球刀銑削有效直徑探析

袁國強，鐘曉鷗

珠海格力精密模具有限公司 廣東珠海 519070

1 序言

目前, 數控加工中普遍存在如何合理選擇切削參數的問題，而刀具的有效直徑對切削參數的影響較大，經常被人忽視，且國內關于銑削加工有效直徑相關研究還較少。球刀銑削有效直徑探析對三軸CNC高速切削、普通切削均有實用價值。

應用球頭銑刀精加工曲面時, 為獲得較好的表面粗糙度，減少或省去手工拋光, 徑向銑削深度最好和每齒進給量相等, 在這種參數下不僅加工出的表面紋理比較均勻, 而且表面質量很高。因此參數制定時，徑向切削寬度和每齒進給量盡量相同或相近。據式（1）可用表面粗糙度值為條件，計算出球頭刀具徑向切削寬度ae，進而可得出每齒進給量fz的切削參數。但依此計算的切削參數，在相同工況條件加工，發現小直徑的球頭刀比大直徑球頭刀切削表面效果更好，如圖1a、圖1b所示。研究分析發現，主要由于切削時的有效直徑因素所導致，只有解決此問題，才能更好地解決實際切削參數問題，帶來更好的表面切削效果。

圖1 切削表面效果

式中，R為球刀半徑（mm）；ae為徑向切削深度（mm）；H為殘留高度（mm）（見圖2）。

圖2 殘留高度H

2 切削參數的運用

刀具切削參數的實際運用，大概經歷了三個階段。第一階段，師傅帶徒弟的傳承方式。師傅憑經驗告訴徒弟各類型、各規格刀具的切削參數，徒弟記下并使用。這種方式的優點是師傅的經驗是經實際驗證可行的，徒弟接受后就可直接運用。其缺點是師傅的水平決定了徒弟的水平，且缺乏理論傳承，制約了切削工藝的發展。第二階段，是刀具新理念、新技術的運用階段。改革開放后，國內外各刀具品牌新技術、新工藝在中國得到推廣運用，借助互聯網的發展、智能手機的普及，機加工從業技術人員很容易找到相關新技術資料進行學習，并運用到加工生產中，切削加工水平有了跨躍式提升。第三階段，切削的精細化研究運用段階。隨著對加工要求的提高，粗曠的“拿來主義”的弊端就顯露出來了，加工產品質量達不到客戶的要求，或達到也付出很大的成本代價，這是我們需要研究并突破的階段。

大部分機加工企業，處于第二階段，還有部分小企業，甚至處于第一階段。處于第二階段的企業，基本都掌握了不同工況的切削參數計算方法，能把各類材料、各規格刀具結合起來并標準化，這對于企業將是一大技術積淀。

式中，D是名義直徑（mm）；vc是切削速度（m/min）；n是轉速（r/min）。

式中，vf是進給速度（mm/min）；Zn是銑刀齒數；n是轉速（r/min）；fz是每齒進給量（mm）。

據式（2）、式（3）和式（1），把測試驗證后的參數，寫入Excel表格，可批量計算出不同材料、不同表面粗糙度及不同刀具的切削參數；將相同表面粗糙度、不同直徑球刀的切削參數計算進行標準化，見表1；再將其導入CAM軟件的刀具庫模版中，建立適合自己企業的標準化刀具信息庫，能讓企業技術團隊的NC輸出達到同一水平，不會因人員流動因素而影響加工質量。

以上方法的運用較為粗獷，忽略了有效直徑因素的重要性，此問題將導致圖1的加工結果：相同工況條件、相同表面粗糙度值和相同公式計算輸出的切削參數，卻因刀具直徑不同而使切削形面有差異，即加工的實際表面質量無法與理論表面粗糙度相近的現象。

3 有效直徑

（1）有效直徑解析 有效直徑，就是切削加工時，實際切削到零件材料表面時的最大刃徑。銑削加工參數應按有效參數來選擇，而非名義參數。通常情況下計算轉速、進給速度，都按刀具的名義直徑計算，實際加工時卻是有效直徑在切削，但有效直徑又經常小于名義直徑，這就會影響加工零件的表面質量。

刀具廠家建議的切削速度vc，是指刀具的最大刃徑（名義直徑）的速度。以φ6mm球刀為例，在平面工況下切削時的有效直徑如圖3所示，廠家推薦vc指名義直徑6mm的切削速度，但此時實際有效切削是φ1.1mm，有效直徑是名義直徑的18%，顯然有效切削速度vc也隨之降低。但在機床切削的刀具還是φ6mm的原參數未改變，故據式（2）可知，φ1.1mm處的實際轉速n就下降到原速度的18%。據式（2），可得實際進給速度vf同比下降，才能與初始切削參數的表面粗糙度目標值相符。

圖3 切削時的有效直徑

表1 相同表面粗糙度值、不同直徑球刀切削參數計算

通常機加工行業普遍實際情況是：有效直徑比名義直徑小時，切削加工的進給速度vf卻都未更改。這就相當于每齒進給量大幅提高，導致了加工零件的表面粗糙度值增大，且切削刀具直徑越大、表面越平坦，表面粗糙度值增大現象也越明顯。

當然，對于有些高速機床，主軸轉速還有提高空間，也可以把有效直徑處的轉速提高至有效直徑與名義直徑的比值倍數，轉速提高后進給速度還是原進給速度不變，效率、表面質量理論上都不會受影響（其他影響因素不在本文討論范圍內）。

（2）對加工質量影響 球刀實際加工切削時，幾乎不會出現圖3這種簡單的理想工況，更多的是平坦、陡峭且更復雜的弧面或多角度復合斜面等，切削時有效直徑在加工過程中的連續變化，如圖4所示。由于幾乎不可能用某一準確的有效直徑計算切削參數，所以實際加工出來的零件表面質量不均勻。陡峭處的表面效果好，原因是有效直徑較接近名義直徑；反之，平坦面的表面效果就很差，甚至會出現表面有毛刺的現象，這是由有效轉速太低導致每齒進給量增大所引起。

圖4 不同弧面切削時的有效直徑連續變化

實際加工生產時，由于加工零件型面復雜，所以實際切削時的有效直徑問題讓CAM工程師非常棘手，迫于生產進度的壓力，通常情況下都會選擇忽視它的存在，由此引起的表面粗糙度不均勻問題，由后續拋光工序來解決。

（3）建議措施 有效直徑變小后，為保證型面與理論表面粗糙度值一致，措施有兩種：一是加大轉速，保持有效直徑的每齒進給量與名義直徑計算時相同，則切削效率不受影響，但受機床最高轉速的限制，現階段國內大部分機床都不適用。二是有效直徑和名義直徑的轉速一致，降低每齒進給量，即把進給速度vf降下來，犧牲效率保證表面粗糙度，此方法適用國內普遍機床。

當弧面變化較大時，同一轉速加工半圓弧面，切削過程的有效直徑是持續變化的，弧面每處的等高面都被不同有效直徑切削。從理論上講，要銑出表面粗糙度值相同的效果，每條刀路軌跡的徑向行距都要計算不同進給速度，但這種方法幾乎是不可實際操作的（以后CAM軟件或許能實現據有效直徑自動降速的運算功能）。建議可以把弧面分成若干區域，每個區域刀具路徑軌跡的進給速度vf，按有效直徑和名義直徑的比值降速，各區域的有效直徑（見圖5），有效直徑轉速見表2。

圖5 各區域的有效直徑

表2 有效直徑轉速

4 有效直徑切削測試驗證

（1）測試目的 按名義直徑和有效直徑比值降低進給速度，能否接近目標表面效果。不同直徑的球刀，以相同表面粗糙度值計算的切削參數，表面效果能否相近。

（2）測試工況條件 機床：測試機床選用德國羅德斯加工中心，型號為RXP801。該機床加工精度高、穩定性能好，采用油霧冷卻。刀柄：使用德國翰默的熱縮刀柄，刀具夾持跳動性小、精度高。刀具：采用國產株洲鉆石的高速銑刀，精度高、切削性能好。軟件：CAM編程采用了Delcam公司的編程軟件PowerMILL，該軟件功能強大、應用靈活，安全性能高。

（3）理論切削參數 用UG軟件設計一個3°斜面的模型零件（見圖6），斜面一分為二，半精加工后均勻留余量為0.1mm，精銑分別用φ6mmR3mm和φ3mmR1.5mm兩支球刀加工。按理論表面粗糙度值Ra=0.5μm和有效直徑計算切削參數（見圖7），對比加工表面實際效果是否與目標值相符。據上文所述，徑向銑削深度與每齒進給量相等時，可獲得較高表面質量。同時，據式(1)、式(2)、式(3)及以上有效直徑的相關論述，可得切削參數，見表3。

圖6 模型零件

圖7 有效直徑計算切削參數

（4）切削表面實際效果 有效直徑按Ra＝0.5μm的測試樣件加工好后清潔干凈，目測表面效果達到良好，初步判斷達到要求，如圖8所示。

圖8 測試樣件

用美國優科PG1000電子放大設備，如圖9所示，對零件表面進行觀察分析。用德國Mahr-M300C粗糙度檢測儀檢測表面粗糙度，如圖10所示。

圖9 電子放大設備

圖10 Mahr-M300C粗糙度檢測儀

工件測試切削加工時，雖然使用的刀具不同，但切削參數都按表面粗糙度值Ra＝0.5μm計算，而且計算了有效直徑切削參數因素，故由fz、ae形成的表面紋理幾何格相近，如圖11所示。

表3 切削參數

圖11 表面紋理

受機床、冷卻（油霧）、刀柄、刀具、工件材料和檢測儀器誤差等多方面因素影響，實測的表面粗糙度值低于理論表面粗糙度值Ra＝0.5μm，φ6mmR3mm球刀加工后表面粗糙度值Ra＝0.317μm，φ3mmR1.5mm球刀加工后表面粗糙度值Ra＝0.354μm，如圖12所示。但兩支不同直徑的球刀加工的表面粗糙度值結果相近，與圖11表面紋理觀察結果相符。

圖12 實測表面粗糙度值

5 結束語

合理選取切削參數對提高生產效率和加工質量有著重要作用，以研究球頭銑刀有效直徑對零件表面粗糙度影響為切入點，通過理論探討分析與樣件測試相結合的方法，著重分析了球頭銑刀在某一工況條件下，以目標表面粗糙度計算的切削參數和實際切削的表面質量效果相近為依據，得出如下結論。

1）不同直徑的球刀，按表面粗糙度公式計算的切削參數進行加工，可以加工出相近表面粗糙度的表面質量。

2）轉速不變的條件下，切削進給速度vf應隨名義直徑和有效直徑的比值同比下降，才能與名義直徑計算的表面粗糙度值相近。

3）忽略有效直徑的切削參數計算，將影響零件表面粗糙度，且表面粗糙度值影響程度與名義直徑和有效直徑的比值成正比。