小直徑銑刀高速銑削淬硬鋼圓弧曲面研究

龍衛(wèi)仁

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，珠海 519090）

小直徑銑刀高速銑削淬硬鋼圓弧曲面研究

龍衛(wèi)仁

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，珠海 519090）

本文分析小直徑球頭銑刀銑削圓弧曲面，研究刀具加工各種斜率斜面情況下加工方式的變化及各種加工參數(shù)對切削力的影響程度，指出斜面加工時應(yīng)該避免的最不利加工情況。

高速切削 小直徑球頭銑刀 圓弧曲面 斜率

引言

小直徑銑刀是模具加工必不可少的刀具，如加工小曲率半徑的型面、拐角路徑等。球頭銑刀是復(fù)雜曲面半精加工和精加工的重要加工刀具，研究球頭銑刀加工復(fù)雜曲面的切削力模型，是研究復(fù)雜曲面加工工藝優(yōu)化的重要手段[1]。小直徑銑刀在銑削過程中，特別是加工硬材質(zhì)材料時，斷刀、破損現(xiàn)象尤為嚴重。切削力是金屬切削過程中必不可少的重要考慮因素，其變化規(guī)律是高速銑削工藝分析的主要依據(jù)之一。國內(nèi)外許多學(xué)者從切削力角度出發(fā)，在理論和實驗兩方面對模具加工工藝、刀具壽命、產(chǎn)品質(zhì)量等方面進行了大量研究。模具曲面加工中，切削力隨曲面斜率及切削方向的變化而變化[2]。文獻[3]將局部切削力線性分解成剪切力分量和犁耕力分量，采用卷積法獲取平均切削力，推導(dǎo)出軸向切深、刀具半徑與平均銑削力的整體剪切力和犁耕力的常數(shù)表達式。文獻[4]提出了一種采用沿切削邊切屑載荷的數(shù)值計算，在球頭銑刀銑削過程中預(yù)測切削力。刀具受切削力的影響而產(chǎn)生變形，從而影響加工件的表面質(zhì)量。文獻[5]研究了不同球頭銑刀在切削力下的變形。文獻[6]通過實驗研究了各種切削參數(shù)與切削力、振動及聲發(fā)射信號的關(guān)系，從而優(yōu)選較優(yōu)的切削加工參數(shù)。，本文從實驗角度著手，研究刀具在不同懸伸量下的振動與切削力情況。

本研究采用單因素法，多次重復(fù)試驗研究了不同切削參數(shù)對切削力的影響，從理論上分析各種斜率曲面與切削力、加工方式的變化關(guān)系，用實驗數(shù)據(jù)驗證了理論分析結(jié)果，同時研究了各種加工參數(shù)對切削力的影響程度。

1 實驗設(shè)置

1.1 實驗條件

1.1.1 機床、刀具及工件材料

本實驗在YCM-V85A型立式加工中心上進行。實驗中，所采用刀具為直徑2mm的TiAlN涂層整體硬質(zhì)合金四刃球頭銑刀，工件材料是45鋼，淬火后硬度為52HRC。

1.1.2 測力、測振系統(tǒng)

本實驗測力系統(tǒng)采用大連理工大學(xué)研制的YDX-III9702型三向壓電石英測力儀，信號經(jīng)YE5850型電荷放大器放大，通過信號采集卡，配合“通用切削力測試系統(tǒng)”軟件，由計算機進行數(shù)據(jù)采集。

振動信號由三個YD-1型壓電式加速度傳感器采集，經(jīng)

KISTLER公司的5134型電荷放大器放大，再由重慶大學(xué)的QLV型多功能虛擬儀器對信號進行記錄和處理。

1.2 實驗方案

實驗采用單因素法銑削加工圓弧曲面，參數(shù)Ad=0.10，n=6366，F(xiàn)=200，R=4.0，L=19。每次只改變其中一個參數(shù)，其他都是基本參數(shù)。具體的，實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗參數(shù)表

2 曲面斜率對切削力的影響

由圖1分析，刀具加工到任意位置時，在?OTAB中，刀-工接觸角θ不變。只是，刀-工接觸點隨刀具加工曲面的斜率不同而變化，從而引起接觸面積的變化。切除材料體積的變化，本質(zhì)上導(dǎo)致切削力的變化。

圖1 沿曲面加工

計算公式如下：

當R→∞時，由式（2）得：

沿斜面加工時，如圖2所示。

計算公式如下：

圖2 沿斜面加工

式（5）與式（3）相同，說明曲面的極限形式與斜面加工情況下（如圖2所示）相一致，在加工曲面的瞬間角度相當于加工該相同角度的斜面。由于曲面存在彎曲，又與斜面的加工稍有區(qū)別，在切削深度很小的情況下影響不大。由于小直徑銑刀高速切削加工正是應(yīng)用小切深、小切削用量、高切削速度的特點，所以小直徑銑刀高速加工曲面的情形相當于各種角度的斜面的連續(xù)變化加工。

當斜面傾角δ≥θ時，加工刃線在刀具軸心線的左側(cè)，且隨δ角的增大，加工刃線上移，如圖1所示。當加工前面直線段時，切削刃在刀具的右側(cè)。當0＜δ＜θ時，切削刃分布在刀具軸心線的兩側(cè)。此時，刀具球頭底端刀刃在加工。但是，低端刀刃切削速度太低，不利于加工。由于平面傾斜角始終為銳角，所以刀具半徑、軸向切深以及斜面傾角應(yīng)避免成如下關(guān)系：

當δ=θ/2時，切削刃均勻分布在刀尖點兩邊，刀具所有的切削刃同時參與切削，類似于鉆削加工。由于左、右切削刃對稱，其徑向抗力可以相互平衡抵消，鉆削過程中產(chǎn)生的鉆削抗力主要表現(xiàn)為軸向力Fz與扭矩M[7]，且此時切削刃的線速度最低，對加工極為不利。刀具半徑、軸向切深以及斜面傾角最為不利的關(guān)系為：

文獻[8]發(fā)現(xiàn)，切削力可由下面經(jīng)驗公式近似求解：

式（8）說明，影響切削力的主要因素有切削刃長度及切削面積。切削刃長度與接觸角θ相關(guān)，切削面積與斜角δ相關(guān)。所以，X、Y方向切削力F與斜角δ的關(guān)系可用表達式F=f(θ,δ)表示。

當δ＜θ/2時，切削狀態(tài)可分解成中心鉆削（圖3中Ⅰ區(qū)域）和邊刃銑削（圖3中Ⅱ區(qū)域）。且隨δ角增大，Ⅰ區(qū)增大，Ⅱ區(qū)減小。當δ=θ/2時為瞬時鉆削，此時主要為軸向力Fz與扭矩M。

圖3 加工區(qū)域詳解圖

當θ/2＜δ≤θ時，切削狀態(tài)同樣分解成中心鉆削和邊刃銑削，但隨δ角增大，中心鉆削區(qū)域減小，邊刃銑削區(qū)域增大。

當θ≤δ≤π/2時，接觸角θ不變，但切削位置點變化，切削線速度增大。

由此，X、Y方向切削力隨曲面斜角δ的變化趨勢，如圖4所示。

實驗采集到的切削力情況，如圖5所示。

圖4 切削力隨δ的理論變化趨勢

圖5 實驗切削力 隨δ的變化趨勢

從圖4和圖5可以看出，隨著斜面角度δ的變化，切削力發(fā)生變化。實驗結(jié)果與理論分析相一致。

以上分析發(fā)現(xiàn)，軸向切深A(yù)d、刀具半徑r以及斜面角度δ，對切削加工的影響既體現(xiàn)在加工方式的變化上，也體現(xiàn)在瞬時切削體積去除率變化上。

3 結(jié)論

通過以上分析，可以得出三個結(jié)論：

第一，在小切深的高速加工中，凸曲面、斜面、凹曲面三種情況下，刀具的接觸角基本相同；在沿同一曲率的斜面加工時，刀具的接觸角始終不變，只是切削刃的位置隨平面傾斜度的變化而變化。

第二，在各種斜面加工中，當?shù)毒甙霃?、軸向切深以及斜面傾角三者符合關(guān)系時，所有切削刃同時參與切削，類似于鉆削加工，且切削線速度很低，對加工極為不利。

第三，對于小直徑銑刀加工，在小切深高轉(zhuǎn)速工況下，影響切削力的主要因素是切削刃的位置。

[1]李作麗，趙軍，王素玉，等.球頭銑削切削力預(yù)測模型的解析計算[J].山東科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，24（1）：76-78.

[2]A.Lamikiz，L.N.Lo pez de Lacalle，J.A.Sa nchez，et al.Cutting Force Estimation in Sculptured Surface milling[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2004，（44）：1511-1526.

[3]J.J.J.Wang，C.M.Zheng.Identification of Shearing and Ploughing Cutting Constants from Average Forces in Ball-end Milling[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2002，（42）：695-705.

[4]Yoong-Ho Jung，Jeong-Suk Kim，Sang-Moon Hwang.Chip load Prediction in Ball-end Milling[J].Journal of Materials Processing Technology，2011，（111）：250-255.

[5]M.A. Salgado，L.N. Lo ′pez de Lacalle，A. Lamikiz，et al.Evaluation of the Stiffness Chain on the Deflection of End-mills under Cutting Forces[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2005，（45）：727-739.

[6]鄧敏和，胡映寧.小直徑球頭銑刀銑削淬硬鋼的試驗研究[J].工具技術(shù)2004，38（10）：25-30.

The Research of Using Micro Ball-end Cutter High-speed Milling ARC Surface

LONG WeiRen
(ZhuHai City Polytechnic,ZhuHai 519090)

This paper researched the changed condition when machining inclined surface with kinds of slop and the cutting parameters’ effects on force through analyzed micro Ball-end milling machining arc surface, pointed out the worst condition we should avoid.

high-speed machining, micro Ball-end milling, arc surface, slope