淬硬鋼斜面銑削路徑試驗(yàn)研究

□ 余新偉□ 胡映寧□ 張廷杰□ 胡珊珊□ 王成勇

1.格特拉克（江西）傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司 南昌330044

2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南寧530004

3.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣州510006

1 研究背景

在機(jī)械加工中，球頭銑刀適用于加工自由曲面，被廣泛應(yīng)用于模具的精加工。然而，在使用球頭銑刀精銑平面時(shí)，由于刀尖處的切削速度為零，會(huì)導(dǎo)致刀具壽命縮短。因此，在對(duì)平面進(jìn)行加工時(shí)，為了避免刀尖參與切削，通常需要將刀具傾斜一個(gè)角度，這種使刀具軸線與平面法線成一定角度的方法稱為傾斜加工法［1］。在三軸加工中心上采用這種方法加工時(shí)，相當(dāng)于銑削斜面，而在許多斜面銑削中，除常規(guī)的等高銑削、沿斜面銑削外，還需要各種沿斜線銑削加以輔助來完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的加工。

近年來，學(xué)者們對(duì)在不同走刀方式、不同角度斜面情況下銑削斜面時(shí)的切削力進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究。張慶力［2］對(duì)采用φ6 mm球頭銑刀高速加工P20模具鋼斜面時(shí)的銑削方式和工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著斜面角度的增大，切削力開始增大，但當(dāng)斜面角度超過45°時(shí)，隨著斜面角度繼續(xù)增大，切削力反而有所減小。王巧生［3］采用φ2 mm球頭銑刀對(duì)不同角度的S316H模具鋼斜面進(jìn)行了高速加工試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用水平走刀方式時(shí)的切削力比沿斜面方向走刀時(shí)更為平穩(wěn)。Kang等［4］采用φ10 mm球頭銑刀以不同走刀方式在模具鋼（洛氏硬度HRC50）的15°和45°斜面上進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明，在銑削同一角度斜面時(shí)，向上的走刀方式比向下的走刀方式切削力更小。梁良等［5］根據(jù)球頭銑刀高速銑削斜面的特點(diǎn)，建立了在豎直向上和向下、水平向上和向下四種走刀方式下高速銑削45°斜面，以及在豎直向下走刀方式下高速銑削30°、60°、75°斜面的三維有限元模型，以分析不同走刀方式下的銑削斜面，以及在銑削不同角度斜面時(shí)其切削力和切削溫度的變化規(guī)律，模擬結(jié)果表明，在銑削45°斜面時(shí)，采用向上走刀方式較向下走刀方式的切削力幅值小、波動(dòng)大、切削溫度高；采用豎直向下走刀方式銑削大角度斜面時(shí)，也出現(xiàn)類似情況。田美麗等［6］應(yīng)用正交試驗(yàn)法進(jìn)行了球頭銑刀銑削lCr18Ni9Ti不銹鋼斜面銑削力試驗(yàn)，得出當(dāng)工件斜面傾角小于20°時(shí)，要考慮球頭刀其刀軸與斜面法向夾角的大小，以避免球頭端部銑削。鄧敏等［7］采用φ1.5 mm TiAlCN涂層硬質(zhì)合金球頭銑刀對(duì)S136模具鋼進(jìn)行高速干式銑削試驗(yàn)分析，分析出各切削用量對(duì)切削力、振動(dòng)及噪聲的影響。雷彬等［8］研究得出，當(dāng)球頭銑刀高速銑削時(shí)，刀刃圓角與加工參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)加工質(zhì)量有明顯影響。藍(lán)偉文［9］通過研究得出，調(diào)整球頭銑刀軸線與工件加工表面之間的傾斜角度能有效改善切削條件，降低工件加工表面粗糙度值。付敏等［10］通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著刀具軸線相對(duì)于進(jìn)給方向傾斜角度的增大，切削力減小，但當(dāng)傾斜角度達(dá)到15°后，隨著傾斜角的增加，切削力減小不再明顯。

以上對(duì)于斜面的切削路徑都采用的是等高銑削或沿斜面銑削，或研究球頭銑刀軸線與加工表面角度的傾角對(duì)切削質(zhì)量的影響，但對(duì)于直接沿斜線銑削的研究甚少。筆者正是對(duì)采用常規(guī)的等高銑削、沿斜面銑削及多種角度非常規(guī)的沿斜線銑削路徑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定其切削力、切削振動(dòng)及表面粗糙度，以評(píng)定各路徑的切削性能。

2 試驗(yàn)條件與方案

在統(tǒng)一切削參數(shù)條件下，采用φ2 mm球頭銑刀在高速加工中心上采用等高銑削、沿斜面銑削及沿斜線銑削多種加工路徑銑削淬硬鋼斜面，并用測(cè)力儀、測(cè)振儀記錄切削過程中的切削力及切削振動(dòng)，加工完成后，用表面粗糙度儀測(cè)量已加工淬硬鋼斜面的表面粗糙度。以最小切削力及切削振動(dòng)、最小已加工表面粗糙度值為目標(biāo)，優(yōu)化斜面切削路徑。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，試驗(yàn)條件、各加工路徑說明及試驗(yàn)切削參數(shù)如下。

2.1 試驗(yàn)條件

具體試驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)備

2.2 試驗(yàn)加工路徑

筆者涉及的斜面銑削加工路徑主要有等高銑削、沿斜面銑削兩種常規(guī)的斜面銑削路徑（表2）及非常規(guī)的沿斜線銑削加工路徑（表3），有五個(gè)走刀夾角、兩種進(jìn)給方向、兩種走刀方向，總共20種加工路徑。

2.3 試驗(yàn)參數(shù)

切削參數(shù)取值：軸向切深A(yù)d=0.05 mm，徑向切深Rd=0.10 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.016 mm/z（主軸轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min，進(jìn)給速度v=640 mm/min），按表2及表3所示的共20種加工路徑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量切削力、切削振動(dòng)和表面粗糙度。

▲圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在切削過程中，刀具及工件所受切削力的作用，以及刀具振動(dòng)對(duì)刀具的使用壽命和工件加工后的表面質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，同時(shí)工件已加工表面粗糙度值是評(píng)價(jià)切削質(zhì)量的重要指標(biāo)，筆者主要通過以上三個(gè)參數(shù)的最小化為原則展開優(yōu)化研究。

▲圖2 工件

3.1 切削力分析

圖3所示為20種不同切削路徑下的切削力，采用表2及表3中的20種切削路徑對(duì)45°傾角淬硬鋼進(jìn)行銑削。

由圖3可知，在等高銑削路徑中，各路徑切削力大小趨勢(shì)為HU1＜HU2≈HD1＜HD2，等高向上進(jìn)給銑削比等高向下進(jìn)給銑削削切力要小，等高向上進(jìn)給銑削時(shí)，待切削材料位于銑刀上方，主要是銑刀的側(cè)刃參與切削，而等高向下進(jìn)給銑削時(shí)，待切削材料位于刀具下方，球頭銑刀的刀尖也參與到切削中，而刀尖的實(shí)際切削速度為零，從而直接導(dǎo)致等高銑削時(shí)向下進(jìn)給銑削較向上進(jìn)給銑削的切削力要大。而等高銑削進(jìn)給相同時(shí)，順銑比逆銑的切削力要小，順銑時(shí)，實(shí)際切削厚度從大到小，而逆銑則是從小到大，逆銑時(shí)，銑刀后刀面與工件摩擦產(chǎn)生的力較大。切削分力中最大的是X向分力，也就是走刀方向的分力最大。

在斜線角度為30°試驗(yàn)中，切削力大小趨勢(shì)是DU1＜UU1＜UD1＜DD1。由于進(jìn)給向下銑削時(shí)刀尖參與銑削，導(dǎo)致其切削力較進(jìn)給向上要大。UD1＜DD1，則是由于走刀向上較走刀向下的切削力要小及順銑切削力較逆銑要小的雙重作用所導(dǎo)致。而DU1＜UU1，盡管UU1路徑走刀方向向上，而DU1路徑走刀方向向下，按走刀方向，應(yīng)該是UU1＜DU1，實(shí)際結(jié)果卻相反，主要原因是：UU1為逆銑，DU1為順銑，順銑切削力小于逆銑，此時(shí)順逆銑切削方式對(duì)切削力的影響作用較走刀方向的作用要大。

在斜線角度為45°試驗(yàn)中，切削力變化趨勢(shì)是UU2＜DU2＜UD2＜DD2，除UU2＜DU2與斜線角度為30°不同外，其它基本一致，UU2走刀方向向上逆銑，DU2走刀方向向下順銑，UU2＜DU2， 說明在沿45°斜線銑削中，走刀方向?qū)η邢髁Φ挠绊懽饔幂^順逆銑切削方式的作用大。

在斜線角度為60°試驗(yàn)中，切削力變化趨勢(shì)是DU3＜UU3＜UD3＜DD3，與斜線角度為30°時(shí)試驗(yàn)結(jié)論完全一致。

表2 常規(guī)斜面銑削加工路徑種類

表3 非常規(guī)斜面銑削加工路徑種類

與上述各路徑類似，在常規(guī)斜面銑削加工中，沿斜面向上走刀銑削比沿斜面向下走刀銑削的切削力要小。同樣，沿斜面銑削進(jìn)給方向向下，順銑比逆銑的切削力要小，各路徑切削力大小順序是VU1＜VU2＜VD1＜VD2。

根據(jù)進(jìn)給方向、走刀方向、順逆銑切削方式及待切削材料位置的相似性，將設(shè)計(jì)的20種切削路徑分為四小 組 ：HU2、UU、VU2；HU1、DU、VD1；HD1、UD、VU1；HD2、DD、VD2（下文中四組分類與此相同）。并以在工件斜面內(nèi)進(jìn)給方向直線與水平線的夾角為X軸作各小組切削力對(duì)比，如圖3（b）所示，可以看出，在銑削過程中的切削力，隨著在工件斜面內(nèi)切削路徑的進(jìn)給方向直線與斜面水平方向夾角角度的增加而減小，直到60°后又轉(zhuǎn)為隨角度增大而增大，合力的區(qū)別主要由X向及Y向切削力的差異造成，特別是X向。一方面是因?yàn)殂娤鲿r(shí)，走刀方向的切削力最大，而隨著斜線角度的增大，走刀方向的切削力在Y軸方向上的分力逐漸增大，而在X軸方向上的分力逐漸減小；另一方面與待切削材料相對(duì)于銑刀的位置有直接關(guān)系。以切削力最小為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，斜面銑削加工路徑進(jìn)給方向與斜面水平線的夾角應(yīng)選擇60°為宜。

3.2 切削振動(dòng)分析

圖4所示為不同切削路徑下的切削振動(dòng)，四種等高銑削路徑的切削振動(dòng)從小到大的順序是HD2＜HD1≈HU1＜HU2，可以看出在等高銑削中大致的規(guī)律：向上進(jìn)給銑削，待切削材料位于銑刀上方，刀尖不參與切削，而向下進(jìn)給銑削，待切削材料位于刀具下方，刀尖也參與切削，刀刃與工件接觸面積更大，這樣與向下走刀銑削相比，向上銑削時(shí)銑刀受力更加不平衡，導(dǎo)致向上走刀銑削的切削振動(dòng)比向下走刀銑削切削的振動(dòng)要大；由于順銑時(shí)實(shí)際單齒切削厚度從大到小變化，切削刃一接觸便是較大厚度，振動(dòng)較大，而逆銑時(shí)其切削厚度由小到大逐步過渡，切削過程平穩(wěn)，振動(dòng)較小。但實(shí)際試驗(yàn)中切削振動(dòng)HU1＜HU2，主要是因?yàn)镠U2切削力比HU1大，導(dǎo)致其順逆銑方式對(duì)切削振動(dòng)的作用效果無(wú)法體現(xiàn)出來。

由圖4（a）可知，同種角度下在非常規(guī)斜面銑削中與向下走刀/進(jìn)給相比，因向上走刀/進(jìn)給時(shí)銑刀與工件接觸面積小，銑刀受力不均衡，導(dǎo)致向上走刀銑削要比向下走刀銑削的切削振動(dòng)大，順銑振動(dòng)比逆銑大，沿斜線銑削各切削路徑基本符合這兩個(gè)規(guī)律。在斜線角度為30°試驗(yàn)中，切削振動(dòng)變化趨勢(shì)是UU1＞UD1＞DU1＞DD1，在斜線角度為45°試驗(yàn)中，切削振動(dòng)變化趨勢(shì)是UD2＞UU2＞DU2＞DD2， 在斜線角度為60°試驗(yàn)中，切削力變化趨勢(shì)是UU3＞UD3＞DU3＞DD3。

在常規(guī)斜面銑削加工中，切削振動(dòng)不符合順銑振動(dòng)大于逆銑及向上走刀/進(jìn)給比向下大的規(guī)律，這主要是因?yàn)檠匦泵驺娤鲿r(shí)，振動(dòng)大小受切削力的影響很大，從而與切削力規(guī)律一致，為VU1＜VU2＜VD1＜VD2。

在工件斜面的平面內(nèi)，切削路徑進(jìn)給方向與水平線夾角從0～60°中都符合向上走刀的切削振動(dòng)大于向下走刀，順銑的切削振動(dòng)大于逆銑。如圖4（b）所示，當(dāng)這一角度大至90°時(shí)，即為沿斜面銑削時(shí)，切削振動(dòng)的規(guī)律與角度在0～60°時(shí)相反。并且切削振動(dòng)隨該角度的增大而先減小再增大，拐點(diǎn)位置在30°處，即在所給的切削參數(shù)條件下，切削路徑進(jìn)給方向與斜面水平方向成0°、30°、45°、60°、90°的五種角度銑削路徑中，30°沿斜線銑削路徑的切削振動(dòng)為最小，是30°時(shí)切削力及該路徑下刀具與工件形成接觸面積綜合作用的結(jié)果。

3.3 表面粗糙度分析

▲圖5 不同切削路徑下的已加工表面粗糙度

由圖5可看出，在等高銑削中，等高向上進(jìn)給銑削比等高向下進(jìn)給銑削的表面粗糙度值要小，逆銑比順銑后的表面粗糙度值小，其表面粗糙度值變化趨勢(shì)為HU2＜HU1＜HD2＜HD1。 向上進(jìn)給切削時(shí)，球頭銑刀刀尖不參與切削，參與切削的側(cè)刃鋒利，利于切削加工，其銑削出的工件表面質(zhì)量較好，而向下進(jìn)給銑削時(shí)，由于有球頭銑刀刀尖的參與，而刀尖處的實(shí)際切削速度為零，且刀尖處有過渡橫刃的存在，橫刃角度呈負(fù)前角，不利于切削。

在斜線銑削中，角度為30°斜線銑削的表面粗糙度值大小順序是UU1＜DD1＜UD1＜DU1， 角度為45°斜線銑削的表面粗糙度值大小順序是UU2＜UD2＜DD2＜DU2，角度為60°斜線銑削的表面粗糙度值大小順序是UD3＜DD3＜UU3＜DU3； 在常規(guī)斜面銑削的表面粗糙度值大小順序是VD2＜VU1＜VU2＜VD1。已加工表面粗糙度值基本符合向上走刀/進(jìn)給銑削小于向下走刀/進(jìn)給銑削、順銑大于逆銑的規(guī)律。圖5（b）所示為已加工表面粗糙度值隨切削角度的變化曲線，可以看出，四組曲線的變化趨勢(shì)基本為隨著切削進(jìn)給方向與斜面水平線夾角的增大，先減后增再減，兩拐點(diǎn)分別在30°和60°處，其中在角度為30°時(shí)的已加工表面粗糙度值最小。

4 結(jié)論

基于對(duì)比，通過變換進(jìn)給方向與斜面水平線的夾角、走刀方向、進(jìn)給方向（順逆銑方式）的20種切削路徑的試驗(yàn)，測(cè)量記錄相應(yīng)切削過程的切削力、切削振動(dòng)，以及已加工表面粗糙度值，依次對(duì)各切削路徑進(jìn)行優(yōu)選，得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)于切削力，向上走刀/進(jìn)給小于向下走刀/進(jìn)給，順銑小于逆銑；切削振動(dòng)與切削力相反，向上走刀/進(jìn)給大于向下走刀/進(jìn)給，順銑大于逆銑；已加工表面粗糙度規(guī)律與切削力基本一樣。

（2）以減小切削過程中的切削力、切削振動(dòng)，以及已加工表面粗糙值度為原則，得到同一角度進(jìn)給方向中：在等高銑削中的HU1加工路徑，切削力及切削振動(dòng)都小，已加工表面粗糙度值居中，其綜合切削性能最好；而HD2加工路徑，切削力及已加工表面粗糙值都大，綜合切削性能最差；沿斜線銑削中的UU加工路徑，切削力及已加工表面粗糙度值都小，切削性能最佳；而DU加工路徑，已加工表面粗糙度值大及DD加工路徑切削力大，綜合切削性能差；沿常規(guī)斜面銑削中的VU1加工路徑，切削力及切削振動(dòng)都小，綜合切削性能最佳；VD2加工路徑，切削力及切削振動(dòng)都大，綜合切削性能最差。

（3）對(duì)比進(jìn)給方向與斜面水平線的不同角度結(jié)果，在斜線60°下切削力最小，90°切削力次之，30°切削振動(dòng)最小，90°切削振動(dòng)最大，已加工表面粗糙度值30°最小，60°最大。因此粗加工時(shí)主要考慮降低切削力，沿角度為60°時(shí)的斜線銑削為最好，精加工時(shí)主要考慮減小切削振動(dòng)及加工表面粗糙度值，選擇角度為30°時(shí)的斜線銑削為最佳，等高銑削次之。