數(shù)控銑圓孔加工的銑削力研究*

程智勇，李曉娟，周歡偉

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東廣州 510430）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的手爪是抓握工件作業(yè)的部件，其中重要零件是手爪橫梁，其材料是合金鋼（20CrMnTi），有13個(gè)孔，采用螺旋銑圓孔的加工方法，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；螺旋銑圓孔加工是一種偏心加工[1]，需加工孔的軸線與銑刀軸線之間有偏心距；銑圓孔大小和類型可根據(jù)偏心量的大小來調(diào)整[2]，實(shí)現(xiàn)一把銑刀銑削不同直徑的孔和銑削不同類型的孔（如橢圓，錐形孔）；銑刀的磨損可以通過刀具補(bǔ)償調(diào)整，偏心加工有利排屑[3]。

1 手爪橫梁的加工工藝

手爪橫梁用東北大學(xué)的DSX5-70并聯(lián)機(jī)床（圖1）加工，DSX5-70并聯(lián)機(jī)床其主軸轉(zhuǎn)速最高為5 000 r/min，定位精度0.005，采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)；DSX5-70并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)是誤差小而精度高。

加工刀具是臺(tái)灣SAP鎢鋼銑刀，材質(zhì)為硬質(zhì)合金，涂層為AlTiN；編程用國產(chǎn)的CAXA制造工程師2013r2。

下文對(duì)銑圓孔加工數(shù)控加工編程的過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 繪圖

圖2為所要加工的“手爪橫梁”，圖3為零件的數(shù)控銑圓孔加工刀路。

圖1 東北大學(xué)的DSX5-70并聯(lián)機(jī)床

圖2 手爪橫梁

圖3 銑圓孔加工

1.2 選擇刀具路徑

首先，單擊鼠標(biāo)右鍵軌跡樹，選擇“平面區(qū)域式粗加工”，進(jìn)入平面區(qū)域式粗加工對(duì)話框，走刀方式選擇環(huán)切加工和從里到外，如圖4所示，單擊下刀方式，選擇螺旋，半徑5 mm，近似節(jié)距5 mm，并進(jìn)行銑圓孔加工刀具參數(shù)設(shè)置和各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，如圖5所示。

圖4 平面區(qū)域式粗加工

圖5 下刀方式

1.3 實(shí)體仿真

銑圓孔加工軌跡確定后（圖6），選取刀具路徑中的“平面區(qū)域式粗加工”，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“實(shí)體仿真”，彈出仿真介面，執(zhí)行銑圓孔加工實(shí)體切削驗(yàn)證，進(jìn)行仿真（圖7）。

圖6 銑圓孔加工軌跡

圖7 實(shí)體仿真

1.4 生成加工程序

后置設(shè)置好FANUC數(shù)控系統(tǒng)后，選取刀具路徑中的“平面區(qū)域式粗加工”，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“后置處理”，生成G代碼，選擇FANUC系統(tǒng)，就完成代碼生成。

從加工過程可得出：相對(duì)一般鉆孔加工，銑圓孔加工是一種偏心加工工藝，通過調(diào)節(jié)偏心量可以對(duì)孔徑進(jìn)行偏差補(bǔ)償，位置精度較高，孔加工精度、光潔度和粗糙度較高（下文進(jìn)行分析）。

1.5 應(yīng)力分析

使用Solidworks的Simulation的功能進(jìn)行有限元分析，對(duì)手爪橫梁的的載荷、支撐和幾何模型進(jìn)行離散化處理[4]，將有限單元的網(wǎng)格來進(jìn)行求解。首先分析其強(qiáng)度，手爪橫梁受力后容易向下產(chǎn)生撓度。經(jīng)過在靜態(tài)情況下對(duì)固定面和受力面進(jìn)行限定后，求解如圖8、9所示。

通過對(duì)工件的受力強(qiáng)度和撓度有限單元仿真表明：由于采用銑圓孔加工，在應(yīng)力較集中的圓孔受力強(qiáng)度和撓度進(jìn)行超差分析，工件是安全、可靠的。銑圓孔加工為何加工質(zhì)量高，下文從理論上加以分析。

圖8 受力強(qiáng)度

圖9 產(chǎn)生撓度

2 銑削力的解析模型

銑圓孔加工時(shí)圓柱立銑刀的圓周銑削力(切向力)與垂直切削力(徑向力)同時(shí)參加切削[5]。然而，作為不同的切削加工方式圓柱立銑刀圓周銑削力與垂直切削力進(jìn)行受力分析，最終得到整體切削力模型。

2.1 圓周銑削力

圓柱立銑刀每個(gè)刀刃周期內(nèi)等間隔取L個(gè)旋轉(zhuǎn)角增量Δφ，則當(dāng)?shù)毒呶挥诘趐個(gè)旋轉(zhuǎn)角位置時(shí)，將圓柱立銑刀的第q(q=1，2，3，…，N)個(gè)圓周銑削力刀齒沿刀具軸向以d z的離散間隔為若干個(gè)微小的切削刃，圓柱立銑刀第q個(gè)圓周銑削力第k個(gè)刀齒上微元的空間位置角可由下式[6]：

式中：φc為齒間角，且φc=2π/N 。

圖10 切削力及微元離散圖

如圖10所示，當(dāng)銑刀轉(zhuǎn)過 p個(gè)角位移后，圓周銑削力刀齒q上任意微元切削刀刃所受到的切削力分量可表述為：

式中：k5x為圓周銑削力的切向力系數(shù)，k5y為圓周銑削力的徑向力系數(shù)，k5a為圓周銑削力的軸向力系數(shù)，單位為N/mm2。

圓柱立銑刀圓周銑削的情況下，銑刀刀尖的軌跡近似為圓，因此微元的未成形切屑厚度h可定義[7]為:

式中： ft表示刀具周向每個(gè)刀刃進(jìn)給量，銑圓孔加工中為刀具公轉(zhuǎn)1周的進(jìn)給量，φst和φex分別表示刀齒切入角和切出角。

刀具圓周銑削力各個(gè)微元切削刃上所建立的切削力通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到刀具坐標(biāo)系的x、y、z軸上，如下：

圖11 各切削力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖

如圖11所示，銑圓孔加工刀齒上受到的切削力在工件坐標(biāo)系下可表示為式（5）、（6）為：

將刀具圓周銑削力參與切削的微元切削刀刃的切削力進(jìn)行求和，可得到銑刀在第p的旋轉(zhuǎn)角位置時(shí)圓周銑削力所受到的x、y、z個(gè)方向銑削力合力：

式中：K為單個(gè)銑刀刃z上參與切削微元的軸向上限。

采用平均切削力法的系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，圓柱立銑刀圓周銑削力每個(gè)刀刃周期的平均切削力可以表達(dá)為：

將式（8）可整理得到下列方程式：

式中可確定出6個(gè)切削力系數(shù)的大小。

2.2 垂直切削力

圓柱立銑刀的軸向每個(gè)刀刃進(jìn)給量為 fzα（圖12），由于圓周銑削力運(yùn)動(dòng)軌跡是一旋轉(zhuǎn)面，因此圓周銑削力的切削厚度（未變形）是圓柱立銑刀每個(gè)刀刃軸向進(jìn)給量與圓柱立銑刀中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡旋轉(zhuǎn)角的乘積，而圓周銑削力（未變形）切屑的寬度等于圓柱立銑刀的半徑RT。

圖12 垂直切削力

假設(shè)銑刀圓周銑削力為沿孔徑方向是一條直線，圓周銑削力上任意一個(gè)微元的切削力可近似表達(dá)為：

銑刀圓周切削力的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

式（12）中可以表示為 β=va/vr，va相對(duì)于vr要小得多，即旋轉(zhuǎn)角 β＜5°，因此可忽略旋轉(zhuǎn)角 β的影響；圓周銑削力所受到的切削力合力為：

刀端圓周銑削力每個(gè)刀刃平均銑削力為：

將式（10）—（13）代入式（14）中，可得：

銑圓孔加工時(shí)刀具受到的整體切削力是其圓周銑削力和圓周銑削力所受切削力的合力為：

通過以上銑圓孔切削加工機(jī)理分析，相對(duì)傳統(tǒng)鉆孔加工有以下特點(diǎn):

（1）鉆孔鉆頭由于線速度很小甚至為0，橫刃的切削速度很小，鉆頭去除材料的向下進(jìn)給靠擠壓力，因此傳統(tǒng)鉆孔的軸向力很大。而銑圓孔加工靠各切削力一層一層地去除材料，因此軸向力較低。

（2）鉆孔鉆頭是連續(xù)的切削過程，加工硬化較嚴(yán)重，鉆孔時(shí)切屑排出速度慢，將惡化孔的散熱環(huán)境，切削溫度急劇升高，加速刀具的磨損，最終縮短刀具壽命。而銑圓孔是一種斷續(xù)的切削加工過程，有利于改善加工時(shí)的散熱環(huán)境，減輕加工難加工材料時(shí)的刀具磨損現(xiàn)象，提高刀具壽命。

（3）鉆孔鉆頭是切削環(huán)境較封閉，切屑從螺旋槽排出后易與已加工孔表面接觸，劃傷孔壁表面，影響孔的表面質(zhì)量。而銑圓孔加工是一種偏心加工工藝，當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損時(shí)，通過調(diào)節(jié)偏心量可以對(duì)孔徑進(jìn)行偏差補(bǔ)償，有效提高加工表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

本文作者通過對(duì)圓柱立銑刀受到的圓周銑削力和圓周銑削力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將其模型合并最終得到整體切削力模型，從而可研究得到各種條件因素下的切削狀況。銑圓孔加工能有效降低軸向切削力，提高加工質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具壽命。