序，取前50個(gè)值的平均值，為此切削條件下的進(jìn)刀階段切削力，并做3組重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值，作為最終切削力數(shù)值。

2 各因素對(duì)切削力的影響

2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響

側(cè)銑時(shí)主軸轉(zhuǎn)速分別為6000、8000、10 000、12 000、14 000 r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.015 mm/z，軸向切深0.2 mm，徑向切寬0.2 mm，工件硬度45 HRC，刀具夾持量50%（夾持部分占刀具總長的百分比）。

如圖4所示，6000～12 000 r/min三向切削分力上升趨勢明顯，是由于切屑慣性力增大引起的，在12 000 r/min之后，切削力變化不明顯，略有下降的趨勢，是由于切削熱的影響，剪切力的下降快于切屑慣性力的上升導(dǎo)致的。切削理論中介紹：切削力與切削速度不成線性關(guān)系，在切削速度較低時(shí)，小于某個(gè)臨界值，切削力呈上升趨勢，當(dāng)切削速度大于這個(gè)臨界值，曲線又下降，然后趨于平穩(wěn)[15]。與切削理論相符合的是，試驗(yàn)中的最大速度值未達(dá)到或接近臨界值階段，三方向切削力的總體變化趨勢是隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削力呈現(xiàn)上升趨勢，而對(duì)3個(gè)力影響最大的是Fy，主要是工件彈性模量大，切削過程中產(chǎn)生的抗力大，且刀具在徑向剛度小，可能會(huì)增加振動(dòng)的可能性，降低加工表面質(zhì)量，需要進(jìn)行更大范圍切削速度的研究工作。

2.2 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，軸向切深0.2 mm，徑向切寬0.2 mm，工件硬度45 HRC、刀具夾持量50%。側(cè)銑時(shí)改變每齒進(jìn)給量為0.005、0.01、0.015、0.02、0.025 mm。如圖5所示，僅改變每齒進(jìn)給量，銑削力與每齒進(jìn)給量之間的關(guān)系，總體上趨于正比例關(guān)系，3個(gè)方向的分力隨每齒進(jìn)給量增加而增大。這是由于在單位時(shí)間內(nèi)參與銑削的面積增加，加大了刀具的前刀面受力和后刀面與試件材料表面之間的摩擦力，切屑分離所做的切削功增大，相應(yīng)的銑削力也增大。

2.3 徑向?qū)挾葘?duì)切削力的影響主軸轉(zhuǎn)

速n=10 000 r/min，軸向切深0.2 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.015mm/z，工件硬度45 HRC，刀具夾持量50%。側(cè)銑時(shí)改變徑向?qū)挾葹?.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm。由圖6可知，隨著切削寬度的增加，3個(gè)分力變化趨勢并不明顯，F(xiàn)y在0.2 mm寬度后繼續(xù)增加，切削力增長幅度減小，但總體與Fx一樣隨切削寬度增加而增加，主要是銑削面積增加，從而使變形力增大，同時(shí)增加了刀具與工件間的摩擦力，使得切削力增大。此外，當(dāng)徑向切寬增大后，工件材料回彈現(xiàn)象突出，這也導(dǎo)致了徑向力的增大。

圖5 銑削力與每齒進(jìn)給量關(guān)系曲線

圖6 銑削力與徑向切寬關(guān)系曲線

2.4 軸向切深對(duì)切削力的影響

主軸轉(zhuǎn)速n=10000 r/min，徑向切寬0.2 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.015 mm/z，工件硬度45 HRC，刀具夾持量50%。側(cè)銑時(shí)改變軸向切深為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm。由圖7可知，僅改變軸向切深，切削力隨著切削寬度的增加，軸向分力變化不明顯，而Fx、Fy均隨切削寬度增加而增加。主要是因?yàn)殂娤髅娣e增加，變形力與摩擦力增大，切屑分離所需切削功增加，使得切削力增大。

圖7 銑削力與軸向切深關(guān)系曲線

圖8 銑削力與夾持量關(guān)系曲線

2.5 夾持量對(duì)切削力的影響

主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min、徑向切寬0.2 mm、軸向切深0.2 mm、每齒進(jìn)給量fz=0.015 mm/z、工件硬度45 HRC。側(cè)銑時(shí)改變夾持量為40%、45%、50%、55%、60%。如圖8所示。隨著夾持長度的增加，銑削力總體呈現(xiàn)減小趨勢。Fy相較于Fx、Fz變化更明顯，夾持量不小于50%之后，F(xiàn)y趨于平穩(wěn)。增加刀具的夾持量使得刀具剛度提高，傳統(tǒng)加工中，將刀具的夾持量設(shè)置較大，而在進(jìn)行型腔加工時(shí)，需要較大的刀具懸伸長度，而為避免由此引起的刀具振動(dòng)加強(qiáng)，可選取最小50%夾持量，而對(duì)于不同的轉(zhuǎn)速，此臨界夾持量值不同，需進(jìn)一步探究。

圖9 銑削力與工件硬度關(guān)系曲線

圖10 銑削力與旋轉(zhuǎn)半徑關(guān)系曲線

2.6 硬度對(duì)切削力的影響

主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，徑向切寬0.2 mm，軸向切深0.2 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.015 mm/z，刀具夾持量50%。側(cè)銑時(shí)改變工件硬度為25（未淬硬）、30、35、40、45HRC。如圖9所示，各切削參數(shù)一定，僅改變工件的硬度，切削力總體隨著硬度增加呈現(xiàn)減小趨勢，因?yàn)殡S著工件硬度的增高，切削溫度逐漸升高，切削熱對(duì)材料的熱軟化作用占主導(dǎo)地位，且切削熱對(duì)材料的軟化速率快于工件硬度的增高速率，因此實(shí)際切削硬度是降低的，同時(shí)切削熱也會(huì)造成摩擦因數(shù)減小，切削力減小。與文獻(xiàn)［10］中對(duì)45鋼工件硬度的研究相符,在50 HRC以下時(shí)，隨著硬度增加，切削溫度上升，對(duì)切削力有減小的作用。

2.7 旋轉(zhuǎn)半徑對(duì)切削力的影響

主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，徑向切寬0.2 mm，軸向切深0.2 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.015 mm/z，刀具夾持量50%，工件硬度45 HRC。側(cè)銑時(shí)改變旋轉(zhuǎn)半徑為1、2、3、4、5 mm。由圖10可知，隨著半徑的增加，切削力總體減小，但主要是對(duì)Fx分力影響最大，F(xiàn)y、Fz分力波動(dòng)很小。隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增加，進(jìn)刀過程的切削層變化更加緩慢，刀具與切屑的接觸面積變小，單位時(shí)間形成的切屑更少，所需的切削力更小。因此，工件加工中可根據(jù)實(shí)際空間來調(diào)整進(jìn)刀半徑。

3 結(jié)語

本文通過小直徑刀具對(duì)45鋼高速銑削加工試驗(yàn)，研究了45鋼高速銑削過程中，各切削參數(shù)及

工件硬度、刀具夾持量對(duì)切削力的影響規(guī)律，結(jié)論如下:1）隨著主軸轉(zhuǎn)速提高，切削力不斷增加，在12 000 r/min后，略有減小趨勢；對(duì)于軸向切深、徑向切寬、每齒進(jìn)給量增加，均由于單位時(shí)間切削量、切削面積增大導(dǎo)致切削力的增加；切削旋轉(zhuǎn)半徑對(duì)Fx方向切削力影響最大，且隨著旋轉(zhuǎn)半徑增大，對(duì)切削力Fx影響最大，隨著半徑的增大而減小。2）隨著工件硬度的增加，由于切削熱的影響，導(dǎo)致切削力降低；刀具夾持量的增加導(dǎo)致切削力降低，而在60%夾持量之后，切削力變化微小。

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