立銑刀斷屑槽對切削性能影響規(guī)律試驗研究

戴磊，劉志剛，常文君，周宏根，李國超，錢冬清

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.中國船舶集團有限公司，北京 100097；3.杭州優(yōu)邁科技有限公司，浙江杭州 310000)

0 前言

隨著機械加工工業(yè)的快速發(fā)展，切削加工作為機械加工的重要環(huán)節(jié)[1]，也受到了更廣泛的關(guān)注。隨著各種工業(yè)材料的更新和發(fā)展,復合材料、鎳基合金、鈦合金等具有高性能的材料愈來愈廣泛運用于生活。加工對象的多元化，也給切削加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2]。

整體式立銑刀因為具有良好的切削加工性能，被廣泛應(yīng)用于船舶制造、航空航天、汽車制造和模具加工等行業(yè)，尤其是零件表面較為復雜的高速高精度加工。切削加工過程本質(zhì)上就是材料去除的過程，而這個過程都是由加工刀具完成的[3]。機械加工刀具性能的優(yōu)劣，決定加工質(zhì)量與效率。尤其是在合金材料廣泛使用的現(xiàn)代社會，刀具的重要性不言而喻。國際生產(chǎn)工程科學院(CIRP)的一項研究報告指出：對刀具材料進行優(yōu)化，可以使刀具的最大切削速度在每隔10年就提高1倍左右；對刀具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，刀具的使用壽命每隔10年可以提高2倍左右[4]。因此，依據(jù)刀具加工特性，對刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，可以有效提升刀具整體加工性能[5]。

在銑刀設(shè)計中，斷屑的設(shè)計與制定是技術(shù)難點，也是影響刀具切削性能的重要環(huán)節(jié)。刀具斷屑槽的設(shè)計是為了控制切屑折斷，其效果將直接影響零件的生產(chǎn)率、加工質(zhì)量、設(shè)備及技術(shù)人員的安全[6]。為了能夠獲得良好的斷屑性能，許多專家研究出了很多改善斷屑效果的方法和設(shè)備，而其中設(shè)計斷屑槽是最簡易、最經(jīng)濟的方法。斷屑槽的原理是切屑受沖擊、擠壓變形后的應(yīng)變大于或等于材料本身的斷裂應(yīng)變和基于材料的加工硬化原理[7]。設(shè)計出合適的斷屑槽可對切屑流向、卷曲半徑和斷屑時間進行有效控制，可以保證加工工件質(zhì)量、加工效率和精度，還可以控制機床和工件振動、降低切削溫度[8]。斷屑槽因斷屑性能良好，在切削加工中有著不可或缺的作用[9]。

本文作者提出一種以多因素交叉分組試驗為基礎(chǔ)，能夠方便快捷并準確地獲取整體式立銑刀切削加工特征參數(shù)的析因試驗法，旨在避免復雜的解析計算和試驗次數(shù)的增加，解決銑削加工特征參數(shù)選取的問題。該方法直接根據(jù)斷屑槽在刀具上的不同分布，通過銑削試驗獲得切削加工過程中具有代表性的特征參數(shù)，對特征參數(shù)進行處理分析，可為研究斷屑槽結(jié)構(gòu)對刀具銑削性能的影響提供參考。

1 試驗設(shè)計

為研究斷屑槽分布數(shù)量對于刀具銑削性能的影響，通過銑削試驗研究兩把斷屑槽不同分布的銑刀性能差異。試驗所用儀器和刀具如圖1所示，試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

銑削試驗在三軸聯(lián)動立式加工中心VMC-860上進行。試驗中，使用瑞士Kistler9129A測力儀實時采集銑削過程中x、y和z方向上的銑削力，整套測力儀主要包括測力臺、振動采集裝置以及電荷放大器，如圖3所示。測力儀的測量范圍為±10 kN，精度為0.001 N，采樣頻率設(shè)置為50 kHz。利用Kistler IEPE振動傳感器實時采集斷屑槽銑刀切削加工中的振動信號。

試驗用工件為鋁合金Al7050、鈦合金TC4以及42CrMo鋼3種材料制成。加工時設(shè)定銑削軸向切深ap=4 mm不變，采用順銑、干式切削方式。如圖4所示，兩把刀具在同一個工件上走刀位置成軸對稱分布。每把刀具除第一次走刀切除全部，往后每次走刀均比前一次少進給10 mm，以此保留各工藝參數(shù)下的已加工表面。同時，單次切削結(jié)束后，利用收納盒收集切屑用于后續(xù)的分析。

由于對銑削性能的影響因素眾多，故采用析因試驗方法,分析轉(zhuǎn)速n、每齒進給量fz以及徑向切深ae對銑削力和振動的影響。具體因素以及水平設(shè)置如表1所示。正交試驗表如表2所示。

表1 正交試驗因素及水平

表2 正交試驗表

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力信號分析

在Kistler9129A測力儀所采集到的典型銑削力信號數(shù)據(jù)中取50組峰值求平均值作為該銑削力的樣本數(shù)值，分為x、y、z3個方向的力，結(jié)果如表3—表5所示。可知:兩把銑刀在加工42CrMo鋼時的銑削力總體上大于銑削鋁合金Al7050以及鈦合金TC4。這是因為被加工材料硬度高，導致切削時工件的剪切變形抗力增大，故而使得銑削力變大。

表3 銑削不同材料時x方向的銑削力 單位：N

表4 銑削不同材料時y方向的銑削力 單位:N

表5 銑削不同材料時z方向的銑削力 單位:N

2.2 振動信號分析

實際銑削加工中利用振動傳感器采集到的振動信號，會因為加工環(huán)境、采集設(shè)備參數(shù)設(shè)置等問題而摻雜了許多無用信號，所以必須對所得數(shù)據(jù)進行預處理后才能進行有效分析。對于斷屑槽銑刀銑削試驗所采集到的振動信號，進行無效值剔除、降采樣、小波分析降噪這3項預處理操作。

(1)無效值剔除

圖5所示為斷屑槽銑刀銑削加工鋁合金材料Al7050試樣時所采集到的振動信號時域波形。圖(a)中，a1、a2以及a3段是為了數(shù)據(jù)完整性，在銑削加工結(jié)束后采集的一段時間內(nèi)的振動信號數(shù)據(jù)，其中：a1段數(shù)據(jù)對應(yīng)切削剛結(jié)束時；a2段對應(yīng)數(shù)控加工中心工作臺外移，準備收集切屑；a3段對應(yīng)工作臺外移結(jié)束后狀態(tài)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)采集的數(shù)據(jù)。故而將a1、a2以及a3段數(shù)據(jù)作為無效數(shù)據(jù)剔除。圖(b)為剔除無效值以后的振動-時間波形。

(2)降采樣

銑削試驗中，振動信號采樣頻率為5 kHz，單次切削后所采集到的數(shù)據(jù)約為10萬個。總體數(shù)據(jù)量較大，如果將全部數(shù)據(jù)都用于后續(xù)分析，會導致效率低下。同時，傳感器采集到的大量冗余數(shù)據(jù)對于后期分析的準確性無益。本文作者為提高分析效率，在保證反映斷屑槽銑刀銑削加工全部信息的前提下，對采集到的原始數(shù)據(jù)進行降采樣操作。降采樣比例為1/100，單個信號的數(shù)據(jù)量縮減到約1 000個。圖5(c)所示為圖5(b)中數(shù)據(jù)進行降采樣操作后的信號曲線?？梢钥闯鼋挡蓸右院蟮臄?shù)據(jù)分布稀疏，但是同樣包含加工時間的全部信息，有利于加快后期分析的速度。

(3)小波分解降噪

經(jīng)過前面兩項處理后的振動數(shù)據(jù)信號已經(jīng)基本達到使用標準，但是由于銑削加工現(xiàn)場的工作環(huán)境以及振動測量系統(tǒng)設(shè)備復雜、接線較多等原因，采集到的振動信號中含有大量的噪聲信號，會造成信號分析出現(xiàn)偏差，降低分析結(jié)果的可信度。

利用傳感器采集到的信號數(shù)據(jù)都是由有效信號和噪聲信號疊加而成，所以在信號分析時，通常都要對所得信號進行降噪處理。本文作者利用小波分析法對振動信號進行降噪處理。

在小波分析中，涉及到近似分量和細節(jié)分量。其中，近似分量可以反映出信號中的高頻信息，而噪聲的能量主要集中在小波分析中的細節(jié)分量內(nèi)。小波降噪的主要目標是將高頻成分中的噪聲過濾掉，同時保留原始信號的真實值，達到降噪的目的。小波降噪的方法主要分為小波分解與重構(gòu)方法、閾值降噪法和模極大值降噪法等。小波閾值降噪過程如圖6所示，降噪效果受到小波基類型、分解層數(shù)、閾值規(guī)則等參數(shù)選擇的影響。

采用小波基為“dB5”，分解層數(shù)為6 的統(tǒng)一設(shè)置，對振動信號進行降采樣。降采樣處理后的振動信號如圖5所示。使用降采樣法得到的真實信號效果較好，在進行后續(xù)特征提取操作時，準確性可得到保證[12]。

經(jīng)過處理后得到各加工狀態(tài)的振動數(shù)據(jù)如表6、表7所示。

由表6、表7可知:在同樣銑削工藝參數(shù)下，加工鋁合金Al7050、鈦合金TC4以及42CrMo鋼時，2號銑刀振動均值均小于1號銑刀。這是因為1號銑刀斷屑槽數(shù)量較多，在加工時，由原本一個完整的刀刃分解成多個短刃進行切削，形成的切屑在刀具軸向上并不連續(xù)，刀刃與工件之間的相互擠壓和銑削加工的斷續(xù)性使得切削穩(wěn)定性較差[13]。同時，刀具開有多個斷屑槽，刀刃結(jié)構(gòu)的不完整性對刀具自身力學性能影響較大。2號銑刀因為斷屑槽數(shù)量較少，切屑連續(xù)性較好，故而振動較小。

表6 試驗各工況下不同刀具振動幅值均值 單位:m·s-2

表7 試驗各工況下不同刀具振動幅值均方根值 單位：m·s-2

2.3 切屑形貌分析

本文作者研究斷屑槽銑刀切削性能的差異，切屑是反映刀具切削時狀態(tài)的重要指標之一。

由圖7—圖9可知：因為1 號銑刀斷屑槽較多，切屑呈現(xiàn)出碎屑狀，無法連成片；1號銑刀切削42CrMo鋼產(chǎn)生的切屑呈現(xiàn)出灼燒痕跡，切削時溫度過高。在切削3種不同材料時，切削鋁合金Al7050產(chǎn)生的切屑卷曲半徑大于切削鈦合金TC4以及切削42CrMo鋼時產(chǎn)生的切屑卷曲半徑，這是因為鋁合金硬度最低。

2.4 已加工表面質(zhì)量分析

已加工表面質(zhì)量指的是工件經(jīng)過加工后的表面層狀態(tài)，它常常影響工件的使用性能。文中研究兩種不同槽型分布數(shù)量的斷屑槽銑刀切削性能差異，故而銑削加工表面質(zhì)量也是重要的評價標準之一。鋁合金Al7050、鈦合金TC4、42CrMo鋼材料已加工表面分別如圖10—圖12所示。

由圖10—圖12可知：1號銑刀因斷屑槽分布較為密集，使得已加工表面留有很多小凸筋，材料去除率較低，表面粗糙度較高；2號銑刀因斷屑槽分布稀疏，切削時，后一刀齒可以完整切去前一刀齒未能去除的部分，材料去除量較大，故而沒有形成凸筋，表面粗糙度較低；1號銑刀切削時，42CrMo鋼已加工表面較鋁合金Al7050和鈦合金TC4已加工表面粗糙度大；當轉(zhuǎn)速n增加時，42CrMo鋼的表面粗糙度降低。這是因為當轉(zhuǎn)速n增大時，切削速度也隨之增大，工件的塑性變形較小，從而降低了表面粗糙度。

3 結(jié)語

通過Kistler測力儀、Kistler IEPE振動傳感器采集兩把具有同一結(jié)構(gòu)且分布數(shù)量不同的斷屑槽銑刀切削過程中的力信號、振動信號，并對已加工工件表面質(zhì)量進行分析，研究其對于刀具切削性能的影響。

(1)斷屑槽布置密集時，對刀具力學性能影響較大，工件已加工表面粗糙度大，材料去除率較低，因此更適合于精度要求不高的粗加工。

(2)斷屑分布稀疏時，材料去除量大，表面粗糙度較低。同時刀具切削時振動小，銑削穩(wěn)定性較好，適合于精度要求較高的半精加工。

當進給量增大時，切削力也隨之增大，工件的塑性變形小，工件表面粗糙度較低。故而在文中的研究范圍內(nèi)，對表面質(zhì)量影響較大的是斷屑槽分布和進給量。研究結(jié)果可為整體式立銑刀斷屑槽結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考。