微細(xì)立銑削切削振動(dòng)試驗(yàn)研究*

馬利杰 王西彬 馮啟高 王文龍

(①河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003;②北京理工大學(xué)，北京 100081)

當(dāng)前，產(chǎn)品小型化已經(jīng)成為一種全球化趨勢(shì)。微小型結(jié)構(gòu)件是小型化產(chǎn)品的重要構(gòu)成元件，微細(xì)切削是其主要加工工藝方法。微細(xì)立銑削是微細(xì)切削的重要組成部分，特別適合于加工微小型框架、溝槽、薄壁、腔體、柱體、陣列等，通過(guò)球頭立銑刀和多軸聯(lián)動(dòng)，還可加工三維自由曲面，加工能力強(qiáng)，是目前最主要的微細(xì)切削工藝［1－3］。

自上世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開(kāi)展微細(xì)立銑削的基本機(jī)理和應(yīng)用基礎(chǔ)方面的深入研究。Weule［4］在超精密加工機(jī)床上對(duì)SAE1045鋼進(jìn)行了不同溫度下微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，并對(duì)最小切削厚度進(jìn)行了估算。德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)Schmidt等人［5］進(jìn)行了熱處理工具鋼(硬度為42～56 HRC)的微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，研究表明:直徑φ22 μm的微細(xì)立銑刀的切削總路程達(dá)到8 mm時(shí)，刀具即發(fā)生疲勞失效。美國(guó)佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué) I.N.Tansel等人［6］研究了微細(xì)立銑削中微徑刀具的失效與切削力特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。廣東工業(yè)大學(xué)王成勇等［7］研究了直徑φ2 mm的立銑刀高速銑削石墨電極時(shí)的磨損狀況，結(jié)果表明:微小銑刀的主要失效形態(tài)包括后刀面磨損、前刀面磨損、微碎裂和破損。北京理工大學(xué)劉志兵等［8］開(kāi)展了微細(xì)立銑削工藝應(yīng)用研究，并取得了較好的效果。

由于微細(xì)立銑削的切削區(qū)域小、刀具剛性差、載荷波動(dòng)大、刀具變形嚴(yán)重等，與大直徑立銑刀銑削相比，其振動(dòng)特性更復(fù)雜，對(duì)加工質(zhì)量的影響也更突出。因此，本文主要圍繞微細(xì)立銑削的切削振動(dòng)開(kāi)展研究。

1 試驗(yàn)條件

圖1為試驗(yàn)裝置圖，在SYIL S7數(shù)控銑床上進(jìn)行直槽銑削加工，通過(guò)DASP切削振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)切削振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集分析。刀具為φ2 mm超微粒鎢鋼鍍膜兩刃平頭立銑刀，其中 WC、Co的含量分別為90%和10%，合金晶粒度0.6 μm，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為2 mm×6 mm×50 mm×4 mm(切削部直徑×切削部長(zhǎng)度×總長(zhǎng)×夾持部直徑)，螺旋角為35°;工件材料為45鋼;潤(rùn)滑方式為干切削。

2 微細(xì)立銑削切削振動(dòng)的基本特性

2.1 振動(dòng)加速度的基本特征

圖2為微細(xì)立銑削的切削振動(dòng)全程波形圖和頻譜圖，切削參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速n=9 000 r/min，進(jìn)給量f=80 mm/min(即每齒進(jìn)給量fz=4.44 μm/齒)，軸向切深H=0.6 mm，進(jìn)行直槽銑削加工。圖2a表明了振動(dòng)加速度隨著加工時(shí)間推移的瞬時(shí)變化波形，圖2b表示穩(wěn)定切削階段不同頻率成分下的切削振動(dòng)的幅值大小。通道［1］、［2］和［3］分別表示進(jìn)刀方向X、槽寬方向Y(垂直于進(jìn)刀方向)和銑刀軸向Z的波形和頻譜。

根據(jù)圖2a，立銑削的各方向的振動(dòng)加速度都可以看成是由靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量?jī)刹糠纸M成的瞬時(shí)波形，靜態(tài)分量是指切削振動(dòng)中相對(duì)比較穩(wěn)定的成分，其大小近似等于振動(dòng)加速度的平均值;動(dòng)態(tài)分量是由刀具的破損、工件材質(zhì)不均勻以及切削面積瞬時(shí)變化等原因而造成的振動(dòng)加速度的瞬時(shí)波動(dòng)量。試驗(yàn)結(jié)果表明:由于微徑立銑刀的直徑小、剛性差，即使在同樣的切削工況下，微細(xì)立銑削比大直徑立銑刀加工時(shí)具有更大的振動(dòng)加速度，尤其是振動(dòng)加速度的動(dòng)態(tài)分量要大很多。因此，微細(xì)立銑削時(shí)，銑刀直徑越小，切削振動(dòng)對(duì)刀具壽命和工件加工質(zhì)量的影響也更顯著。

根據(jù)圖2b，各方向振動(dòng)加速度的前兩階主頻完全相同，分別為270 Hz和1 340 Hz，其分別對(duì)應(yīng)于銑削頻率及其5倍頻;由于結(jié)構(gòu)和剛性不同，各方向的3～5階主振頻率稍有不同，但大都為切削頻率的倍頻。從而表明:銑削參數(shù)是振動(dòng)加速度的主要影響因素。

2.2 振動(dòng)位移量的基本特征

圖3是圖2對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移量，即圖2所表達(dá)的是振動(dòng)加速度波形經(jīng)過(guò)二次積分變換后所得到的位移波形，反映了立銑刀在三個(gè)方向上的瞬時(shí)偏移量大小，通道［1D］、［2D］和［3D］的振動(dòng)位移量分別與銑刀在進(jìn)刀方向(X方向)上的彎曲變形量、槽的擴(kuò)張量和槽深變化量成正比。因此，可以利用振動(dòng)位移量來(lái)評(píng)價(jià)立銑刀的彎曲變形和槽的尺寸精度(包括槽的寬度和深度尺寸)的大小。

根據(jù)圖2a和圖3a，振動(dòng)位移量與振動(dòng)加速度的變化規(guī)律并不相同。圖2a中三個(gè)方向上振動(dòng)加速度由大到小依次為:Y方向＞X方向＞Z方向，而圖3a中除了X方向的局部振動(dòng)位移量較大之外，其余時(shí)間三個(gè)方向的振動(dòng)位移量大致相當(dāng)，這說(shuō)明:切削過(guò)程在進(jìn)刀方向(X方向)不穩(wěn)定，微徑銑刀產(chǎn)生了較大的彎曲擺動(dòng)，當(dāng)彎曲變形量超過(guò)一定限度，就能夠使刀具沿著進(jìn)給方向出現(xiàn)彎曲折斷;而在Y方向和Z方向切削比較穩(wěn)定。振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移量之所以有不同的變化規(guī)律，可以從兩者的幅值譜中找到答案。根據(jù)圖3b:振動(dòng)位移量的前4階主振頻率主要是一些低頻成分，這個(gè)頻段主要來(lái)自于與切削條件(尤其是切削阻尼)有關(guān)因素的影響;而銑削參數(shù)只是振動(dòng)位移量的次要影響因素(對(duì)應(yīng)于3b中270 Hz的波峰)。

3 銑削參數(shù)對(duì)振動(dòng)加速度和位移量的影響

3.1 銑削參數(shù)選擇

銑削參數(shù)如表1所示，表中加下劃線的參數(shù)為固定參數(shù)。采用單因素試驗(yàn)法，固定兩個(gè)切削參數(shù)不變，改變第三參數(shù)，觀察其對(duì)X、Y和Z方向振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移量的影響規(guī)律。

表1 銑削參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4～6分別為直槽微細(xì)立銑削時(shí)振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移量隨銑削參數(shù)(軸向切深H、進(jìn)給量f和主軸轉(zhuǎn)速n)的變化趨勢(shì)圖。從圖4～6中可以看出:

(1)無(wú)論銑削參數(shù)如何變化，振動(dòng)加速度從大到小總是依次為Y方向＞X方向＞Z方向。從而表明:水平方向(X、Y方向)的振動(dòng)加速度明顯大于銑刀軸線方向(Z方向)，且槽寬方向(Y方向)的振動(dòng)加速度大于進(jìn)刀方向(X方向)，這是由于微徑銑刀的徑向剛度遠(yuǎn)小于軸向剛度，且立銑刀在槽寬方向承受的載荷比進(jìn)刀方向承受的載荷穩(wěn)定性差的緣故。

(2)振動(dòng)加速度隨3個(gè)銑削參數(shù)增加都呈上升趨勢(shì)，但軸向切深H和主軸轉(zhuǎn)速n對(duì)振動(dòng)加速度的影響比進(jìn)給量f顯著;當(dāng)軸向切深增加到一定值后，振動(dòng)加速度基本保持不變;較低轉(zhuǎn)速切削時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)加速度的影響也比較小。

(3)隨著銑削參數(shù)的改變，振動(dòng)位移量與振動(dòng)加速度的變化趨勢(shì)并不相同，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，X、Y、Z這3個(gè)方向上的振動(dòng)位移量大致相當(dāng)，在一定的范圍內(nèi)，增大主軸轉(zhuǎn)速n能使振動(dòng)位移量加大，增大軸向切深H能夠減小振動(dòng)位移量的大小。因?yàn)閷?duì)于特定工件的加工，軸向切深一般不易選擇，所以為了降低微徑銑刀發(fā)生彎曲折斷的概率和提高尺寸精度必須選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在相同的加工工況下，微細(xì)立銑削的切削振動(dòng)遠(yuǎn)大于大直徑銑刀銑削的情況，其對(duì)刀具壽命和加工質(zhì)量的影響也更顯著。直槽立銑削時(shí)，由于3個(gè)方向上刀具剛度和切削負(fù)荷的差異，水平方向的振動(dòng)加速度明顯大于銑刀軸線方向，且槽寬方向的振動(dòng)加速度大于進(jìn)刀方向。

(2)銑削參數(shù)是影響微細(xì)立銑削切削振動(dòng)的主要因素，振動(dòng)加速度隨3個(gè)銑削參數(shù)的增加都呈上升趨勢(shì)，但軸向切深H和轉(zhuǎn)速n對(duì)振動(dòng)加速度的影響比進(jìn)給量f更顯著。

(3)與振動(dòng)加速度不同，銑削參數(shù)只是振動(dòng)位移量的次要影響因素，其主要影響因素來(lái)自于切削條件(尤其是切削阻尼)方面的原因。直槽立銑削時(shí)，X、Y、Z這3個(gè)方向上的振動(dòng)位移量大致相當(dāng)，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，減小主軸轉(zhuǎn)速n和增大軸向切深H能夠減小振動(dòng)位移量的大小，從而能夠減少立銑刀發(fā)生彎曲折斷的概率和提高槽的尺寸精度。

［1］于同敏，宮德海.微型磨具制造技術(shù)研究與發(fā)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16(2):179 －183.

［2］Friedrich C，Coane P，Goettert J.Direct fabrication of deep x－ray lithography mashks by micromechanical milling［J］.Precision Engineering，1998(22):164 －173.

［3］Sawada K，Odaka S，Kawai T.Manufacture of diffraction grating on tiny parts by means of ultraprecision milling［J］.Microsystem Technologies，1999(5):157－160.

［4］Weule H，Huntrup V，Tritschle H.Micro－cutting of steel to meet new requirements in miniaturization［J］.Annals of the CIRP，2001(50):61－64.

［5］Schmidt J，Tritschler H.Micro cutting of steel［J］.Microsystem Technologies，2004(10):167－174.

［6］Tansel I N，Arkan T T，Bao W Y.Tool wear estimation in micro－machining［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture 2000，40:599 －620.

［7］Zhou L，Wang C Y，Qin Z，et al.Wear Characteristics of Micro－ end mill in high － speed milling of graphite electrode［J］.Key Engineering Materials，2004，259 －260:858 －863.

［8］劉志兵.微小型結(jié)構(gòu)件的微細(xì)切削工藝基礎(chǔ)研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2006.7.