錯(cuò)齒分屑插銑刀與普通插銑刀的對(duì)比加工實(shí)驗(yàn)

[摘" " 要]試制一種基于錯(cuò)位分屑原理的插銑刀具，通過切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其分屑效果。對(duì)比分析分屑插銑刀具與普通插銑刀具在切削17-4PH不銹鋼這種難加工材料時(shí)的切削力、切削振動(dòng)和刀具壽命。結(jié)果表明，每齒進(jìn)給量取值不超出設(shè)計(jì)范圍時(shí)，該刀具可實(shí)現(xiàn)可靠分屑。與普通插銑刀具相比，分屑插銑刀具能夠顯著減小切削力，提高刀具壽命，而且因錯(cuò)位分屑導(dǎo)致的刀具當(dāng)量齒數(shù)減少的問題不會(huì)引起分屑插銑刀具切削振動(dòng)的加劇。

[關(guān)鍵詞]插銑刀具;切削振動(dòng);錯(cuò)位分屑;切削力;刀具壽命

[中圖分類號(hào)]TG501.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

為了證明錯(cuò)齒分屑插銑刀的切削效果，試制了一把具有錯(cuò)齒分屑功能的插銑刀，現(xiàn)使用徑向錯(cuò)位1.2mm分屑插銑刀具和普通插銑刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，對(duì)比其切削力、切削振動(dòng)，并定性分析刀具壽命。

實(shí)驗(yàn)中采用的工件材料為17-4PH不銹鋼。不銹鋼在機(jī)械加工時(shí)有較大的塑性變形，容易產(chǎn)生加工硬化，致使加工中切削溫度高、切削力大，刀具容易磨損。透平壓縮機(jī)的整體葉輪常用不銹鋼材料，離心壓縮機(jī)葉輪的葉片為薄壁結(jié)構(gòu)。加工中兩個(gè)葉片之間有很大的材料去除量，插銑工藝非常適合應(yīng)用在該類零件的加工中。

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。切削力和振動(dòng)信號(hào)測(cè)量、采集系統(tǒng)如圖1和圖2所示，該系統(tǒng)由壓電測(cè)力儀、加速度傳感器、電荷放大器信號(hào)采集儀和數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。刀具磨損情況通過萬(wàn)能工具顯微鏡進(jìn)行觀察。

1 切削實(shí)驗(yàn)

針對(duì)不銹鋼的材料特性，選擇適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)（見表1）。需要指出的是，實(shí)驗(yàn)中保持兩種刀具的切削參數(shù)相同，此時(shí)分屑刀具的每齒進(jìn)給量是普通刀具的2倍。

兩種刀具在工件上留下的加工痕跡如圖3所示，圖3（a）為分屑刀具的加工痕跡，整個(gè)切削區(qū)域被分成兩部分切除，外側(cè)刀片和內(nèi)側(cè)刀片切削區(qū)域相接處的臺(tái)階清晰可辨;圖3（b）為普通刀具的加工痕跡，整個(gè)切削區(qū)域被一次切除。通過加工刀痕和切屑形狀的特點(diǎn)，可以證明分屑刀具在本實(shí)驗(yàn)所用切削參數(shù)下分屑功能可靠。

2 切削力分析

實(shí)驗(yàn)中采集的切削力和切削振動(dòng)信號(hào)被轉(zhuǎn)化到圖4所示的坐標(biāo)系中進(jìn)行描述，實(shí)驗(yàn)時(shí)刀具沿Y軸正方向步進(jìn)。

為了對(duì)比兩種刀具的切削力大小，采用各向切削力在切削穩(wěn)定階段的均值進(jìn)行對(duì)比。普通刀具插銑刀和分屑插銑刀在加工不銹鋼時(shí)的各方向切削力大小見表2。

使用表1設(shè)置的切削參數(shù)進(jìn)行插銑加工時(shí)，相比于普通刀具，分屑刀具施加到工件上的切削力x向、y向和z向分量分別減小了9%、11%和17.8%。

上述結(jié)果表明，將分屑原理應(yīng)用于插銑刀具設(shè)計(jì)能夠顯著減小切削力。刀具施加到工件上的y向切削力都比較小，在加工薄壁結(jié)構(gòu)的零件時(shí)采用插銑方法可有效減輕由于徑向切削力造成工件的變形，提高加工質(zhì)量和精度。

3 切削振動(dòng)分析

插銑加工的過程是斷續(xù)切削，刀具刃口周期性地切入和切出產(chǎn)生切削力，切削力周期性變化引起工件和刀具的振動(dòng)。為減輕切削力的波動(dòng)，減小切削過程中強(qiáng)迫振動(dòng)的幅度，一般可通過增加銑刀齒數(shù)的方法。本文提出的錯(cuò)位分屑方法會(huì)使刀具的當(dāng)量齒數(shù)減少，加劇切削振動(dòng)，但分屑刀具產(chǎn)生的切削力小，又有助于減輕切削振動(dòng)。下面針對(duì)切削振動(dòng)，對(duì)比兩種刀具的性能。

刀具切削不銹鋼時(shí)各向切削力的方差見表3，通過方差數(shù)據(jù)可以看出，分屑刀具切削不銹鋼時(shí)各向切削力的波動(dòng)遠(yuǎn)大于普通刀具的波動(dòng)。

插銑加工不銹鋼時(shí)，普通刀具的刃口切削頻率為83.3Hz，錯(cuò)齒刀具的刃口切削頻率為41.67Hz。通過頻譜分析可知，工件振動(dòng)信號(hào)的各次諧波均為刀具激勵(lì)頻率的整數(shù)倍，工件的振動(dòng)形式為受迫振動(dòng)，未發(fā)生共振。

對(duì)于同一水平的切削力，其波動(dòng)性越強(qiáng)則會(huì)引起更強(qiáng)的沖擊振動(dòng)。通過兩種刀具產(chǎn)生的切削力的數(shù)據(jù)可知，分屑刀具施加到工件上的切削力的波動(dòng)性更大，但切削力數(shù)值較小。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，分屑刀具和普通刀具引起的工件振動(dòng)基本處于同一水平，且分屑刀具引起的切削振動(dòng)略小，分屑刀具齒數(shù)少的劣勢(shì)可以通過切削力小的特點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。

4 刀具壽命分析

切削實(shí)驗(yàn)選用17-4PH不銹鋼材料進(jìn)行，分別使用徑向錯(cuò)位2mm的錯(cuò)齒刀具、徑向錯(cuò)位1.2mm的錯(cuò)齒刀具和普通插銑刀具，定性分析分屑刀具和普通刀具的刀具壽命，實(shí)驗(yàn)過程中通過機(jī)床主軸負(fù)載情況估計(jì)刀具磨損狀況。

實(shí)驗(yàn)中普通刀具和徑向錯(cuò)位1.2mm分屑刀具的切削參數(shù)與表1相同，徑向錯(cuò)位2mm分屑刀具除插銑步距為4mm外，其他切削參數(shù)也與表1相同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的工件如圖5所示，圖5（a）中右側(cè)的5行切削痕跡是利用徑向錯(cuò)位1.2mm的分屑刀具進(jìn)行切削，左側(cè)4行切削痕跡是利用普通刀具進(jìn)行切削;圖5（b）中的5行切削痕跡由徑向錯(cuò)位2mm的分屑刀具進(jìn)行切削。實(shí)驗(yàn)過程中，普通刀具切削時(shí)間約30min，切除金屬約815cm3，期間機(jī)床主軸負(fù)載從13%上升至17%;徑向錯(cuò)位1.2mm分屑刀具切削時(shí)間約40min，切除金屬約1045cm3，期間機(jī)床主軸負(fù)載從12%上升至15%;徑向錯(cuò)位2mm分屑刀具切削時(shí)間約30min，切除金屬約1197cm3，期間機(jī)床負(fù)載從14%上升至18%。

普通刀具刀片實(shí)驗(yàn)后的磨損情況如圖6所示，其中（a）和（c）為一個(gè)刀片的前后刀面，（b）和（d）為另一個(gè)刀片的前后刀面。它們的共同特征是后刀面磨損嚴(yán)重，前刀面有較輕磨損。這是切削塑性材料每齒進(jìn)給量較小時(shí)的典型刃口磨損狀態(tài)。

利用工具顯微鏡進(jìn)行觀察，刀片的前刀面整體上磨損程度較輕，被磨出較淺的月牙洼或小凹坑，且粘結(jié)有工件材料，月牙洼寬度約0.4mm;刀片后刀面材料有大片的剝離且磨損區(qū)域工件材料粘結(jié)更加嚴(yán)重，磨損寬度最大約1mm。切削過程中最終導(dǎo)致刀具切削刃破損的原因是后刀面不斷磨損，因此后刀面磨損是普通刀具失效的主要原因。

實(shí)驗(yàn)后徑向錯(cuò)位1.2mm分屑刀具的磨損情況如圖7所示，其中內(nèi)側(cè)刀片的前后刀面如（a）和（c）所示，外側(cè)刀片的前后刀面如（b）和（d）所示。分屑刀具的刀片后刀面磨損量較小，主要磨損發(fā)生在前刀面，這是切削塑性材料時(shí)采用較大的每齒進(jìn)給量的典型磨損狀態(tài)。因?yàn)橥鈧?cè)刀片的切削速度大，可以觀察到外側(cè)刀片比內(nèi)側(cè)刀片的前刀面磨損程度嚴(yán)重。而且本實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的插銑步距導(dǎo)致外側(cè)刀片負(fù)擔(dān)的金屬切除量比內(nèi)側(cè)刀片大，通過選取合適的插銑步距可以解決刀具內(nèi)外側(cè)刀片壽命不同的問題。

分屑刀具刀片出現(xiàn)月牙洼主要是因?yàn)榍暗睹娌牧媳荒p剝離，月牙洼可以起到增大前角而減小切削力的作用。當(dāng)月牙洼逐漸擴(kuò)大至切削刃的邊緣，就會(huì)造成切削刃破損，進(jìn)而使刀具失效。因此前刀面磨損是分屑刀具主要的失效原因。

通過金屬去除量對(duì)刀具壽命進(jìn)行定性分析和兩種刀具在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的磨損情況可以認(rèn)為：在插銑加工17-4PH不銹鋼時(shí)，在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的切削參數(shù)下，分屑插銑刀具的壽命相比于普通插銑刀具得到了較大提升。分屑插銑刀具的結(jié)構(gòu)可以提高插銑加工的步距，進(jìn)而提高插銑粗加工的加工效率。提升分屑插銑刀具壽命的主要原因如下。

（1）在相同金屬去除效率條件下，分屑刀具可以在減少切削力的同時(shí)減少切削熱，進(jìn)而提高刀具壽命。

（2）后刀面磨損對(duì)刀具壽命的影響更大，普通刀具磨損主要發(fā)生在后刀面，分屑刀具的磨損主要發(fā)生在前刀面。

（3）分屑插銑刀減小了單個(gè)刀片的徑向切深，切削液更快進(jìn)入切削區(qū)域，加強(qiáng)了切削區(qū)域的冷卻和潤(rùn)滑作用，有效提升了刀具壽命。

5 結(jié)論

（1）基于錯(cuò)齒分屑原理設(shè)計(jì)的插銑刀具可減小切屑寬度，實(shí)現(xiàn)可靠分屑。

（2）加工難加工材料時(shí)，相比于普通插銑刀具，分屑插銑刀具的切削力顯著減小，且分屑刀具當(dāng)量齒數(shù)少的缺陷也因切削力小得到了彌補(bǔ)。

（3）由于分屑作用可減小切削力，改善切削區(qū)域的冷卻潤(rùn)滑條件，因此分屑插銑刀具在切削加工難加工材料時(shí)的刀具壽命得到顯著提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 李滬曾，張國(guó)紅，魏衡. 多齒端銑切削振動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000（1）：55-59.

[2] 劉剛，王亞飛，張恒，等. 基于分屑原理的螺旋銑孔專用刀具研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（9）：176，182-184.

[3] 萬(wàn)珍平，劉亞俊，湯勇，等. 多齒刀具的切削模型及其分屑機(jī)理[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（3）：211-215.

[4] 張智海，鄭力，李志忠，等. 波形刃銑刀銑削力的預(yù)報(bào)數(shù)值模型[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，42（6）：766-768，772.

[5] 江湘顏. 整體硬質(zhì)合金后波刃高效銑刀的研究與開發(fā)[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[6] 鄧楠，李察，劉銘，等. 波形刃銑刀加工工藝研究[J]. 工具技術(shù)，2014，48（8）：102-103.

[7] 陸劍中，孫家寧. 金屬切削原理與刀具（第五版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[8] 陳日曜. 金屬切削原理（第二版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介

雍建華（1983—），男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。