修光刀片與切削刀片配比研究

付宇鵬，張碧妮，雷學(xué)林，張航

1株州鉆石切削刀具股份有限公司；2大連外國語學(xué)院；3華東理工大學(xué)

1 引言

在加工零件上獲得良好的表面質(zhì)量已成為精加工、半精加工甚至粗加中必不可少的要求[1]。尤其在高速切削時(shí)，如何獲得良好的表面質(zhì)量并同時(shí)提高加工效率且節(jié)省成本是值得深入研究的問題，修光刃刀片能有效改善這類問題[2-5]。

修光刃是主切削刃和副切削刃的過渡，實(shí)際上是副切削刃的極端形式[6-8]，主要起增加刀尖抗沖擊能力和降低加工件表面粗糙度值的作用。加工裝刀時(shí)，修光刃須平行于進(jìn)給方向，且修光刃長度大于進(jìn)給量，可實(shí)現(xiàn)修光。為節(jié)省成本，實(shí)際生產(chǎn)中粗精加工大多使用同一把刀具，這會造成一些問題。為提高加工效率和改善工件表面質(zhì)量，本文結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)，研究了修光刃刀片與切削刀片之間的配比關(guān)系。

2 修光刀片修光刃長改進(jìn)

在粗精加工使用同一把刀具時(shí)，偶爾會遇到粗加工時(shí)正常，但無法滿足精加工需求的情況，其部分原因?yàn)榈毒呤褂貌徽_。本文采用FME03-200-C60-SP12-12刀盤(見圖1)裝載SPKN1203EDER刀片為例(簡稱案例)，當(dāng)切削參數(shù)為切削速度Vc=188m/min，每齒進(jìn)給量Fz=0.25mm/z，轉(zhuǎn)速n=30r/min，總進(jìn)給量F=900mm/min時(shí)，粗加工效果較好，而精加工表面粗糙度未達(dá)到所需要求。經(jīng)分析后得出結(jié)論:修光刀片與切削刀片搭配不當(dāng)易造成精加工時(shí)表面粗糙度低。

圖1 FME03-200-C60-SP12-12刀盤

刀盤實(shí)際齒數(shù)z=12，采用切削刀片修光刃進(jìn)行精加工修光。每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr=3mm/r，標(biāo)準(zhǔn)刀片修光刃長1.4mm。假定刀盤的第一個(gè)切削刃(見圖2a)是整個(gè)刀盤所有切削刃在端向的最高點(diǎn)，在第2、3、……、11和12個(gè)切削刃切削后，修光效果見圖2b。

圖2刀片及修光效果

粗加工可接受此類加工表面，但精加工時(shí)絕不容許，因此需刀具降低每齒進(jìn)給量Fz來提升表面質(zhì)量。調(diào)整刀具每齒進(jìn)給量倍率和降低每轉(zhuǎn)進(jìn)給量可實(shí)現(xiàn)較好的表面粗糙度，但會出現(xiàn)修光刃非正常磨損現(xiàn)象。

圖3 調(diào)整進(jìn)給后的刀片及修光效果

圖4 修改齒數(shù)后的修光效果

為使用一把刀具實(shí)現(xiàn)粗精加工，在無其他可優(yōu)化刀片情況下，拆卸多數(shù)刀片，使齒數(shù)z=4，此時(shí)刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr=1mm/r，加工效率與之前相同，同時(shí)解決了刀片的非正常損耗問題。

3 修光刀片與切削刀片占比分析

在實(shí)際切削加工中，分析修光刃刀片和切削刀片占比的常用方法是保持刀盤實(shí)際齒數(shù)z=12，采用一片修光刀片，以同時(shí)保證加工效率和表面粗糙度。刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr=3mm/r，修光刀片的修光刃長度約10mm。同樣，假定刀盤的第一個(gè)切削刃是整個(gè)刀盤所有切削刃在端向的最高點(diǎn)，那么第2、3、……、11和12個(gè)切削刃切削后的修光效果見圖5。

圖5 z=12時(shí)的修光效果

安裝修光刀片后，可通過提高每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和增加刀盤齒數(shù)來提升加工效率，理論上每轉(zhuǎn)進(jìn)給量可提升4～5倍，且仍可獲得良好表面粗糙度。同樣是上述刀具，常規(guī)切削刀片的平行刃帶寬度bs=1.4mm，為保證良好的表面質(zhì)量，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量應(yīng)為bs值的80%，為1.12mm/r。若使用安裝有修光刀片的刀盤時(shí)，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量可從1.12mm/r增至6mm/r。修光刀片約有10mm寬的平行刃帶，為保證良好的表面質(zhì)量，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量應(yīng)為平行刃帶寬的60%，為6mm/r。增加每轉(zhuǎn)進(jìn)給量也必須考慮其他限制，如機(jī)床功率和表面粗糙度等。

根據(jù)粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式，有

(1)

式中，F(xiàn)r為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；re為刀尖圓弧半徑。

對修光刀片和切削刀片的配比進(jìn)行基本計(jì)算，上述刀盤可以采用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr=6mm/r，那么計(jì)算得工件表面粗糙度為9，屬于半光面。若要達(dá)到光面要求，需Rz<6.3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr最大值為5。

按本文采用的FME03-200-C60-SP12-12刀盤(株鉆公司)，修光刀片和切削刀片的配比為1:11，則每齒進(jìn)給量Fz高達(dá)0.42mm/z；當(dāng)采用上述案例的加工參數(shù)，每齒進(jìn)給量Fz=0.25mm/z，修光刀片和切削刀片的配比為1:20。

由經(jīng)驗(yàn)公式得，影響修光刀片和切削刀片配比的主要因素是每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr。在使用修光刀具時(shí)，需注意刀具的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量應(yīng)小于修光刀片的修光刃長。但在汽車行業(yè)中通常要求強(qiáng)制換刀，規(guī)定修光刀片與切削刀片的換刀頻次保持一致，因此，修光刀片和切削刀片消耗比為汽車精加工刀具配比的重要依據(jù)。為驗(yàn)證不同切削參數(shù)下修光刀片和切削刀片的磨損及消耗量，明確修光刀片和切削刀片安裝配比量，特制D125直徑的6齒、7齒和8齒刀具，并采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切削效果。

表1為相同每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr下的刀具修光效果。實(shí)驗(yàn)表明，在每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr固定的情況下，不同型號的刀具加工的表面粗糙度基本一致。

表1 刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr=1.5mm/r時(shí)的修光效果

每齒進(jìn)給量Fz=0.2mm/z時(shí)，驗(yàn)證D125直徑的6齒、7齒和8齒刀具修光效果變化。在切削鑄鐵時(shí)，刀片每齒進(jìn)給量推薦為0.2mm，實(shí)際使用中，不同涂層牌號刀具之間存在細(xì)微差異，但每齒進(jìn)給量0.2mm都在適用范圍。經(jīng)切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在每齒進(jìn)給量Fz=0.2mm/z時(shí)，不同齒數(shù)刀具加工的表面粗糙度存在差異，但變化值較小。

表2 刀具每齒進(jìn)給量Fz=0.2mm/z時(shí)的修光效果

由于修光刃的切削特點(diǎn)，切削力和切削壽命根據(jù)每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fr變化。精加工的效果主要由修光刃保證，但實(shí)際消耗最大的是切削刀片，因此修光刀片的消耗與切削刀片的配比量至關(guān)重要。通過更換切削刀片可獲得合適的配比量，同時(shí)提高刀具的經(jīng)濟(jì)性，而不影響刀具的性能，兼顧成本與性能。通過數(shù)據(jù)分析，汽車精加工刀具修光刀片和切削刀片的配比建議為1:5，可達(dá)到銑削刀具的最佳切削效果。

4 結(jié)語

本文研究了修光刃刀片與切削刀片之間的配比關(guān)系，通過分析修光刀片與切削刀片的加工效果差異，對修光刀片的修光刃長進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降低每齒進(jìn)給量及減少刀片數(shù)可解決刀片的非正常磨損。結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，精加工刀具修光刃刀片盒切削刀片的配比為1:5時(shí)，刀具切削效果最佳。本文對修光刃刀片配比進(jìn)行的分析研究為高速銑削加工開辟出了一條新道路。