面向頂?shù)断麥p的刃口內(nèi)傾式插銑刀具研究

[摘" " 要]針對(duì)平底工件區(qū)域清除加工，等高插銑是一種效率較高的加工方法，但是應(yīng)用現(xiàn)有插銑刀具加工時(shí)，容易受到頂?shù)秵?wèn)題的困擾。插銑頂?shù)妒遣邈娂庸ぶ薪?jīng)常發(fā)生的一種刀具載荷突變現(xiàn)象，對(duì)加工過(guò)程有較大的負(fù)面影響。應(yīng)用切削仿真方法，分析了插銑刀刃口外傾與刃口內(nèi)傾對(duì)插銑過(guò)程徑向切深的影響，證明刃口外傾刀具在插銑頂?shù)栋l(fā)生時(shí)存在徑向切深突變，刃口內(nèi)傾刀具能夠基本保持徑向切深恒定。定制了主偏角從87°到99°的一系列單齒插銑刀，通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)，比較切削力的變化情況。插銑頂?shù)兜那邢髁ν蛔儸F(xiàn)象可以通過(guò)刃口內(nèi)傾的方案有效減小，隨著刃口內(nèi)傾刀具的主偏角增大，徑向切削力有逐漸減小趨勢(shì)，從而有利于減小原路退刀剮蹭，有利于采用較大插銑參數(shù)以提高效率。

[關(guān)鍵詞]插銑;插銑刀具;插銑頂?shù)?切削力

[中圖分類(lèi)號(hào)]TG714 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

插銑方法源自20世紀(jì)60年代采用成形刀具插銑子彈頭零件，后來(lái)得益于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具技術(shù)的進(jìn)步，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代化的插銑加工技術(shù)。插銑加工采用軸向進(jìn)刀方式，具有小徑向切削力、高切削穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的高效率粗加工方法。近年來(lái)隨著大型整體結(jié)構(gòu)零件的增多，插銑加工的高效率優(yōu)勢(shì)逐漸得到重視。區(qū)域清除加工的目的是快速去除大量工件材料，提高加工效率，為后續(xù)半精加工、精加工打好基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于模具型腔、航空結(jié)構(gòu)件、整體葉輪等機(jī)械加工領(lǐng)域。

因此，將插銑技術(shù)應(yīng)用于區(qū)域清除加工，是一種比較理想的組合。然而，實(shí)際插銑加工時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：①原路退刀時(shí)會(huì)剮蹭;②插銑時(shí)可能頂?shù)?。插銑時(shí)頂?shù)锻ǔ０l(fā)生在插銑工件的底部，刀具徑向切深突然增大，導(dǎo)致切削力和切削振動(dòng)劇烈變化，容易導(dǎo)致刀具損壞。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，刀具商建議通過(guò)逐漸縮短下切深度來(lái)避免插銑頂?shù)叮ㄟ^(guò)附加移刀間隙避免退刀剮蹭。UG等軟件基于這兩個(gè)建議開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的三軸插銑刀具軌跡規(guī)劃算法。但上述建議帶來(lái)如下問(wèn)題：縮短下切深度會(huì)在工件底部殘留大量材料，使得后續(xù)加工時(shí)間延長(zhǎng)，影響加工效率;針對(duì)三軸插銑，附加退刀間隙比較容易，但是對(duì)于五軸插銑，由于相鄰刀具軌跡的刀軸矢量不同，導(dǎo)致附加移刀間隙往往難以實(shí)現(xiàn)。鑒于從刀具軌跡方面解決插銑頂?shù)秵?wèn)題存在局限，因此考慮通過(guò)改進(jìn)插銑刀具結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

為提高刀具的經(jīng)濟(jì)性，一般加工時(shí)采用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)插銑刀具。由于插銑加工技術(shù)的發(fā)展時(shí)間較短，插銑加工工藝尚未普及，插銑刀具相對(duì)于方肩銑和面銑等相對(duì)豐富的刀具產(chǎn)品系列，可選擇范圍較小。

本文通過(guò)分析刀具主偏角對(duì)插銑徑向切深的影響，實(shí)驗(yàn)研究了不同主偏角插銑刀具的切削力，研制了一種刃口內(nèi)傾式插銑刀具，能夠消減插銑頂?shù)兜那邢鬏d荷突變，減小插銑徑向切削力，從而實(shí)現(xiàn)三軸等高插銑與五軸插銑原路退刀。

1 刀具主偏角對(duì)插銑頂?shù)兜挠绊?/p>

1.1 主偏角對(duì)插銑刀的影響

如圖1所示，刀具主切削刃在基面內(nèi)的投影與刀具進(jìn)給方向的夾角為插銑刀具的主偏角。目前，市場(chǎng)可以選擇的插銑刀的刃口都是平底形或者往外傾斜，主流品牌，如肯納、山高等公司的插銑刀主偏角為87°～90°，瓦爾特和山特維克等公司的插銑刀主偏角有的可以達(dá)到75°。

1.2 主偏角對(duì)徑向切深的影響

為了分析刀具主偏角對(duì)插銑時(shí)徑向切深的影響，選用加工仿真方法進(jìn)行試驗(yàn)。

在穩(wěn)定插銑階段，刃口外傾刀具（主偏角lt;90°刀具），刀具徑向切深和移刀步距相同。當(dāng)?shù)毒咔邢鞯焦ぜ撞繒r(shí)，與前一刀切削殘留材料瞬間接觸。此時(shí)刀具徑向切深突然增大為名義切深的數(shù)倍，等于刀具端面刃口的長(zhǎng)度。刀具刃口外傾，這樣在等高插銑時(shí)，工件底部徑向切深突然增大，致使插銑時(shí)的頂?shù)遁d荷突變。

刃口內(nèi)傾刀具（主偏角gt;90°刀具）在穩(wěn)定切削時(shí)，移刀步距和刀具徑向切深相同。由于刀具主偏角為鈍角，當(dāng)?shù)毒咔邢鞯焦ぜ撞繒r(shí)，當(dāng)前刀具切削路徑與前一刀切削殘留材料在移刀方向上不接觸，在移刀反方向刀具與殘留材料有小面積接觸。因此，采用刃口內(nèi)傾式插銑刀具，可以有效減小等高插銑時(shí)的載荷突變。

2 刀具主偏角對(duì)插銑切削力的影響

采用三菱CCMT060404刀片，分別定制了主偏角為-3°，0°，3°，6°，9°的單齒插銑刀具。通過(guò)插銑加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證主偏角變化對(duì)插銑切削力的影響規(guī)律。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

切削實(shí)驗(yàn)在東昱精機(jī)CMV-850A型三軸立式加工中心上進(jìn)行。切削力采集和測(cè)量系統(tǒng)由電荷放大器、YDX-III97壓電測(cè)力儀和數(shù)據(jù)采集分析軟件，以及北京東方振動(dòng)與噪聲研究所的信號(hào)采集儀組成。

實(shí)驗(yàn)采用滿(mǎn)刀開(kāi)槽插銑方式，工件材料為45鋼，對(duì)于不同主偏角的刀具，設(shè)置相同的主軸轉(zhuǎn)速、刀具懸長(zhǎng)和進(jìn)給速度，分別為主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，刀長(zhǎng)60mm，進(jìn)給速度200mm/min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，僅改變插銑移刀步距。

實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行，第一步針對(duì)不同主偏角的刀具，在刀具移動(dòng)步距2mm時(shí)，分別采集分析接近工件底部位置和等高插銑穩(wěn)定切削階段的切削力。第二步，對(duì)于主偏角不同的刀具，分別選取移刀步距0.5mm，1mm，2mm，3mm，4mm和5mm，試驗(yàn)研究徑向和切向切削力的變化規(guī)律。插銑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

2.2 切削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先通過(guò)坐標(biāo)變換，將測(cè)量得到的切削力數(shù)據(jù)Fx，F(xiàn)y轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄r和切向力Ft。轉(zhuǎn)換方法見(jiàn)圖3和式（1）。

其中，

式中，c為刀具切削寬度，R為刀具半徑。

不同刀具的主偏角對(duì)插銑頂?shù)兜妮S向力影響如圖4所示。刃口外傾刀具（主偏角87°的刀具）在插銑工件底部位置附近，切削力大約激增了1.5倍，有較大突變。而對(duì)于內(nèi)傾刀具和平刃刀具，頂?shù)段恢玫妮S向切削力峰值增加小于40%，增長(zhǎng)最小的刀具主偏角為96°，其次是主偏角93°的刀具，主偏角90°和99°的刀具軸向受力峰值和變化情況比較類(lèi)似。

在相同移刀步距下，刀具主偏角變化對(duì)切向力的影響較小。針對(duì)同一把刀具，在不同移刀步距下，其切向力幾乎和移刀步距成正比。在相同移刀步距下，刀具主偏角變化對(duì)徑向力影響呈先增大后減小趨勢(shì)。隨著刃口從外傾變?yōu)樗?，刀尖圓角部分的切削刃參與切削長(zhǎng)度增加，所以刀具所受的徑向切削力增大。由于刀具刃口內(nèi)傾，切削力的分力會(huì)抵消掉一部分徑向力。另外，在較大的切削力作用下，由于刀桿變形，使得副切削刃與工件側(cè)壁刮擦，從而增大了徑向切削力。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用插銑原路退刀方式。對(duì)于刃口內(nèi)傾式插銑刀具，隨著內(nèi)傾角增加，原路退刀時(shí)，刀具與工件側(cè)壁的剮蹭逐漸減小，可以做到直接原路退刀。

3 刃口內(nèi)傾錯(cuò)位式插銑刀具

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果，結(jié)合前期在插銑刀錯(cuò)位分屑方面的研究成果，設(shè)計(jì)并制造了刃口內(nèi)傾錯(cuò)位式插銑刀具，如圖5所示。

該刀具采用標(biāo)準(zhǔn)的CNMG和CCMT刀片，刃口內(nèi)傾7°，相鄰刀片徑向錯(cuò)位，主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）刃口內(nèi)傾可以有效消減插銑頂?shù)兜妮d荷突變。

（2）刃口內(nèi)傾使得徑向力較小，能夠?qū)崿F(xiàn)原路退刀。

（3）徑向錯(cuò)位可以實(shí)現(xiàn)分屑加工，能夠減小切削力，采用更大的移刀步距。

（4）徑向錯(cuò)位能夠充分利用ISO標(biāo)準(zhǔn)菱形數(shù)控刀片的鈍角刀尖，提高插銑加工的經(jīng)濟(jì)性。

4 應(yīng)用案例

目前，上述刃口內(nèi)傾錯(cuò)位式插銑刀具已經(jīng)在沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司獲得應(yīng)用。圖6為不銹鋼整體葉輪的插銑加工案例，采用刃口內(nèi)傾錯(cuò)位的插銑刀具，針對(duì)大型不銹鋼葉輪插銑加工。與傳統(tǒng)的3+2方式相比，加工效率能提高1倍左右，與山高等進(jìn)口插銑刀具相比，加工效率提高50%以上，而且退刀剮蹭小，刀片成本僅為進(jìn)口刀具的40%左右。

5 結(jié)論

（1）刃口內(nèi)傾插銑刀，可以有效消減插銑頂?shù)兜妮d荷突變。

（2）刃口內(nèi)傾插銑刀，可以顯著降低徑向切削力。

（（3）刃口內(nèi)傾錯(cuò)位式插銑刀能夠應(yīng)用于開(kāi)口型腔零件的等高插銑區(qū)域清除，加工效率高。

（4）刃口內(nèi)傾式插銑刀具可以實(shí)現(xiàn)五軸插銑的原路退刀，在不銹鋼整體葉輪插銑加工中應(yīng)用良好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

舒鑫（1980—），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。