錯齒分屑原理在插銑刀具的應用研究

舒鑫，雍建華

（沈陽鼓風機集團股份有限公司透平工藝部，遼寧 沈陽 110869）

插銑是一種極具潛力的加工方法，與側銑加工相比，其最突出的優勢是加工效率高，特別適用于材料去除量大的零件的粗加工。

插銑工藝目前并未在實際生產中得到廣泛應用，原因之一是缺乏高性價比的插銑專用刀具。部分刀具廠商推出了自己的插銑刀具產品，但大都價格昂貴，且存在以下幾方面的不足：首先，切削時產生的徑向力較大，刀具向遠離材料的方向讓刀，退刀時，刀尖與已加工表面摩擦，在加工薄壁件時，會引起工件的變形；選用較大的切削參數或工件材料對刀具的包角較小時，切削振動強烈，這極大地影響了切削穩定性，降低了加工質量和刀具壽命，也削弱了插銑工藝加工效率高的優勢。此外，當工件材料為難加工材料時，刀具壽命不足的問題尤為突出。

1 插銑加工錯齒分屑原理

插銑加工時，刀具進給方向沿刀具軸向，插銑加工過程如圖1所示，圖中αp表示插銑步距（背吃刀量），αe表示側吃刀量。

插銑加工時，刀具從工件頂部銑削到工件根部之后沿原路徑快速退出，刀具退出后，首先步進一個步距ap后重復之前的切削過程。切削加工過程中，需要改變刀具軸線方向的稱為變軸插銑，不需要改變刀具軸線方向的稱為定軸插銑。插銑加工得到的側壁是由一系列直徑為刀具直徑的圓組成的包絡線，已加工表面的材料殘留高度由插銑步距和刀具直徑共同決定。

圖1 插銑加工

插銑刀具的進給方向沿刀具軸向，因而刀具角度定義與側銑刀具不同。對插銑刀具性能影響較大的幾個刀具角度中，前角和后角共同決定刀具的鋒利程度；刃傾角和主偏角決定了刀具所受徑向力的方向和大小，刀具受到的徑向力過大會導致加工精度的下降和已加工表面質量的惡化；副偏角影響刀具副切削刃與已加工表面之間避空的大小，過小的副偏角會加劇退刀時刀具與已加工表面的刮擦。在刀具設計時，必須綜合考慮各刀具角度對刀具性能的影響以及刀體本身的幾何結構，選用合適的刀片、設置適當的刀具幾何參數。

2 應用分屑原理是提升刀具性能的有效途徑

目前，鮮有研究者將分屑原理應用于插銑刀具的設計，但相近領域的研究成果對分屑插銑刀具的研究有較大的指導作用。與分屑刀具相關的研究中，具有分布式多點陣端部切削刃的螺旋銑孔專用刀具解決了干切削條件下，傳統立銑刀對鈦合金、復合材料等航空難加工材料進行螺旋銑孔加工時刀具壽命低、加工質量差等問題。一種能同時加工出多根微細金屬長纖維的多齒刀具將整個切削層切下的同時，可以把切屑分屑形成多根纖維。有實驗驗證了后波刃立銑刀采用正弦曲線刃形時的性能更優，通過刀具分屑可以減小切屑尺寸，進而減小切削力。對銑削加工來說，周期性的切削力正是引起穩態切削時刀具和工件強迫振動的主要原因，因而刀具分屑也可以減輕切削振動，當切削力和切削振動被減小時，刀具壽命將得到提升。

3 結語

結合分屑刀具的上述優點，我們可以將錯位分屑原理應用于插銑刀具的設計，進一步分析刀具實現可靠分屑的條件。通過對比刀具角度相同的分屑插銑刀具與普通插銑刀具的性能，分析錯位分屑原理的應用對插銑銑削力、銑削振動和刀具壽命的影響，將錯齒分屑原理與傳統插銑加工相融合，開發出具有更高加工效率和刀具壽命的錯齒分屑插銑刀具及工藝應用于材料去除量大的零件加工。