小直徑銑刀銑削淬硬鋼深窄型腔的實(shí)驗(yàn)研究

張忠南，陳遠(yuǎn)玲，胡映寧，鄧敏和

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西南寧530004）

近十幾年來(lái)，采用高轉(zhuǎn)速、小切深、快進(jìn)給方式高速銑削硬材質(zhì)零件的技術(shù)，日益受到重視，成為硬材質(zhì)工件高效加工的又一新生技術(shù)。淬硬鋼是模具常用的材料，其延伸率小，塑性低，易于形成光潔的表面，但硬度高，切削性能差，特別是在加工具有深腔或窄槽的模具時(shí)，采用小直徑銑刀進(jìn)行高速銑削，刀具非正常破損問(wèn)題尤為嚴(yán)重。消除刀具的非正常破損，是生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)外一些學(xué)者，對(duì)淬硬鋼高速切削過(guò)程中的切削力特征、刀具材料、切屑形成機(jī)理、刀具磨損、破損機(jī)理、加工表面品質(zhì)、刀具壽命等進(jìn)行了研究，但所得結(jié)論大多限于直線(xiàn)切削的實(shí)驗(yàn)，且刀具直徑多在Ф 8 mm 以上[1~3]。

在國(guó)內(nèi)，潘建新、馬曉云等學(xué)者，對(duì)淬硬鋼高速銑削進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，刀具直徑在Ф 6 mm以上[4~6]。

本課題組對(duì)用小直徑銑刀對(duì)淬硬鋼進(jìn)行銑斜面、拐角的動(dòng)力特性和表面品質(zhì)等，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和仿真研究，獲得了一些優(yōu)化的切削參數(shù)[7~10]。

本文主要研究在用不同的切削參數(shù)、走刀方式時(shí)，對(duì)淬硬鋼深窄型腔切削力和振動(dòng)的影響規(guī)律，為優(yōu)化小直徑銑刀銑削高硬材料模具深窄型腔的工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用單因素法，研究小直徑銑刀加工S136模具鋼型腔時(shí)，切削深度（Ad）、切削速度(Vc)、進(jìn)給速度(fz)、螺旋下刀半徑(R)、螺旋角(α)、走刀方式等，對(duì)切削力的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件表

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果分析

2.1 切削速度對(duì)切削力和振動(dòng)的影響

實(shí)驗(yàn)采用的切削參數(shù)如表2所示。通過(guò)固定切削深度和進(jìn)給速度，改變切削速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表2 改變切削速度實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖2 切削速度和切削力的關(guān)系

由圖2可以看出，隨著切削速度的增加，徑向力Fx和Fy變化不大，而軸向力Fz隨切削速度的增大而減小。

圖3 切削速度與振動(dòng)主峰值的關(guān)系

由圖3可以看出，在切削速度小于30 m/s時(shí)振動(dòng)信號(hào)較弱，而當(dāng)切削速度為40 m/s時(shí)振動(dòng)明顯增大。

綜合考慮切削速度對(duì)切削力和振動(dòng)的影響，選擇切削速度在30 m/s左右比較好。

2.2 切削深度對(duì)切削力和振動(dòng)的影響

實(shí)驗(yàn)采用的切削參數(shù)如表3所示。通過(guò)固定切削速度和進(jìn)給速度，改變切削深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表3 改變切削深度試驗(yàn)參數(shù)表

圖4 軸向切深和切削力的關(guān)系

由圖4可以看出，隨著切削深度的增加，切削力變大。

圖5 切削深度與振動(dòng)主峰值的關(guān)系

通過(guò)對(duì)圖5的分析可知，振動(dòng)頻率主要分布在低頻（273 Hz）、中頻（1 728 Hz）附近，在切深A(yù)d=0.10 mm時(shí)，振動(dòng)功率很大，隨著切深的增加，振動(dòng)功率變化不大。

2.3 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力和振動(dòng)的影響

實(shí)驗(yàn)采用的切削參數(shù)如表4所示。通過(guò)固定切削速度和切削深度，改變進(jìn)給速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表4 改變每齒進(jìn)給量實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖6 每齒進(jìn)給量和切削力的關(guān)系

圖7 每齒進(jìn)給量與各振動(dòng)主峰值的關(guān)系

由圖6、圖7可見(jiàn)，隨著每齒進(jìn)給量的增加，各向切削力變大，且在fz=0.02 mm時(shí)，有較大的振動(dòng)，在加工時(shí)應(yīng)避開(kāi)此范圍。

2.4 進(jìn)刀螺旋角的對(duì)切削力和振動(dòng)的影響

此組實(shí)驗(yàn)采用的切削參數(shù)如表5所示。通過(guò)固定切削速度、進(jìn)給速度、螺旋半徑、螺旋角，改變切削深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表5 改變螺旋下刀角度試驗(yàn)參數(shù)表

圖8 螺旋角和切削力的關(guān)系

圖9 下刀螺旋角與振動(dòng)主峰值的關(guān)系

由圖8、圖9可見(jiàn)，隨著進(jìn)刀螺旋角的增大，切削力有明顯增大的趨勢(shì)，而振動(dòng)信號(hào)隨著螺旋角的增大而減小，綜合考慮，螺旋角α在30°～45°左右較合適。

2.5 進(jìn)刀螺旋半徑對(duì)切削力和振動(dòng)的影響

此組實(shí)驗(yàn)采用的切削參數(shù)如表6所示。通過(guò)固定切削速度、進(jìn)給速度、切削深度，改變螺旋半徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表6 改變螺旋半徑試驗(yàn)參數(shù)表

圖10 下刀螺旋半徑和切削力的關(guān)系

圖11 螺旋半徑與振動(dòng)主峰值的關(guān)系

根據(jù)CAM軟件給出的取值范圍，刀具分別按表6給出的半徑螺旋切入工件，由圖10可見(jiàn)，隨著螺旋半徑的增大，切削力有減小的趨勢(shì)，但在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)變化不明顯。由圖11可知，主峰頻率主要分布低頻（273 Hz）、中頻（1 728 Hz）附近，隨著螺旋半徑變大，振動(dòng)有所增加。在實(shí)際的高速加工中，可選用較小的螺旋半徑，以提高切削效率。

2.6 走刀方式對(duì)刀具的沖擊振動(dòng)影響

由圖12可見(jiàn)，切削過(guò)程中，刀具在螺旋下刀到完全切入工件材料的一瞬間，或環(huán)形走刀時(shí)，受力出現(xiàn)峰值，刀具受到非常明顯的沖擊力，且最大受力出現(xiàn)在軸向；故在實(shí)際的切削過(guò)程中，在切入工件的瞬間，都要做適當(dāng)?shù)臏p速處理或者對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化處理。進(jìn)刀后軸向所受的力Fz大大減小，徑向力波動(dòng)較大，刀具受力不平穩(wěn)。擺線(xiàn)式走刀與環(huán)形走刀相比，其切削力明顯要小，而且比較平穩(wěn)。

圖12 切削力原始曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

以擺線(xiàn)式走刀加工模具腔體時(shí)，切削力隨著軸向切削深度和每齒進(jìn)給量的增大而增大，隨切削速度的增大而減小，因此可考慮通過(guò)增大切削速度來(lái)提高生產(chǎn)率。

刀具螺旋切入工件時(shí)，螺旋半徑對(duì)切削力影響很小，而切入時(shí)切削力峰值，隨著螺旋角的增大而增大，實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋角取30°～45°較合適。

不同的走刀方式，對(duì)切削力有較明顯的影響。擺線(xiàn)式走刀，是一種較優(yōu)的高速銑削走刀方法。

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