改變主軸轉(zhuǎn)速影響高速銑削載荷的單因素分析研究

王 雅， 王 敏

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230022）

0 引 言

在機(jī)械制造業(yè)，提高生產(chǎn)效率和降低加工成本一直是長期追求的目標(biāo)，由于加工零件的輔助時(shí)間大幅度降低，使得切削工時(shí)所占的比例越來越大，要想進(jìn)一步提高生產(chǎn)率只有大幅度提高切削速度。但是銑刀等高速刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各部分都要承受很大的離心力，離心力過大極易導(dǎo)致刀體破碎，這無論是對人身安全還是對刀具的耐用度都是很不利的，因此，研究高的切削速度對于刀具應(yīng)力場的影響是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義的［1］。

本文利用有限元軟件建立三維剛塑性力學(xué)模型，研究高速銑削刀具速度場和等效應(yīng)力應(yīng)變場分布規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)和理論的完善提供基礎(chǔ)。

1 高速銑用量與刀具應(yīng)力場的關(guān)系

高速加工的速度比常規(guī)切削加工的速度高出很多。根據(jù)德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙博士的超高速模擬試驗(yàn)指出：當(dāng)切削速度超過每種工件材料的常規(guī)速度范圍時(shí)，切削速度再增大時(shí)，切削溫度反而降低，切削力也會大幅度降低［2］。

高速加工必須具備高的主軸轉(zhuǎn)速、高的進(jìn)給速度、快速空行程、迅速加速和及時(shí)準(zhǔn)停的性質(zhì)。高的主軸轉(zhuǎn)速就意味高的切削速度，而為了保證零件加工的精度，則要求保持刀具每齒進(jìn)給量的恒定，這就要求進(jìn)給速度大幅度提高，同時(shí)又因?yàn)槭歉咚偌庸?，希望加工的輔助時(shí)間進(jìn)一步減少，所以高速機(jī)床的空行程時(shí)間就要減少，這樣一來，只有在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高速和在很短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)停，即快速進(jìn)給應(yīng)具有很大的加、減速度才稱得上是真正意義上的高速加工。因此在考慮切削用量對高速銑刀應(yīng)力場的影響上，切削速度和進(jìn)給量就成為了重要因素。

2 主軸轉(zhuǎn)速對刀具剪切角的影響

由于不同的加工工序和機(jī)床以及工件材料、刀具材料和加工工藝的多樣性，對應(yīng)的切削速度范圍也不同，因而很難就高速切削的速度范圍給定一個(gè)確定數(shù)值。如果從側(cè)重于加工工藝的角度看，HSM的速度值區(qū)間：車削700～7000m／min；銑削300～6000m／min；鉆削200～1100m／min；磨削150～360m／s等，而且還有繼續(xù)提高的趨勢。如果從側(cè)重于加工材料的角度出發(fā)，加工材料的高速加工和常規(guī)加工的切削速度對照圖如圖1所示［3］。

圖1 七種材料的常規(guī)切削速度與高速切削速度對照圖

從高速切削機(jī)理來看，由于高速切削過程比普通切削過程快的多，如圖2所示，按Merchant′s剪切角（又稱麥錢特方程）當(dāng)切削速度較低時(shí)，金屬始剪切面為OA，終剪切面為OM，剪切角為φ，但當(dāng)切削速度很高時(shí)，金屬流動速度大于塑性變形速度，即在OA線上尚未顯著變形就已流動到OA′線上，終剪切面變?yōu)镺M′，剪切角變?yōu)棣铡?，這意味著此時(shí)的第一變形區(qū)后移，使剪切角增大（φ′＞φ）。同時(shí)銑削速度對刀具前刀面上的平均摩擦系數(shù)μ也有影響，在高速區(qū)，銑削速度增大，銑削溫度提高，μ減小，則摩擦角ψ減小，由上式可見，剪切角增大，剪切變形減小，剪切變形的抗力也隨之減小。在高速范圍內(nèi)，由于μ減小量很大，如加工鋼件時(shí)，銑削速度由250m／min提高到2100m／min，μ從0.6減小到0.26［4］，因此，剪切角φ增大，導(dǎo)致剪切力減小幅度較大；由于切屑的質(zhì)量很小，雖然銑削速度提高，導(dǎo)致切屑慣性力增大，但其增加幅度比剪切力減小幅度小的多，故在高速切削范圍內(nèi)，切削速度的提高還是導(dǎo)致了銑削力的降低。

圖2 速度對剪切角的影響

3 改變主軸轉(zhuǎn)速n時(shí)銑刀的應(yīng)力應(yīng)變分布

假設(shè)刀具模型的其它的因素都不變，僅改變刀具的切削速度即銑刀的主軸轉(zhuǎn)速，那么根據(jù)圖求立銑刀所受切削力載荷，經(jīng)過計(jì)算，每個(gè)刀刃所受切削力如表1所示，以及在不平衡量φ一定（φ＝33.09g·mm），僅改變轉(zhuǎn)速時(shí)由刀具不平衡量產(chǎn)生的離心力Fe計(jì)算公式［1］求得的離心力的數(shù)值。

圖3 銑削力關(guān)系圖［5］

表1 銑刀在不同轉(zhuǎn)速下的切削力／每刃、離心力

在高速主軸系統(tǒng)中，任何旋轉(zhuǎn)體的不平衡都會產(chǎn)生離心力，對于高速旋轉(zhuǎn)的銑刀而言，刀具的不平衡會對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速升高，離心力以平方關(guān)系迅速增大，從而對刀具的安全性和加工質(zhì)量帶來不利的影響。

從表1中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加，離心力的增加非常明顯，對于銑削加工的安全性而言已經(jīng)成為一個(gè)不容忽視的因素，但隨著主軸轉(zhuǎn)速n從5000r／min增加到100000r／min，銑削力是不斷下降的，到100000r／min時(shí)可以看出每刃切削力已經(jīng)不如離心力大了，從切削力和離心力變化的趨勢來看，是與高速切削機(jī)理相符合的，下面是銑刀在不同轉(zhuǎn)速下的最大等效應(yīng)力和最大應(yīng)變的有限元分析，如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下銑刀的最大等效應(yīng)力和最大應(yīng)變

從表2還可以看出，隨著轉(zhuǎn)速不斷的升高，刀具的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變量隨之減少，但并非成倍減少，也不是按指數(shù)規(guī)律變化。圖4為主軸轉(zhuǎn)速20000r／min時(shí)刀具的等效應(yīng)力分布和應(yīng)變的分布圖，說明如下：

（1）在主軸轉(zhuǎn)速為20000r／min時(shí)，最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變均發(fā)生在刀尖處，在整把刀具中，刀尖是最薄弱的環(huán)節(jié)，它直接受到切削力的作用，并同時(shí)受到離心力的影響，所以在銑削時(shí)，它最易產(chǎn)生扭曲變形，發(fā)生刀尖破碎、崩刃等情況。

（2）由于立銑刀本身的幾何結(jié)構(gòu)，刃部和柄部相比，刃部有刀槽的存在，削弱了銑刀刃部的強(qiáng)度，在刃部與槽部接觸的地方也容易產(chǎn)生復(fù)雜曲面應(yīng)力集中。

（3）刀具應(yīng)力和應(yīng)變最小的地方為刀柄后端，以及整個(gè)刀體的中心位置，由于刀體的中心不受切削力的作用，只間接受到離心力的作用，由此可看出，離心力所引起的刀具的應(yīng)力和應(yīng)變是沿徑向分布于刀體上，越向圓周的地方，離心力所引起的應(yīng)力應(yīng)變越大，在最外端為最大，如圖5所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速為20000r／min的刀具等效應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)應(yīng)變圖

圖5 主軸轉(zhuǎn)速20000r／min時(shí)刀具受離心力作用圖

圖6 銑削力載荷隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖

4 結(jié) 論

（1）在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)雖然離心力不斷增大，但隨著切削力的不斷下降，刀具所承受的載荷作用的下降趨勢是非常明顯的，所以在控制好離心載荷的前提下，一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，對加工質(zhì)量的提高，刀具壽命的延長等都是十分有效的。

（2）高速銑削時(shí)，對指定的工件材料、刀具參數(shù)、背吃刀量、側(cè)吃刀量以及進(jìn)給量，銑削載荷開始隨銑削速度的提高而下降是較為明顯的，但當(dāng)銑削速度大到一定程度，銑削載荷不是無限的減小，而是趨近于一個(gè)定值。

1 張伯霖，楊慶東，陳長年.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：1－31.

2 Salomon C.Process for the Machining of Metals or Similarly Acting Materials when being Worked by Cutting Tools.German Patent，523594.1931－04.

3 Jackson D.The Cutting Materials of Tomorrow：Building on the Capabilities of Today.Proceeding of the SCTE Conference［J］.San Diego：Nov，1989.

4 劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬 熠，艾 興.高速銑削中切削力的研究.中國機(jī)械工程［J］，2003，5（14）：734－737.

5 吳 隆.銅合金的高速銑削加工的研究.制造技術(shù)與機(jī)床［J］，2004（1）：48－50.