零件型面對數(shù)控銑刀切削壽命的影響研究

袁國強(qiáng)，鐘曉鷗

（珠海格力精密模具有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引 言

數(shù)控加工刀具經(jīng)過一段時(shí)間的切削加工后，會(huì)導(dǎo)致加工的工件質(zhì)量受影響、刀具損壞等情況，嚴(yán)重時(shí)可能存在斷刀、撞機(jī)等安全隱患，因此，如何對刀具切削壽命進(jìn)行合理預(yù)測至關(guān)重要。周亞勤等[1]研究預(yù)測數(shù)控銑刀切削壽命時(shí)考慮了銑刀直徑、銑刀齒數(shù)、每齒進(jìn)給量、銑削速度、銑削深度、銑削寬度以及工件材料可加工性等因素的影響；劉芳文[2]從切削用量、刀具的幾何參數(shù)、工件材料、刀具材料、刀具的刃磨質(zhì)量、潤滑冷卻條件6個(gè)方面論述了對刀具耐用度的影響；王亮等[3]進(jìn)行了在不同切削參數(shù)工況下切削典型難加工淬硬材料Cr12MoV刀具切削壽命的研究。上述學(xué)者的研究主要集中在刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)、材料屬性、冷卻方式上，而對于被加工零件型面對刀具切削壽命的影響因素均未提及。鑒于此，以下對球頭銑刀在加工不同型面時(shí)的切削壽命進(jìn)行了分析研究，并總結(jié)了刀具壽命的計(jì)算公式，為提高硬質(zhì)合金立銑刀的壽命提供理論依據(jù)。研究中提到的刀具切削壽命是指新刀（或修磨、涂層后初次使用的刀具）第一次裝夾在數(shù)控機(jī)床上，使用至磨損到技術(shù)公差范圍最大值的切削總時(shí)間，與張鍇鋒等[4]提到的“新刀由開始使用到破損報(bào)廢所經(jīng)歷的切削時(shí)間累加之和為刀具總壽命”概念有所不同，該研究對CAM編程、現(xiàn)場生產(chǎn)加工具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 型面影響因素理論分析

1.1 單一角度曲面零件刀具切削壽命

圖1、圖2分別為銑削單一角度型面為5°、45°曲面時(shí)的切削刃狀態(tài)，由圖1、圖2可知，當(dāng)型面為任意單一角度時(shí)，在實(shí)際切削過程中，球頭圓心到實(shí)際切削刃兩端點(diǎn)連線的夾角α相同、切削位置固定不變，直至刀具使用壽命終止。切削刃的弧長用以下公式計(jì)算：

圖1 5°曲面零件精銑

圖2 45°曲面零件精銑

其中，L為刀具切削加工時(shí)的切削刃長度，mm；α為刀具圓心到切削余量與切削刃長度L相交兩端點(diǎn)的連線夾角，（°）；r為球刀半徑，mm。

當(dāng)切削刀具為φ10R5球頭刀、余量0.05 mm時(shí)，可得出：mm，即工件曲面將在1.41 mm切削刃弧長范圍內(nèi)切削。

切削工況相同時(shí)，用UG軟件模擬測繪得出：不同單一角度曲面的α相同，如表1所示，由此可得出相同刀具切削不同角度的單一曲面零件，切削刃弧長相同的結(jié)論。

表1 各單一角度曲面對應(yīng)切削刃弧長

刀具球頭半圓的弧長用公式L半圓弧長=πr計(jì)算可得，Lφ10R5半圓弧長=3.14×5=15.7 mm，據(jù)刀具切削部分與刀具球頭半圓的比值可知，加工單一角度曲面零件時(shí)只利用了約9%的球頭刀具切削刃壽命，還有91%的新刀刃未參與切削，如果以9%的切削弧長加工時(shí)間確定為此刀具的切削壽命，將對刀具成本造成巨大的浪費(fèi)。

現(xiàn)場實(shí)際加工中，如果在某一工況和磨損值條件下，測得切削單一角度曲面零件的刀具切削壽命是1 h，則CAM技術(shù)人員在編程加工時(shí)需合理分割1 h/條程序，現(xiàn)場操作工可以每加工完一條程序就重新?lián)Q一支新刀具繼續(xù)加工，保證加工零件型面的精度公差，但這只利用了約9%的切削弧長壽命。因此，當(dāng)零件由2種角度的單一曲面組成時(shí)，如圖3所示，據(jù)上述理論，刀具切削壽命可確定為1 h×2=2 h，CAM技術(shù)人員分割程序以2 h/條程序進(jìn)行加工。以此類推，當(dāng)n個(gè)角度型面模型加工時(shí)，其刀具切削壽命應(yīng)乘以相應(yīng)的倍數(shù),如表 2所示，才能在保證加工精度的同時(shí)又能最大化利用刀具切削壽命。

圖3 5°和45°組合角度斜面零件精銑

表2是常用的整體硬質(zhì)合金刀具規(guī)格及對應(yīng)的切削刃弧長。由表2可知，不同直徑的刀具在切削加工單一角度曲面零件時(shí)，其切削刃弧長不同，允許刀具切削壽命相乘的最大倍數(shù)也不同。

表2 不同規(guī)格刀具切削多角度曲面零件刀具切削壽命允許的最大倍數(shù)范圍

1.2 單一R弧面零件刀具切削壽命

銑削零件型面為單一R弧面時(shí)，如圖4所示，切削刃弧長L的計(jì)算方法與上述單一角度曲面切削刃弧長計(jì)算方法相同，在UG軟件模擬測繪可知a、b、c三處的α=18.1°，故3處的弧長L相等，但球刀的切削刃位置a、b、c是連續(xù)移動(dòng)變化的（單一角度曲面切削位置固定不變），故銑圓弧面時(shí)切削點(diǎn)最大值構(gòu)成的夾角α′，如圖5所示，由所切削圓弧型面決定，據(jù)式（1）可得，同理可得因此切削壽命倍數(shù)，即如果該刀具在某一工況下測得L切削弧長=1.58 mm可切削壽命為1 h，則加工圖5所示的模型時(shí)，切削壽命=1 h×7.1倍=7.1 h。

圖4 R25 mm單一弧面零件精銑

圖5 R25 mm單一弧面零件精銑切削刃總弧長

據(jù)UG計(jì)算各R弧面的參考切削刃弧長，對比后發(fā)現(xiàn)切削弧面R100～R2 000 mm，切削刃弧長只相差0.03 mm，如表3所示，故實(shí)際加工中，此弧面R范圍內(nèi)的切削刃弧長可取最大值1.45 mm，以方便實(shí)際運(yùn)用。

表3 切削刃弧長

2 型面影響因素實(shí)際加工驗(yàn)證

2.1 單一角度曲面刀具切削壽命測試

2.1.1 測試準(zhǔn)備

對φ10R5球頭刀進(jìn)行測試，以確定某工況條件下刀具切削壽命，測試加工樣件是一塊738H鋼材，尺寸為360 mm×150 mm×37 mm，洛氏硬度為34～38 HRC，切削型面為3°斜面（屬單一角度曲面零件），如圖6所示。測試件的編程工藝為：粗銑，徑、軸向留余量0.2 mm→半精加工，徑、軸向留余量0.05 mm→精銑，徑、軸向留余量0。

圖6 3°斜面測試工件

2.1.2 測試樣件精加工

樣件粗銑、半精銑后，3°斜面上均勻留0.05 mm余量進(jìn)行精銑。精加工階段在保證表面質(zhì)量的前提下，盡量提升每齒進(jìn)給量和切削寬度。隨著每齒進(jìn)給量和徑向切寬的增大，表面粗糙度也將增大，每齒進(jìn)給量和徑向切寬對表面粗糙度影響顯著，因?yàn)殡S著徑向切寬和每齒進(jìn)給量的增大，加工表面的溝痕寬度增大，對應(yīng)的表面粗糙度逐漸增大，這是由于徑向切寬和每齒進(jìn)給量增大會(huì)使金屬切除量及切削變形增大，已加工表面的殘留高度增大，導(dǎo)致表面粗糙度值增大[6]。殘留高度值可根據(jù)下式計(jì)算：

其中，H為殘留余量高度，mm，R為球頭刀具半徑，mm，ae為徑向切寬，mm。

為達(dá)到表面粗糙度的最佳效果，參考以上切削理論，ae和fz（fz為每齒進(jìn)給量）盡量接近，以使切削后表面刀痕網(wǎng)格均勻，如圖7所示。當(dāng)ae=fz時(shí)，X、Y2個(gè)方向的粗糙度值理論上相同，切削的表面效果也最佳，且產(chǎn)生的切削力較小，因而機(jī)床振動(dòng)很小,容易得到較好的表面質(zhì)量[7]。為了提高切削效率，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際切削情況，fz通常會(huì)稍加大，對零件表面粗糙度不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，由此得出零件的較佳切削參數(shù)，如表4所示。此工況切削3 h后，刀具磨損輕微，還在精度公差范圍內(nèi)，零件表面粗糙度達(dá)到要求，如圖8所示，據(jù)此可確定在此工況下切削單一角度曲面或單一R弧面時(shí)，其切削壽命為3 h。

圖7 銑削的表面粗糙度

表4 實(shí)際切削工況

圖8 切削3°斜面球刀磨損情況

2.2 刀具切削壽命實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

2.2.1 實(shí)際應(yīng)用切削壽命理論分析

某模具零件是典型的單一R弧面零件，型面為R1 850 mm，尺寸為1 100 mm×590 mm×110 mm，如圖9所示。該零件有高光要求，加工時(shí)表面粗糙度要求高、形狀簡單，具有較強(qiáng)的代表性，適合刀具切削壽命影響研究。由圖9可知，φ10R5球刀參與切削刃的最大圓弧夾角是30.9°，據(jù)式（1）可得，據(jù)表3可知，LR2000切削刃弧長≈1.42 mm，切削壽命倍數(shù)，參考上述試切刀具切削壽命是3 h，可得精銑此零件的理論刀具切削壽命=3 h×2=6 h。

圖9 單一R弧面零件

2.2.2 驗(yàn)證內(nèi)容

驗(yàn)證內(nèi)容如下：①刀具切削壽命：驗(yàn)證刀具切削壽命是否與理論計(jì)算相符；②加工表面質(zhì)量是否滿足要求。

2.2.3 切削工況

（1）銑削刀具和夾持。選用高速球頭銑刀，其切削部分直徑為φ10 mm，柄徑φ10 mm，總長75 mm，刃長18 mm，2個(gè)齒，此刀具有良好的切削表面質(zhì)量；選用高精彈簧刀柄HSK-A63-MEGA20N-120夾持，夾持長度≤4D，跳動(dòng)精度可控制≤0.004 μm，可有效降低切削振動(dòng)，提高加工精度和表面粗糙度，滿足大多數(shù)零件的精加工要求。

（2）工件材料。為保證加工產(chǎn)品表面的高光質(zhì)量，采用硬度和拋光性能較好的738H預(yù)硬鋼，洛氏硬度為34～38 HRC，其化學(xué)元素組成如表5所示，方鋼規(guī)格為1 010 mm×580 mm×103 mm。

表5 738H材料成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

（3）切削設(shè)備。試驗(yàn)使用Makino V77加工中心，其行程范圍為X：1 200 mm、Y：700 mm、Z：650 mm，轉(zhuǎn)速范圍：50～18 000 r/min；定位精度為0.001 5 mm。主軸功率為AC22/18.5 kW（30 min/連續(xù)），主軸扭矩為151/124 N·m（25%ED/連續(xù)），一體式電主軸（陶瓷主軸、混合陶瓷球軸承）。該機(jī)床具有較高的加工精度和良好的穩(wěn)定性，加工零件的表面效果好。機(jī)床系統(tǒng)自帶刀具切削壽命監(jiān)控模塊，可對各刀位（刀號）的刀具進(jìn)行壽命設(shè)置，超過切削壽命，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

（4）編程軟件。采用了專業(yè)的CAM編程軟件PowerMILL，該軟件功能強(qiáng)大、安全性能高，可以對刀具路徑進(jìn)行編輯、剪切，靈活方便。

2.2.4 實(shí)際切削過程及效果

（1）程序策略。根據(jù)被加工零件型面平坦的直紋特性，編程時(shí)采用效率較高的平行精加工策略，刀路軌跡設(shè)置角度為0，與工件的長邊方向平行，優(yōu)點(diǎn)是加工切削時(shí)間基本只在X軸方向運(yùn)動(dòng)，可發(fā)揮最優(yōu)的機(jī)床穩(wěn)定性能和使用最短的切削時(shí)間，如圖10所示。據(jù)軟件統(tǒng)計(jì)，程序時(shí)間已達(dá)12 h，超出了上述試驗(yàn)結(jié)果“6h切削壽命”。因此，利用Power-MILL軟件編輯、剪切功能將程序剪切成相等切削時(shí)間的2條程序，考慮刀具磨損因素，再利用編輯重排功能使2條程序都由零件的中間開始向兩側(cè)方向加工，以保證不會(huì)出現(xiàn)2支刀具（2條程序）的磨損引起加工型面表面臺階現(xiàn)象。

圖10 平行策略刀路軌跡

（2）切削要素。合理有效的切削參數(shù)能保證切削的表面質(zhì)量。R5球頭刀精銑弧面的切削參數(shù)如表4所示，切削過程中，全程都用乳化液對準(zhǔn)刀具球頭噴射，可及時(shí)冷卻刀具和沖走切削產(chǎn)生的鐵屑，提高零件表面的粗糙度。

（3）刀具磨損狀況。根據(jù)上述切削壽命分析，將程序分為2條，每條程序6 h用一支新刀，共使用2支φ10R5球頭新刀。工件切削完成后，機(jī)床自帶的刀具壽命監(jiān)控系統(tǒng)均未報(bào)警，說明刀具切削未超過設(shè)定的壽命。利用機(jī)床的自動(dòng)對刀功能，在機(jī)床的控制面板讀取刀具切削前、后的Z值，對比可以獲得刀具的磨損值為0.012 mm，符合產(chǎn)品的精度要求；用40倍的放大鏡檢查刀具的磨損狀況發(fā)現(xiàn)刀具狀況良好，無崩角與積屑瘤，屬于正常切削磨損，如圖11所示。

圖11 切削6 h后的刀具狀況

（4）切削效果。用壓縮空氣的風(fēng)槍吹走工件上的鐵屑、乳化液，再用布擦干凈，目測表面效果良好，用手持粗糙度儀檢測表面粗糙度，粗糙度值Ra≤0.3 μm，如圖12所示，加工質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。

圖12 零件加工效果

3 結(jié)束語

延長刀具切削壽命和減小刀具磨損量對提高零件加工精度和效率非常重要[8]。以研究φ10R5球頭銑刀精銑單一角度斜面、單一R弧面為切入點(diǎn)，通過理論分析、軟件模擬、樣件測試、現(xiàn)場切削加工相結(jié)合的方法，分析了球頭銑刀在確定切削工況條件下，對型面因素影響刀具切削壽命進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

（1）通過UG軟件的模擬，在半精加工余量0.05 mm、選用φ10R5精銑單一角度斜面時(shí)，，且切削刃位置恒定不變，有n個(gè)角度斜面切削時(shí)，其刀具切削壽命乘以n倍。

（2）通過UG軟件的模擬，在半精加工余量0.05 mm、銑削零件型面為單一R弧面時(shí)，可測得切削角度，并通過公式計(jì)算L切削總弧長和L切削刃弧長，其切削刃位置在L切削總弧長范圍內(nèi)是連續(xù)變化的，其刀具切削壽命倍數(shù)。

在銑削單一角度斜面（弧面）刀具壽命的基礎(chǔ)上，刀具切削壽命應(yīng)再乘以倍數(shù)n，才是刀具的真正壽命，在CAM編程時(shí)應(yīng)以此為參考控制每條程序切削時(shí)間，才能最大化利用銑刀切削壽命。此結(jié)論對模具零件、多曲面零件切削刀具使用具有參考意義，并且可提高機(jī)床稼動(dòng)率，延長了刀具切削壽命，降低企業(yè)的用刀成本，增強(qiáng)制造企業(yè)競爭力。