數(shù)控銑削中彈刀機(jī)理及抑制方法的研究＊

廖玉松 韓 江

(①滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州239000;②合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230003)

某公司在塑料模具模仁和電極加工中會(huì)出現(xiàn)如圖1 所示模仁過(guò)切和薄壁電極在邊緣出現(xiàn)崩邊和崩角現(xiàn)象，增加了企業(yè)燒焊打磨工作，造成了電極報(bào)廢，同時(shí)加工過(guò)程刀具的磨損加劇，甚至導(dǎo)致刀具折斷。因此，迫切需要找出造成這種現(xiàn)象的原因，并要優(yōu)化加工參數(shù)和加工工藝，提出解決生產(chǎn)中這一實(shí)際問(wèn)題合理方案。

1 彈刀現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)理

筆者深入企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，塑料模具模仁一般進(jìn)行了預(yù)硬處理，材料的強(qiáng)度硬度高，采用高速數(shù)控銑削加工，往往在工件的轉(zhuǎn)角處刀具出現(xiàn)振顫、抖動(dòng)產(chǎn)生而造成過(guò)切現(xiàn)象。而薄壁電極往往在高速數(shù)控銑削加工中，由于刀具的擺動(dòng)與材料的彈性變形或振顫引起刀具與材料發(fā)生碰撞，同時(shí)發(fā)出異常的響聲，造成在電極邊緣出現(xiàn)崩邊和崩角現(xiàn)象，把這兩種現(xiàn)象稱為數(shù)控銑削中的“彈刀”現(xiàn)象。造成“彈刀”主要原因是切削力的波動(dòng)較大，引起刀具或工件材料變形發(fā)生變化。切削力的波動(dòng)包括大小和方向變化。正常加工工件時(shí)刀具受力和變形如圖2 所示;在刀具加工到工件的直身位，刀具急?；驕?zhǔn)備反向加工時(shí)，刀具由于慣性作用，刀具的受力和變形如圖3 所示。由于切削力的大小和方向變化造成刀具在工件的拐角或直身位處變形發(fā)生變化產(chǎn)生彈刀。筆者又對(duì)薄壁與非薄壁工件切削過(guò)程進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)非薄壁工件加工時(shí)切削力比較平穩(wěn)，而薄壁工件加工時(shí)雖然切削力不是很大，但切削力波動(dòng)大。從切削力大小的變化情況能夠判斷出材料的變化情況，當(dāng)?shù)毒咔腥氩牧蠒r(shí)，切削力會(huì)迅速加大，在力的作用下，材料開(kāi)始向背離刀具的方向產(chǎn)生彈性變形而讓刀，使刀具的切削量減小甚至零，切削力為零后，材料向刀具方向彈性恢復(fù)，刀具將再次切入材料，切削力又將加大，進(jìn)入下一個(gè)切削循環(huán)［1］。由此可見(jiàn)，加工高硬度材料切削力越大，刀具變形大或工件薄壁高度越高，薄壁變形就越大，彈刀現(xiàn)象就越嚴(yán)重。驗(yàn)比較(如圖5 所示)，具體參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 影響彈刀的因素

為了研究數(shù)控銑削程中影響彈刀的因素，我們采用單因素試驗(yàn)來(lái)了解各參數(shù)獨(dú)自變化對(duì)刀具或工件變形的影響。試驗(yàn)選用對(duì)刀具或工件變形影響較大的參數(shù)為研究對(duì)象，對(duì)于高硬度工件實(shí)驗(yàn)選擇不同工件材料、刀具直徑、裝刀長(zhǎng)度、銑削方式，壁厚等。在設(shè)定的切削條件下(即采用同一機(jī)床、相同轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度、采用側(cè)銑的加工模式)，改變研究對(duì)象中某一個(gè)參數(shù)用量，對(duì)所測(cè)得的刀具或工件變形的變化結(jié)果進(jìn)行分析、研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用奧地利E MCO 公司生產(chǎn)的MC120—60 加工中心，所用刀具材料為Stana4 刃平底AITIN 涂層硬質(zhì)合金立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，每齒進(jìn)給量f=0.1 mm/齒，軸向切深為ap=2 mm。切削力的測(cè)試采用YDM 一III99 型整體式三向壓電磨削測(cè)力平臺(tái)，可同時(shí)檢測(cè)出沿銑削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的力、垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的力和軸向力，激光位移傳感器型號(hào)為KEYENCE LK-G30，數(shù)據(jù)采集儀為NI PCI 4472，采樣頻率設(shè)為24 kHz。刀具變形測(cè)試系統(tǒng)如圖4 所示，薄壁工件的測(cè)量位置如圖5 所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

對(duì)于高硬度材料采用常用材料進(jìn)行切削加工，對(duì)于薄壁工件采用不同厚度紫銅電極在3 個(gè)位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較( 如圖5 所示) ，具體參數(shù)如表1。

2.3 不同參數(shù)對(duì)彈刀的影響

(1)不同工件材料影響

改變工件材料，測(cè)得不同的切削力F和刀具變形量δ，用MATLAB 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到切削力F和刀具變形量δ 之間的關(guān)系如圖6 所示。從圖6 中可以看出刀具變形量δ 和切削力F呈線性關(guān)系，即δ ≈K·F，K為常數(shù)，具體K值因?yàn)榈毒咧睆胶脱b刀長(zhǎng)度及其余因素發(fā)生變化而變化，所以沒(méi)有必要計(jì)算出具體數(shù)值。圖6 中第1 個(gè)點(diǎn)是切削T2 紫銅時(shí)的切削力和刀具變形量，最后1 個(gè)點(diǎn)是切削718 時(shí)的切削力和刀具變形量，可以看出被加工工件的材料強(qiáng)度硬度越高，切削力越大，刀具變形量越大，彈刀現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(2)不同的刀具直徑

改變刀具直徑D，測(cè)得刀具的變形量δ，用MATLAB 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到刀具直徑D和變形量δ 之間的關(guān)系圖7 所示。圖7 中曲線曲斜變化非常陡，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到刀具直徑D和變形量δ 關(guān)系為δ ≈K/D4，D為刀具直徑，K為常數(shù)。當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，刀具直徑D減小一半，刀具變形量δ 將增大16 倍。加工時(shí)刀具直徑D越小，刀具變形量δ 越大，彈刀現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(3)不同裝刀長(zhǎng)度

改變刀具裝刀長(zhǎng)度L對(duì)刀具變形量δ 影響較為顯著，裝刀長(zhǎng)度L和變形量δ 之間的關(guān)系如圖8 所示。利用MATLAB 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到裝刀長(zhǎng)度和變形量δ 之間關(guān)系近似為δ ≈K·L3，L為裝刀長(zhǎng)度，K為常數(shù)。當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，刀具裝刀長(zhǎng)度增加1 倍，刀具變形量將增大8 倍。

(4)改變銑削方式

采用順銑加工時(shí)，側(cè)向切削深度方向的切削分力Fy比走刀方向和軸向的分力都大，其次是走刀抗力Fx，最小的是軸向分力Fz;而采用逆銑加工時(shí)，走刀方向的切削分力Fx比側(cè)向切深和軸向的分力都大，其次是切深抗力Fy，最小的是軸向分力Fz?？梢钥闯?，順銑和逆銑加工方式發(fā)生變化時(shí)切削分力在X、Y和Z方向的分配比例同時(shí)產(chǎn)生變化，采用順銑加工時(shí)側(cè)向切深分力Fy是主切削力，采用逆銑加工時(shí)走刀方向分力Fx是主切削力，而分力Fx較大時(shí)，容易造成刀具或工件的變形［2］。順銑加工時(shí)的刀具切削厚度由最大逐漸減小到零，刀具切入工件后不會(huì)出現(xiàn)因切不下切屑而造成的彈刀現(xiàn)象，工藝系統(tǒng)的剛性好，切削振動(dòng)小;逆銑加工時(shí)，刀具的切入厚度從零逐漸增加到最大，刀具切入工件時(shí)，因切削厚度小并將在工件表面劃過(guò)一段距離，如果此時(shí)刀具刃口處碰到工件材質(zhì)中硬的質(zhì)點(diǎn)或殘留在工件表面的切屑，都會(huì)造成刀具的彈刀或振顫，因此逆銑的切削振動(dòng)大，彈刀現(xiàn)象嚴(yán)重［3］。

(5)不同壁厚

切削力的大小對(duì)薄壁的加工影響很大，壁厚越小，對(duì)切削力就越敏感，即使切削力很小，也會(huì)使薄壁工件產(chǎn)生變形，造成彈刀，從而產(chǎn)生崩邊或崩角。在切削試驗(yàn)中，采用不同直徑的刀具，以相同的切削速度加工不同厚度的薄壁，測(cè)量其在上(2 mm)、中(10 mm)、下(25 mm)3 個(gè)部位的切削力，刀具切削薄壁的部位不同，切削力引起材料的變形就不一樣，而薄壁出現(xiàn)崩邊或崩角的部位都在薄壁的頂部約5 mm 內(nèi)，故這一部位應(yīng)是薄壁加工的危險(xiǎn)區(qū)域，彈刀情況最嚴(yán)重;其次是中部，主要表現(xiàn)為表面質(zhì)量達(dá)不到要求;根部約10 mm的范圍內(nèi)情況較好，既不會(huì)崩邊崩角，表面質(zhì)量也好。同時(shí)對(duì)比不同壁厚順銑和逆銑加工時(shí)的切削力變化，無(wú)論是改變切削速度、進(jìn)給量(走刀速度)，還是改變側(cè)向切削深度，順銑加工的切削力都大于逆銑加工的情況，并可看出各工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響程度如下:切削速度＜進(jìn)給量(走刀速度)＜側(cè)向切削深度。因此，薄壁工件高速銑削時(shí)應(yīng)盡量選擇較高的切削速度、適中的走刀速度、較小的側(cè)向切削深度，以減小切削力，減小刀具對(duì)薄壁工件的切削沖擊，提高加工過(guò)程的安全性，盡量減少和避免薄壁工件的邊角崩碎現(xiàn)象，提高加工質(zhì)量和效率。

3 抑制彈刀的對(duì)策和措施

綜上所述，在數(shù)控加工中彈刀現(xiàn)象一般很少出現(xiàn)，只有在加工材料硬度比較高時(shí)，工件的轉(zhuǎn)角處或者加工薄壁工件在工件邊緣才會(huì)出現(xiàn)，為了有效地克服彈刀現(xiàn)象，以減小刀具或工件變形為目標(biāo)，探討抑制的對(duì)策和應(yīng)對(duì)措施，從而有效地保證工件的加工質(zhì)量，應(yīng)采取以下措施:

(1)增加刀具強(qiáng)度，對(duì)于高硬度的工件盡可能采用大直徑刀具進(jìn)行加工，減小裝刀長(zhǎng)度，增加強(qiáng)度，減小刀具的變形，減少?gòu)椀丁?/p>

(2)對(duì)于深度較大的工件，采用多方向切削加工，如有條件采用多軸加工，可以減小裝刀長(zhǎng)度，避免刀具變形，而減少?gòu)椀丁?/p>

(3)對(duì)于深度較大的工件，因生產(chǎn)條件限制只能采用一次裝夾在三軸數(shù)控銑床完成工件的加工，當(dāng)加工深度大于120 mm 時(shí)，要分開(kāi)兩次裝夾刀具，即先裝上短的刀桿加工到100 mm 的深度，然后再裝上加長(zhǎng)刀桿加工100 mm 以下的部分，并設(shè)置較小的吃刀量減小切削力，減小刀具的變形，減少?gòu)椀丁?/p>

(4)盡可能采用順銑，切削試驗(yàn)結(jié)果表明，就切削力的大小而言，順銑時(shí)的切削合力大于逆銑。但逆銑時(shí)分力Fx較大，容易出現(xiàn)工件彈刀、崩角現(xiàn)象［1］。順銑分力Fx較小，銑削比較平穩(wěn)，工件表面質(zhì)量好。因此，應(yīng)盡可能地采用順銑。

(5)薄壁工件加工時(shí)，因工件變形而產(chǎn)生彈刀，所以加工中應(yīng)盡量減小切削力，減小工件的變形。一般采用小直徑的平刀高速等高環(huán)繞加工，為了提高工件的加工剛度，徑向留有較大的加工余量。還可根據(jù)薄壁工件不同部位設(shè)置不同的加工參數(shù)，薄壁工件的頂部容易產(chǎn)生崩邊、崩角，在加工這些敏感部位時(shí)應(yīng)選擇較小的側(cè)向切削深度和進(jìn)給量(走刀速度)，這樣可有效地提高工件質(zhì)量。薄壁的加工一般不能一次加工完成，而是先將薄壁切削一部分，在加工完其他部位后，最后再將薄壁精加工到位，使厚度達(dá)到要求的尺寸。

4 結(jié)語(yǔ)

彈刀現(xiàn)象一般很少出現(xiàn)，最容易被編程者所忽略，因此要引起足夠的重視。編程時(shí)，應(yīng)根據(jù)切削材料的性能合理選擇刀具的直徑和裝刀長(zhǎng)度，正確選擇切削方式，對(duì)于硬度高、深度較大的工件，要合理安排加工工藝。對(duì)于薄壁工件加工時(shí)，要盡可能減小切削力，減小工件的變形，對(duì)于最敏感的邊緣區(qū)域，在加工此部位時(shí)應(yīng)選用更小的側(cè)向切削深度和每齒進(jìn)給量(即走刀速度)。某公司在塑料模具模仁和薄壁電極加工時(shí)，利用上述加工方法，避免了彈刀現(xiàn)象，有效地保證了工件質(zhì)量。

［1］胡周玲.薄壁石墨電極高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化試研究［D］. 廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2005.

［2］劉剛.金屬切削過(guò)程優(yōu)化中多約束描述與應(yīng)用［D］. 上海:上海交通大學(xué)，2007.

［3］丁燁.銑削動(dòng)力學(xué)——穩(wěn)定性分析方法與應(yīng)用［D］. 上海:上海交通大學(xué)，2011.