球刀銑削有效直徑探析

袁國強，鐘曉鷗

珠海格力精密模具有限公司 廣東珠海 519070

1 序言

目前, 數(shù)控加工中普遍存在如何合理選擇切削參數(shù)的問題，而刀具的有效直徑對切削參數(shù)的影響較大，經(jīng)常被人忽視，且國內(nèi)關(guān)于銑削加工有效直徑相關(guān)研究還較少。球刀銑削有效直徑探析對三軸CNC高速切削、普通切削均有實用價值。

應(yīng)用球頭銑刀精加工曲面時, 為獲得較好的表面粗糙度，減少或省去手工拋光, 徑向銑削深度最好和每齒進給量相等, 在這種參數(shù)下不僅加工出的表面紋理比較均勻, 而且表面質(zhì)量很高。因此參數(shù)制定時，徑向切削寬度和每齒進給量盡量相同或相近。據(jù)式（1）可用表面粗糙度值為條件，計算出球頭刀具徑向切削寬度ae，進而可得出每齒進給量fz的切削參數(shù)。但依此計算的切削參數(shù)，在相同工況條件加工，發(fā)現(xiàn)小直徑的球頭刀比大直徑球頭刀切削表面效果更好，如圖1a、圖1b所示。研究分析發(fā)現(xiàn)，主要由于切削時的有效直徑因素所導(dǎo)致，只有解決此問題，才能更好地解決實際切削參數(shù)問題，帶來更好的表面切削效果。

圖1 切削表面效果

式中，R為球刀半徑（mm）；ae為徑向切削深度（mm）；H為殘留高度（mm）（見圖2）。

圖2 殘留高度H

2 切削參數(shù)的運用

刀具切削參數(shù)的實際運用，大概經(jīng)歷了三個階段。第一階段，師傅帶徒弟的傳承方式。師傅憑經(jīng)驗告訴徒弟各類型、各規(guī)格刀具的切削參數(shù)，徒弟記下并使用。這種方式的優(yōu)點是師傅的經(jīng)驗是經(jīng)實際驗證可行的，徒弟接受后就可直接運用。其缺點是師傅的水平?jīng)Q定了徒弟的水平，且缺乏理論傳承，制約了切削工藝的發(fā)展。第二階段，是刀具新理念、新技術(shù)的運用階段。改革開放后，國內(nèi)外各刀具品牌新技術(shù)、新工藝在中國得到推廣運用，借助互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、智能手機的普及，機加工從業(yè)技術(shù)人員很容易找到相關(guān)新技術(shù)資料進行學(xué)習，并運用到加工生產(chǎn)中，切削加工水平有了跨躍式提升。第三階段，切削的精細化研究運用段階。隨著對加工要求的提高，粗曠的“拿來主義”的弊端就顯露出來了，加工產(chǎn)品質(zhì)量達不到客戶的要求，或達到也付出很大的成本代價，這是我們需要研究并突破的階段。

大部分機加工企業(yè)，處于第二階段，還有部分小企業(yè)，甚至處于第一階段。處于第二階段的企業(yè)，基本都掌握了不同工況的切削參數(shù)計算方法，能把各類材料、各規(guī)格刀具結(jié)合起來并標準化，這對于企業(yè)將是一大技術(shù)積淀。

式中，D是名義直徑（mm）；vc是切削速度（m/min）；n是轉(zhuǎn)速（r/min）。

式中，vf是進給速度（mm/min）；Zn是銑刀齒數(shù)；n是轉(zhuǎn)速（r/min）；fz是每齒進給量（mm）。

據(jù)式（2）、式（3）和式（1），把測試驗證后的參數(shù)，寫入Excel表格，可批量計算出不同材料、不同表面粗糙度及不同刀具的切削參數(shù)；將相同表面粗糙度、不同直徑球刀的切削參數(shù)計算進行標準化，見表1；再將其導(dǎo)入CAM軟件的刀具庫模版中，建立適合自己企業(yè)的標準化刀具信息庫，能讓企業(yè)技術(shù)團隊的NC輸出達到同一水平，不會因人員流動因素而影響加工質(zhì)量。

以上方法的運用較為粗獷，忽略了有效直徑因素的重要性，此問題將導(dǎo)致圖1的加工結(jié)果：相同工況條件、相同表面粗糙度值和相同公式計算輸出的切削參數(shù)，卻因刀具直徑不同而使切削形面有差異，即加工的實際表面質(zhì)量無法與理論表面粗糙度相近的現(xiàn)象。

3 有效直徑

（1）有效直徑解析 有效直徑，就是切削加工時，實際切削到零件材料表面時的最大刃徑。銑削加工參數(shù)應(yīng)按有效參數(shù)來選擇，而非名義參數(shù)。通常情況下計算轉(zhuǎn)速、進給速度，都按刀具的名義直徑計算，實際加工時卻是有效直徑在切削，但有效直徑又經(jīng)常小于名義直徑，這就會影響加工零件的表面質(zhì)量。

刀具廠家建議的切削速度vc，是指刀具的最大刃徑（名義直徑）的速度。以φ6mm球刀為例，在平面工況下切削時的有效直徑如圖3所示，廠家推薦vc指名義直徑6mm的切削速度，但此時實際有效切削是φ1.1mm，有效直徑是名義直徑的18%，顯然有效切削速度vc也隨之降低。但在機床切削的刀具還是φ6mm的原參數(shù)未改變，故據(jù)式（2）可知，φ1.1mm處的實際轉(zhuǎn)速n就下降到原速度的18%。據(jù)式（2），可得實際進給速度vf同比下降，才能與初始切削參數(shù)的表面粗糙度目標值相符。

圖3 切削時的有效直徑

表1 相同表面粗糙度值、不同直徑球刀切削參數(shù)計算

通常機加工行業(yè)普遍實際情況是：有效直徑比名義直徑小時，切削加工的進給速度vf卻都未更改。這就相當于每齒進給量大幅提高，導(dǎo)致了加工零件的表面粗糙度值增大，且切削刀具直徑越大、表面越平坦，表面粗糙度值增大現(xiàn)象也越明顯。

當然，對于有些高速機床，主軸轉(zhuǎn)速還有提高空間，也可以把有效直徑處的轉(zhuǎn)速提高至有效直徑與名義直徑的比值倍數(shù)，轉(zhuǎn)速提高后進給速度還是原進給速度不變，效率、表面質(zhì)量理論上都不會受影響（其他影響因素不在本文討論范圍內(nèi)）。

（2）對加工質(zhì)量影響 球刀實際加工切削時，幾乎不會出現(xiàn)圖3這種簡單的理想工況，更多的是平坦、陡峭且更復(fù)雜的弧面或多角度復(fù)合斜面等，切削時有效直徑在加工過程中的連續(xù)變化，如圖4所示。由于幾乎不可能用某一準確的有效直徑計算切削參數(shù)，所以實際加工出來的零件表面質(zhì)量不均勻。陡峭處的表面效果好，原因是有效直徑較接近名義直徑；反之，平坦面的表面效果就很差，甚至會出現(xiàn)表面有毛刺的現(xiàn)象，這是由有效轉(zhuǎn)速太低導(dǎo)致每齒進給量增大所引起。

圖4 不同弧面切削時的有效直徑連續(xù)變化

實際加工生產(chǎn)時，由于加工零件型面復(fù)雜，所以實際切削時的有效直徑問題讓CAM工程師非常棘手，迫于生產(chǎn)進度的壓力，通常情況下都會選擇忽視它的存在，由此引起的表面粗糙度不均勻問題，由后續(xù)拋光工序來解決。

（3）建議措施 有效直徑變小后，為保證型面與理論表面粗糙度值一致，措施有兩種：一是加大轉(zhuǎn)速，保持有效直徑的每齒進給量與名義直徑計算時相同，則切削效率不受影響，但受機床最高轉(zhuǎn)速的限制，現(xiàn)階段國內(nèi)大部分機床都不適用。二是有效直徑和名義直徑的轉(zhuǎn)速一致，降低每齒進給量，即把進給速度vf降下來，犧牲效率保證表面粗糙度，此方法適用國內(nèi)普遍機床。

當弧面變化較大時，同一轉(zhuǎn)速加工半圓弧面，切削過程的有效直徑是持續(xù)變化的，弧面每處的等高面都被不同有效直徑切削。從理論上講，要銑出表面粗糙度值相同的效果，每條刀路軌跡的徑向行距都要計算不同進給速度，但這種方法幾乎是不可實際操作的（以后CAM軟件或許能實現(xiàn)據(jù)有效直徑自動降速的運算功能）。建議可以把弧面分成若干區(qū)域，每個區(qū)域刀具路徑軌跡的進給速度vf，按有效直徑和名義直徑的比值降速，各區(qū)域的有效直徑（見圖5），有效直徑轉(zhuǎn)速見表2。

圖5 各區(qū)域的有效直徑

表2 有效直徑轉(zhuǎn)速

4 有效直徑切削測試驗證

（1）測試目的 按名義直徑和有效直徑比值降低進給速度，能否接近目標表面效果。不同直徑的球刀，以相同表面粗糙度值計算的切削參數(shù)，表面效果能否相近。

（2）測試工況條件 機床：測試機床選用德國羅德斯加工中心，型號為RXP801。該機床加工精度高、穩(wěn)定性能好，采用油霧冷卻。刀柄：使用德國翰默的熱縮刀柄，刀具夾持跳動性小、精度高。刀具：采用國產(chǎn)株洲鉆石的高速銑刀，精度高、切削性能好。軟件：CAM編程采用了Delcam公司的編程軟件PowerMILL，該軟件功能強大、應(yīng)用靈活，安全性能高。

（3）理論切削參數(shù) 用UG軟件設(shè)計一個3°斜面的模型零件（見圖6），斜面一分為二，半精加工后均勻留余量為0.1mm，精銑分別用φ6mmR3mm和φ3mmR1.5mm兩支球刀加工。按理論表面粗糙度值Ra=0.5μm和有效直徑計算切削參數(shù)（見圖7），對比加工表面實際效果是否與目標值相符。據(jù)上文所述，徑向銑削深度與每齒進給量相等時，可獲得較高表面質(zhì)量。同時，據(jù)式(1)、式(2)、式(3)及以上有效直徑的相關(guān)論述，可得切削參數(shù)，見表3。

圖6 模型零件

圖7 有效直徑計算切削參數(shù)

（4）切削表面實際效果 有效直徑按Ra＝0.5μm的測試樣件加工好后清潔干凈，目測表面效果達到良好，初步判斷達到要求，如圖8所示。

圖8 測試樣件

用美國優(yōu)科PG1000電子放大設(shè)備，如圖9所示，對零件表面進行觀察分析。用德國Mahr-M300C粗糙度檢測儀檢測表面粗糙度，如圖10所示。

圖9 電子放大設(shè)備

圖10 Mahr-M300C粗糙度檢測儀

工件測試切削加工時，雖然使用的刀具不同，但切削參數(shù)都按表面粗糙度值Ra＝0.5μm計算，而且計算了有效直徑切削參數(shù)因素，故由fz、ae形成的表面紋理幾何格相近，如圖11所示。

表3 切削參數(shù)

圖11 表面紋理

受機床、冷卻（油霧）、刀柄、刀具、工件材料和檢測儀器誤差等多方面因素影響，實測的表面粗糙度值低于理論表面粗糙度值Ra＝0.5μm，φ6mmR3mm球刀加工后表面粗糙度值Ra＝0.317μm，φ3mmR1.5mm球刀加工后表面粗糙度值Ra＝0.354μm，如圖12所示。但兩支不同直徑的球刀加工的表面粗糙度值結(jié)果相近，與圖11表面紋理觀察結(jié)果相符。

圖12 實測表面粗糙度值

5 結(jié)束語

合理選取切削參數(shù)對提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量有著重要作用，以研究球頭銑刀有效直徑對零件表面粗糙度影響為切入點，通過理論探討分析與樣件測試相結(jié)合的方法，著重分析了球頭銑刀在某一工況條件下，以目標表面粗糙度計算的切削參數(shù)和實際切削的表面質(zhì)量效果相近為依據(jù)，得出如下結(jié)論。

1）不同直徑的球刀，按表面粗糙度公式計算的切削參數(shù)進行加工，可以加工出相近表面粗糙度的表面質(zhì)量。

2）轉(zhuǎn)速不變的條件下，切削進給速度vf應(yīng)隨名義直徑和有效直徑的比值同比下降，才能與名義直徑計算的表面粗糙度值相近。

3）忽略有效直徑的切削參數(shù)計算，將影響零件表面粗糙度，且表面粗糙度值影響程度與名義直徑和有效直徑的比值成正比。