高效銑削不銹鋼薄壁件刀具優(yōu)化研究

王寶恒，李紅麗，朱 飛，馮志彪，王鮮輝，張 剛，余 昕，王永國(guó)

(1.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710100；2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444)

0 引言

航空航天制造業(yè)是高新技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)技術(shù)能力和水平反映了一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平和制造業(yè)實(shí)力，在國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[1]。在航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的加工中，薄壁件是一種典型的常見(jiàn)難加工結(jié)構(gòu)的零件[2]。由于其剛性差，通常在加工中容易產(chǎn)生變形、振動(dòng)等現(xiàn)象，這使得加工刀具的使用條件十分惡劣[3]。

加工薄壁件時(shí)的振動(dòng)抑制方面的工作目前國(guó)內(nèi)外的研究可以分為：主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和切削參數(shù)控制等方法。主動(dòng)控制是通過(guò)在線檢測(cè)裝置測(cè)量刀具與工件間的振動(dòng)實(shí)時(shí)情況，將外部能量供給制動(dòng)器上，對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行反饋控制，被動(dòng)控制則是通過(guò)各種吸振器來(lái)減小振動(dòng)，切削參數(shù)控制是通過(guò)檢測(cè)切削信號(hào)，調(diào)整切削參數(shù)來(lái)進(jìn)行振動(dòng)控制[4-6]。

通過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)并結(jié)合實(shí)踐調(diào)整刀具及整個(gè)工藝系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)廠的技術(shù)人員通過(guò)在零件內(nèi)腔增加支撐胎，提高了工藝系統(tǒng)的剛性，并通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)，最大程度使工藝系統(tǒng)、刀具、加工工藝等達(dá)到匹配，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼薄壁件的可加工性。但隨著日漸加重的生產(chǎn)任務(wù)，加工效率的提升必然導(dǎo)致新的加工工藝與原來(lái)的刀具系統(tǒng)不再匹配。因此，通過(guò)刀具優(yōu)化，使得系統(tǒng)重新匹配，突破這一技術(shù)瓶頸迫在眉睫。本文分析了不銹鋼薄壁件的加工過(guò)程及加工特性，通過(guò)優(yōu)化刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)，調(diào)整切削參數(shù)，達(dá)到了提高加工效率，增加刀具壽命的目的。

1 不銹鋼薄壁件刀具優(yōu)化

1.1 高速鋼刀具加工不銹鋼薄壁件磨損現(xiàn)象分析

本文針對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的某不銹鋼薄壁零件展開(kāi)關(guān)于不銹鋼薄壁件銑削的刀具優(yōu)化研究。工件材料為1Cr18Ni9Ti，材料元素含量如表1所示。目前使用的刀具為20齒φ160的高速鋼三面刃銑刀，如圖1所示。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼元素成分表

(a) 高速鋼三面刃銑刀 (b) 大量工件材料在前刀面上堆積 (c) “燒刀子”現(xiàn)象

目前的高速鋼刀具加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速120 r/min，進(jìn)給量120 mm/min，刀具壽命為50槽，如表2所示。由于不銹鋼材料“粘性”較大，成分與高速鋼刀具接近，使得高速鋼刀具加工不銹鋼材料時(shí)粘著磨損嚴(yán)重(如圖1b所示)，刀具壽命不高。另外，受到刀具材料的限制，易出現(xiàn)“燒刀子”(如圖1c所示)的現(xiàn)象。但由于高速鋼刀具韌性較好，具有一定的吸振能力，振刀時(shí)易出現(xiàn)的崩刃現(xiàn)象在高速鋼刀具上并不明顯。為保證零件加工質(zhì)量，以目前的加工刀具條件，切削速度難以增加。因此需要針對(duì)不銹鋼材料對(duì)刀具材料進(jìn)行優(yōu)化，確保刀具在高速切削下的耐磨性能。

表2 原高速鋼刀具尺寸、加工參數(shù)及刀具壽命

對(duì)于薄壁件銑削加工來(lái)說(shuō)，由于薄壁件內(nèi)腔部分(即平行于待加工表面的工件內(nèi)表面)缺乏支撐，剛性很差。尤其對(duì)于銑削這一斷續(xù)加工而言，刀齒不連續(xù)地切削工件使得加工過(guò)程中極易發(fā)生振刀。要想在工件表面加工出質(zhì)量良好的表面，需要刀具具有一定的抗振能力以克服加工中的振刀現(xiàn)象。

1.2 刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合1.1節(jié)的分析，設(shè)計(jì)了如圖2所示的焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀作為試驗(yàn)刀具，刀具的關(guān)鍵尺寸及角度如表3所示。采用將40Cr鋼材作為刀具基體材料可以提高刀具整體抗振能力，而硬質(zhì)合金的刀頭則可以提高刀具在高速銑削時(shí)的耐磨性[7]。將原來(lái)高速鋼的30齒增加到40齒，同時(shí)由于刀具耐磨性的提高使得試驗(yàn)刀具具有增加切削速度的潛力，這些特性使得焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀具有提高加工效率的潛力。

表3 銑刀參數(shù)

(a) 刀具整體圖 (b) 刀具局部放大圖圖2 焊接式硬質(zhì)合金40齒三面刃銑刀

2 焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀試驗(yàn)

試驗(yàn)在直槽銑槽機(jī)XZC-180上進(jìn)行，兩片三面刃銑刀安裝于刀柄上，為銑出合適的槽寬和筋寬(如圖3所示)，在兩片刀之間安裝一墊片，刀具裝夾方式如圖4所示。

圖3 需要在工件上銑削的筋和直槽 圖4 刀片裝夾示意圖

實(shí)驗(yàn)采用焊接式硬質(zhì)合金40齒三面刃銑刀，如圖4所示，刀具參數(shù)如表3所示。中間夾一墊片并錯(cuò)齒安裝于直槽銑槽機(jī)主軸上，以完成對(duì)直槽和筋的銑削。實(shí)驗(yàn)所采用的加工參數(shù)如表4所示。采用100倍光學(xué)顯微鏡觀察刀具磨損，并比較不同參數(shù)下刀具壽命。

表4 試驗(yàn)切削參數(shù)表

3 結(jié)果分析

為優(yōu)化焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀的加工參數(shù)，本文以加工壽命為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比了銑刀在不同切削參數(shù)下的刀具壽命。當(dāng)加工零件的表面質(zhì)量達(dá)不到圖紙要求或出現(xiàn)異常切削聲音時(shí)視為達(dá)到刀具壽命。

由圖5可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，刀具壽命呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在轉(zhuǎn)速為260 r/min時(shí)達(dá)到最大壽命。這是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，切削溫度也逐漸上升，切削熱的增加使得工件材料被軟化，從而導(dǎo)致切削力和沖擊減小，使得刀具壽命增加。但是當(dāng)轉(zhuǎn)速突破臨界點(diǎn)時(shí)，由于不銹鋼材料的塑性較強(qiáng)，在較高溫度的情況下易產(chǎn)生粘著磨損和積屑瘤(如圖6a所示)，最終因后刀面過(guò)度磨損失效(如圖6b所示)，從而使刀具壽命下降[8-12]。

圖5 轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量對(duì)刀具壽命的影響

而隨著每齒進(jìn)給量的增加，刀具壽命呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，并在每齒進(jìn)給量為0.017 mm/z時(shí)達(dá)到最大壽命。這是由于隨著每齒進(jìn)給量的增加，切削力逐漸增加，在加工薄壁件的過(guò)程中，較大的切削力更易引起整個(gè)工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)生振刀現(xiàn)象并對(duì)刀具產(chǎn)生劇烈破壞，引發(fā)刀具崩刃(如圖6c所示)，從而使刀具壽命劇烈下降。

(a) 粘屑 (b) 過(guò)度磨損 (c) 崩刃圖6 刀具在各切削參數(shù)下的不同磨損形式

通過(guò)對(duì)刀具壽命在不同轉(zhuǎn)速下變化規(guī)律的分析可以得知轉(zhuǎn)速在260 r/min的情況下為本文所設(shè)計(jì)的焊接式三面刃銑刀最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。另外，對(duì)于刀具壽命隨每齒進(jìn)給量的變化趨勢(shì)可以預(yù)想，每齒進(jìn)給量越小刀具壽命越大，但會(huì)相應(yīng)的犧牲加工效率，因此本文綜合考慮刀具壽命和加工效率的情況下，選擇每齒進(jìn)給量0.017 mm/z作為實(shí)際加工參數(shù)，即進(jìn)給量為180 mm/min的情況。

4 結(jié)論

不銹鋼薄壁件銑削加工，加工過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，刀具磨損嚴(yán)重，難以提高加工效率。本文基于此開(kāi)發(fā)了一種焊接硬質(zhì)合金三面刃銑刀，鋼制刀體具有很好的吸振能力，降低切削過(guò)程振動(dòng)，從而降低刀具磨損，提高刀具的壽命，硬質(zhì)合金刀片具有良好的耐磨性并且適用于高速切削。本文通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接式硬質(zhì)合金三面刃銑刀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=260 r/min，進(jìn)給速度：vf=180 mm/min時(shí)，得到了最好的切削效果，其中銑削溝槽數(shù)量高達(dá)到400條。本文設(shè)計(jì)焊接硬質(zhì)合金三面刃銑刀，成功應(yīng)用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)某關(guān)鍵零件生產(chǎn)線，將進(jìn)給速度由120 mm/min提升至180 mm/min，切削效率提升近50%，銑削溝槽數(shù)量由50個(gè)提升至400個(gè)，刀具壽命提高近7倍。