鋁合金銑削力和溫度場的試驗研究*

仇 健 李健康

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鋁合金銑削力和溫度場的試驗研究*

仇 健1李健康2

(1.沈陽機床(集團)有限責(zé)任公司國家重點實驗室 沈陽 110142；2.中捷機床有限公司 沈陽 110142)

應(yīng)用測力儀和紅外熱像儀對鋁合金切削過程中的切削力和溫度信號進(jìn)行了測試，建立了硬質(zhì)合金立銑刀切削鋁合金的銑削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，可以有效地指?dǎo)生產(chǎn)，合理選擇切削工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，銑削溫度隨切削參數(shù)變化趨勢與銑削力同步。切屑的長度、圓弧半徑、厚度分別受切削深度、切削速度以及每齒進(jìn)給量影響而使切屑呈現(xiàn)不同形態(tài)。立銑刀在切削鋁合金時除切削作用外，還伴隨較為嚴(yán)重的塑性變形。另外，分析了切削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響。

立銑刀 切屑 切削熱 銑削力 三維表面形貌

前言

切削力和切削溫度是金屬切削過程中兩個重要過程量[1]，對研究切削機理、評價機床和刀具的切削性能、計算能耗、優(yōu)化切削參數(shù)、設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)都有重要指導(dǎo)意義。另外，這兩個參數(shù)還可以作為監(jiān)測切削異常、診斷機床故障的依據(jù)。

硬質(zhì)合金因其硬度高、韌性好和良好的高溫硬度等特性使之在金屬加工中得到了廣泛應(yīng)用。這里對硬質(zhì)合金立銑刀切削鋁合金時的銑削力和銑削溫度進(jìn)行組合試驗研究。關(guān)注切削用量對切削力、刀具系統(tǒng)溫度場分布以及刀具切削性能的影響程度，并建立雙齒硬質(zhì)合金立銑刀切削7075鋁合金時的切削力模型。

1 銑削力和銑削溫度試驗

試驗在VMC0656mu五軸高速加工中心上進(jìn)行，該機床采用高速電主軸，最高轉(zhuǎn)速2 400 rpm，工作臺采用雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，臺面直徑400 mm，X、Y、Z行程600、560、450 mm，X、Y、Z軸快移速度40 m/min，定位精度X、Y、Z軸0.008 mm，重復(fù)定位精度X、Y、Z軸0.005 mm。具有高速、高加速度、高剛性、高精度等特點，可在單位時間內(nèi)實現(xiàn)高速切削，而且可獲得高表面質(zhì)量。

Ф10硬質(zhì)合金立銑刀，刀具螺旋角35°，刀柄長60 mm，切削刃長40 mm。工件材料為7075鋁合金，理想性能見表1。

試驗采用Kistler 9265B三向切削力測力儀；Kistler 5070電荷放大器；DynoWare數(shù)據(jù)分析軟件。ThermoVision A40 M紅外熱像儀，非制冷焦平面微熱量探測器, 靈敏度范圍7.5～13 mm，可探測到0.08℃的溫度變化。切削力測試系統(tǒng)及各測試儀器布置如圖1所示。

表1 7075鋁合金的力學(xué)性能

圖1 試驗裝置布置圖

試驗參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速(r/min)，切削深度a(mm)，每齒進(jìn)給量(mm)，具體如表2所示，其中，第1組實驗為機床空轉(zhuǎn)實驗。

刀具每轉(zhuǎn)歷時60，單位s。因此，各試驗中刀具完成每轉(zhuǎn)切削所需時間為表中列。依據(jù)參數(shù)可以由每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速計算得到進(jìn)給速度f(mm/min)。

2 銑削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ图胺治?/h2>

理論切削力模型將切削刃沿軸線劃分為許多個切削微元，并將作用在微元上的力分解為切向、徑向和軸向三方向切削力，采用幾何分析法判斷刀刃微元在任意時刻是否參與切削[2]。但是在實際生產(chǎn)中理論切削力模型往往受各種條件制約而不具有通用性，重新修改模型參數(shù)較耗時，不修改則易導(dǎo)致不同切削工藝參數(shù)變化后，模型的預(yù)測精度下降。CIRP在96～97年對55個研究團隊針對加工過程建模調(diào)研發(fā)現(xiàn)：43%為經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?2%為分析模型，25%為有限元模型[3]?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)Ｐ透m用于生產(chǎn)實際。因此，基于切削力(負(fù)載)和切削用量間的經(jīng)驗關(guān)系，建立如式(1)形式的切削力經(jīng)驗表達(dá)式，往往是知道生產(chǎn)的切實有效的方式。

試驗中各試驗參數(shù)測得的切削力和溫度值如表2中x，y，z，和所示。

表2 正交試驗參數(shù)及切削力和穩(wěn)定統(tǒng)計表（室溫12.2℃）

依照式（1）方法對切削力的測量值計算得到切削力指數(shù)形式經(jīng)驗公式[4]：

切削力合力表述式：

圖2為各參數(shù)條件下以刀具旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，三向力為縱坐標(biāo)獲得的切削力信號。由此可知，轉(zhuǎn)速大時向力最大，其次是向力，該兩方向力基本處于同一量級，而向力最小。和兩向周期基本一致，而向并未體現(xiàn)出明顯的周期性，表現(xiàn)比較隨機。

可以看出轉(zhuǎn)速在5000 r/min時兩個刀齒所受和向切削力規(guī)律和力值基本相同，并且臨轉(zhuǎn)體現(xiàn)明顯的周期性；在轉(zhuǎn)速8000 r/min時臨轉(zhuǎn)也體現(xiàn)出明顯的周期性，但兩個刀齒在同一周期內(nèi)的和向受力大小有所區(qū)別。=0.05 mm/r時向力無明顯規(guī)律性，而=0.1 mm/r時規(guī)律性較強。另外，和兩向力的相位相差90℃，這與使用雙刃銑刀切削有關(guān)。

由于立銑刀在方槽切削中銑刀走橫邊和縱邊時的切削進(jìn)給方向不固定，切削力分力方向隨著刀具位置變化，因此圖2中X和Y向切削力信號可得出：沿進(jìn)給方向的切削力值始終大于垂直進(jìn)給方向的切削力值，徑向力明顯大于軸向力。

3 銑削溫度正交實驗分析

圖3和圖4分別為銑削試驗后刀具系統(tǒng)紅外熱圖像和溫度三維溫度場分布圖，可見，剛結(jié)束切削時刀尖點的溫度仍然是刀具系統(tǒng)溫度最高處，其次是刀柄。

圖3 刀具熱圖像

圖4 刀具三維溫度場

由熱像儀測得各組試驗中刀具系統(tǒng)溫度值如圖5所示，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖6所示，結(jié)合試驗參數(shù)可得出：溫度隨切削速度增加而最大，隨切深和進(jìn)給增大而升高。這與切削力隨切削參數(shù)的變化趨勢不十分一致。這是因為刀具系統(tǒng)溫度的改變除與切削負(fù)載有關(guān)外，還與主軸轉(zhuǎn)速等造成主軸系統(tǒng)負(fù)載變化的因素有關(guān)，而兩者對溫度的影響程度會隨各種條件變化而改變，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖5 切削后刀具系統(tǒng)溫度

圖6 刀具系統(tǒng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

表3 切削力和溫度試驗極差分析

4 切屑形態(tài)研究

切屑形態(tài)是切屑形成過程的最終結(jié)果，主要是經(jīng)過第一變形區(qū)變形，再通過第二變形區(qū)使切屑底部纖維拉長，然后遇斷屑槽或斷屑臺以及周圍介質(zhì)中迅速冷卻再次變形形成，因此，切屑的形態(tài)并不不完全等同于切屑的變形狀態(tài)[3]。但是切屑形態(tài)可以側(cè)面反映切削參數(shù)對加工過程的影響程度，并且切削熱主要由切屑帶走，而剩余部分傳到工件、刀具和周圍介質(zhì)中，因此，研究不同參數(shù)條件下獲得的切屑形態(tài)對于理解切削過程，尋求最優(yōu)工藝參數(shù)十分有意義。

正交試驗中各參數(shù)對應(yīng)的切屑形態(tài)分別如圖7中2~5，其中3、4為長條螺旋切屑，2、5為短圓弧或逗號狀切屑，尤以5的圓弧半徑最小、斷屑最分散。對照表2中試驗參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，切屑長度與切削深度有關(guān)，深度越大則切屑長度越大；圓弧半徑與切削速度有關(guān)，速度越大，圓弧半徑越大；切屑厚度與每齒進(jìn)給量有關(guān)，進(jìn)給量越大，切屑厚度越大。

圖7 多參數(shù)試驗對應(yīng)切屑形態(tài)

當(dāng)切屑內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強度時，切屑才會發(fā)生折斷，而切削速度高時，切屑甩動時的離心力大，并且切削速度提高后切屑溫度升高，切屑變軟，則切屑的圓弧半徑較大；而垂直進(jìn)給方向（Y向）的切削力受切削深度影響最大，而切屑在排出切削區(qū)斷屑時受Y向切削力沖擊最大，增大切深，切削力變大，切屑容易撞擊工件表面彎曲而斷裂，進(jìn)而形成短圓弧切屑；而進(jìn)給量大時，相鄰兩轉(zhuǎn)的切削厚度加大，從而形成的切屑厚度變大[5]。

5 銑削加工表面輪廓

切削熱如不能很快排出，會使工藝系統(tǒng)的溫度升高，使刀具硬度降低，工件材料軟化，從而促使刀具和工件粘合，形成圖8所示刀具切入、切出時的材料粘結(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重的會造成刀具化學(xué)磨損。

圖8 加工后工件表面

圖9為切削后表面的輪廓等高線分布，圖中深色區(qū)域為材料殘留位置，白色區(qū)域為加工后輪廓高度分布均勻、表面光滑的位置。由此可以發(fā)現(xiàn)，相鄰兩次切削間隔處會有部分材料堆積，這說明硬質(zhì)合金立銑刀在切削鋁合金材料時除形成材料去除外，還伴隨較為嚴(yán)重的塑性變形[6]，從而在刀具切削進(jìn)給方向兩端發(fā)生耕犁作用而形成材料堆積。

圖9 輪廓等高線圖

結(jié)論也可從圖10中輪廓三維高度分布得到驗證。最終堆積的材料反映在加工后的輪廓表面變形為毛刺或粘結(jié)狀切屑等形態(tài)。因此，在切削鋁合金時，切削行距不應(yīng)過大，切削用量要適中，以免因切削用量選擇較大造成負(fù)載增大而影響硬質(zhì)合金刀具切削材料時的切削性能，造成表面質(zhì)量惡化。

圖10 加工表面三維輪廓高度分布

6 結(jié)語

（1）建立的切削力經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢院芎玫剡_(dá)到預(yù)測切削力目的。

（2）切削合力和切削溫度隨切削參數(shù)近似同步變化。溫度隨刀具每齒進(jìn)給量的增加而持續(xù)地增加。

（3）切屑長度與切削深度有關(guān)；切屑厚度隨每齒進(jìn)給量增大而增大。

（4）硬質(zhì)合金立銑刀在切削鋁合金時，除切削作用外，還伴隨較為嚴(yán)重的塑性變形。

[1] Sumet Heamawatanachai, Eberhard Bamberg. Cutting force model of orbital single-point micromachining tool[J], International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010,50:815-823．

[2] R.S.Pawade,Suhas S. Joshi, P.KBrahmankar, M. Rahma. An investigation of cutting forces and surface damage in high-speedturning of Inconel 718[J], Journal of Materials Processing Technology 192-193(2007) 139-146．

[3] Herbert Schulz，Eberhard Abele,何寧．高速加工理論與應(yīng)用[M],科學(xué)出版社,2010．

[4] Manuel San-Juan, Oscar Martin, Francisco Santos. Experimental study of friction from cutting forces in orthogonal milling[J], International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010,50:591-600．

[5] 上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會．金屬切削手冊（第三版）[M],上海科學(xué)出版社,2000,6．

[6] 劉鵬,徐九華,馮素玲等.PCD刀具高速銑削TA15鈦金切削力的研究[J],南京航空航天大學(xué)學(xué)報,42(2):224-229.

*國家科技重大專項項目編號：2010ZX04016-011