3Cr13不銹鋼的低頻振動銑削影響問題研究

周志楷，靳伍銀

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州730050）

1 引言

不銹鋼是諸多難切削材料中較為典型和常見的材料之一。近十幾年來，隨著氬氧脫碳精煉技術的廣泛應用和爐外精煉技術與設施的日趨完善，其生產取得突飛猛進的發展［1］。以其優異的物理、化學、機械及熱性能被廣泛應用于很多工業領域［2］。然而，在切削加工過程中會產生諸多加工缺陷，極大影響了不銹鋼的推廣應用。因此不銹鋼的切削加工問題是必須解決的關鍵技術問題之一。

目前，振動切削技術是精密機械加工中典型的技術之一。振動切削，又稱脈沖切削，即在傳統切削中刀具/工件相對運動的基礎上給工件/刀具額外施加某種外激振動以實現更好加工效果的一種切削方法［3］。國內外研究人員對振動切削進行了大量的研究，并且取得了豐富的成果［4，5］。文獻研究了化學強化玻璃的軸向超聲振動輔助螺旋銑削，試驗結果表明該方法提高了刀具壽命、加工精度，以及切削效率［6］。文獻針對超聲輔助銑削運動學、表面形貌等進了分析研究，結果表明振動銑削可減小表面粗糙度，可形成鱗狀表面［7-9］。同時，眾多學者對不同材料振動銑削的銑削力進行了研究，發現超聲振動切削可有效減小切削力［10，11］。文獻采用非線性周期函數的線性化理論進一步建立了超聲振動輔助銑削的動力學模型。結果表明超聲振動是一種有效抑制加工顫振的方法［12］。文獻對超聲振動切削技術進行了深入的研究，指出超聲橢圓振動切削在不分離區具有有效降低切削力、抑制加工過程顫振、提高零件表面加工質量等優勢［13，14］。

近年來，對超聲振動切削的研究較多，并且多采用價格昂貴的鈦合金、碳碳復合材料等，但對低頻振動銑削的研究不多。因此，通過低頻振動銑削3Cr13不銹鋼來分析其對銑削的影響。

2 工件/刀具運動學分析

2.1 普通銑削

在普通銑削過程中，工件隨工作臺做進給運動，而刀具則做旋轉運動。則工件運動軌跡為：

式中：y0-工作臺沿進給方向的位移；vf-工作臺進給速度；t-時間。加工過程選用較小的加工深度，可忽略刀具螺旋角的影響，對刀具運動軌跡進行分析，三刃立銑刀直線銑端面時刀尖相對于工件的運動軌跡，如圖1所示。

圖1 三刃立銑刀刀尖運動軌跡Fig.1 Motion Trace of Three Tool Tips of Three-edge Milling Cutter

取點A為初始位置，則銑刀的任一切削刃刀尖的運動軌跡方程為：

式中：xi-刀具在垂直于進給方向的坐標；yi-刀具沿進給方向的坐標；vf-進給速度；t-時間；z-銑刀刀刃數；r-銑刀半徑；ω-銑刀旋轉角速度；i-刀刃的序號，i=0,1,2（三刃銑刀）。

2.2 振動銑削

在振動銑削過程中，工件不僅隨工作臺做進給運動，而且在激振器的影響之下做小振幅的往返運動；同時刀具做旋轉運動。則工件運動軌跡為：

式中：y0-工作臺進給方向的位移；vf-工作臺進給速度；t-時間；A-激振振幅；f-激振頻率；φ-初相位角。引入低頻振動之后，刀尖相對于工件的相對運動軌跡為：

根據式（5）、（6），沿進給方向施加低頻激勵，在簡諧波的影響下迫使工件-刀具之間的相對運動軌跡發生變化，形成了不同于普通銑削的銑削軌跡。并且激振頻率與振幅對工件-刀具之間的相對運動存在一定影響。

如圖2（a）所示，加入低頻振動后工件-刀具之間的相對運動軌跡發生了明顯的變化，并且該軌跡與簡諧波形存在著一定的關系。在振幅不變的情況下，提高頻率圖（b）所示，刀尖與工件之間的相對偏離次數明顯變多。在頻率不變時，增大振幅，如圖（c）所示，明顯可以看出偏離距離變大，從而改變了傳統銑削過程中工件-刀具的相對運動軌跡。

圖2 振動銑削刀尖軌跡坐標Fig.2 Coordinate of Tool Tops for Vibration Milling

3 試驗及結果討論

由于振動激勵的引入導致工件/刀具的軌跡發生變化，從而改變了原有的切削效果。這里對不同條件下3Cr13不銹鋼加工過程的平均切削力進行分析和討論。

3.1 試驗裝置及方法

試驗在XKA5750/E數控滑枕升降臺銑床上進行，由信號發生器提供低頻振蕩電流，通過激振器將電信號轉化為機械振動，向工件施加激勵帶動工件進行振動，振幅則通過激振器電壓來調節，試驗裝置，如圖3所示。

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Experimental Device

試驗設備簡述如下：

XKA5750/E數控滑枕升降臺銑床，轉速（0～3500）r/min；SANDVIK硬質合金刀具，刀齒數為3，刀片型號為R390-11 T308M-PL 1030；美國VG100M振動測試系統，頻率范圍（0～4500）Hz；勝利VC2002函數信號發生器；固定式（平臺式）Kistler 9139AA測力儀，采樣頻率3000Hz；Kistler 5070電荷放大器。

3.2 實驗結果討論

為探索低頻振動銑削與普通銑削之間的區別，首先研究在這兩種不同銑削條件下銑削力的變化規律，設計本組實驗，如表1所示。

表1 銑削力對比試驗Tab.1 Comperative Test of Milling Force

本組試驗刀具轉動周期為0.06s，如圖4所示中是穩定數據中抽取的兩個周期內的銑削力數據，其中峰值表示刀刃與工件接觸時的銑削力，每個周期有兩個峰值，說明刀具每轉動一圈有兩個刀刃參與了切削，并且第二個峰值比第一個峰值要小。而本試驗所用銑刀為三刃立銑刀，經測量其中兩個刀刃有一定程度的磨損。其中一個是微量磨損，在加工過程參與了切削，但由于刀刃磨損而產生的切削力峰值比正常刀齒產生的小。另一個刀刃磨損程度大，而試驗中每齒進給量最大值為0.02mm，因此該刀刃未參與切削，故在測力儀中不顯示峰值。圖4明顯可以看出振動切削中各方向的力都有不同程度的減小。取銑削過程穩定階段50個周期內的數據進行分析，計算結果，如表2所示。

圖4 雙切削周期內銑削力波形圖Fig.4 Waveform of Milling Force within Double Cutting Cycles

表2 銑削力結果分析Tab.2 Results Analysis of Milling Force

與普通銑削相比較，振動銑削降低了各方向的銑削力。其中X和Y方向的銑削力相比于Z方向變化大，是因為在水平面內沿工作臺進給方向添加了激勵，振動對Z方向的影響較小。低頻振動能夠降低銑削力，并且與振動頻率、電壓、以及主軸轉速有著密切的聯系，為探索以上變量對銑削力的影響，設計試驗，如表3所示。在不同的激振電壓下主軸轉速為1000 r/min，每齒進給量0.01 mm，切削深度為1 mm，切削寬度為2 mm，頻率分別為100、200、300、400 Hz時的銑削力測量數據，如圖5所示。圖中：Fx-垂直于進給方向力；Fy-沿進給方向力；Fz-沿刀具軸向方向力。

表3 單因素試驗條件與結果Tab.3 Conditions and Results of Single Factor Experiment

圖5 激振電壓對銑削力均值的影響Fig.5 The Influence of Excitation Frequency on Average Value Milling Force

可以看出，電壓在（4～6）V時，切削力變化比較穩定，（6～10）V內銑削力變化幅度較大。而頻率為200 Hz時變化明顯，是因為此時激振器向工件傳遞機械振動的絲桿發生了微變形，導致振動方向較進給方向有所偏離。

在切削參數不變的情況下，電壓分別為4、6、8、10V時，頻率對切削力的影響情況，如圖6所示；在頻率100Hz時，產生的銑削力較小；并且電壓為6V時各方向產生的銑削力最為平穩。因此在低頻振動銑削時建議使用頻率100Hz，電壓6V。

圖6 激振頻率對銑削力均值影響圖Fig.6 The Influence of Excitation Voltage on Average Value Milling Force

逆銑與順銑是兩種不同的銑削方式，銑刀的切向方向與工件的進給方向相反稱為逆銑，相同稱為順銑。逆銑時切削寬度從（0～2）mm，產生垂直向上的銑削分力，刀尖有抬起的趨勢；并且刀尖剛開始切入時切削厚度趨近于0，不切削工件而是擠壓，由此產生摩擦力，因此逆銑產生的銑削力比順銑的大。

頻率分別為100、400Hz時在不同振幅下順銑與逆銑時銑削力的動態變化曲線，如圖7所示；可以看出在相同加工條件下，逆銑產生的銑削力要比順銑產生的銑削力大；并且當頻率為100Hz、電壓4V時，順銑與逆銑產生的銑削力比較接近。

圖7 順/逆銑對銑削力均值的影響Fig.7 The Influence of Forward/Reverse Milling on Average Value Milling Force

除了激振器頻率、電壓，主軸轉速對銑削力也存在影響，下面分別討論振動頻率為400Hz、電壓為4V、切深為1 mm；切寬為2 mm時，主軸轉速對銑削力的影響狀況，如圖8所示。

圖8 機床主軸轉速對銑削力均值的影響Fig.8 The Influence of Machine Tool Spindle Speed on Average Value Milling Force

在低頻振動銑削中，銑削力隨主軸轉速的增加成上升趨勢；雖然主軸轉速的增加減小了切削周期，但是本圖數據所取為每次切削過程中穩定階段的50個周期內切削力的平均值，并且本組試驗切削深度為1mm、切削寬度為2mm、每齒進給量為0.01mm，因此切削力值得增加表明每齒所受銑削力的增加；故說明在低頻振動銑削過程中主軸轉速越高產生的銑削力越大。

4 結論

（1）沿進給方向施加脈沖激勵的低頻振動銑削，影響工件-刀具之間的相對運動軌跡，減小了銑削力，并且銑削力大小與順/逆銑、振動頻率、電壓、主軸轉速有關，因此在加工過程中應合理選擇參數。

（2）在相同參數下順銑產生的銑削力比逆銑產生的小，因此在低頻振動銑削中建議采用順銑加工。

（3）實驗結果表明當激振頻率在（100～400）Hz之間時，銑削力先增大后減小，但是在100Hz時對應的銑削力最小；激振電壓對銑削力影響規律不顯著，但是在電壓為6V時對應最小銑削力；銑削力隨主軸轉速的增加呈上升趨勢。