高速銑削45鋼銑刀磨損動態(tài)銑削力與磨損規(guī)律研究

田禹，張濤，郭龍

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車模具智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，天津 300222)

0 引言

高速銑削與傳統(tǒng)銑削的區(qū)別在于高速銑削在銑削速度和進給速度方面都有所提升，同時還能得到很高的加工精度。高速銑削憑借這兩個特點已成為一種重要的先進制造技術(shù)，并迅速崛起成為國內(nèi)外熱門研究領(lǐng)域及機械加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。高速銑削不僅可用于加工普通常規(guī)材料如鑄鐵、鋼等，還可以加工難加工材料，如鈦合金、高溫合金等。因而，高速銑削可以滿足航空航天、發(fā)電裝備等行業(yè)復(fù)雜精密零部件的高品質(zhì)、高效率、低成本和綠色制造的加工需求[1]。

銑刀作為銑削加工的重要組成部分，隨著銑削的進行，銑刀與切屑和工件產(chǎn)生強烈的擠壓和摩擦，進而產(chǎn)生磨損。銑刀在磨損或破損后，銑刀材料的損耗會增多，刀具的使用壽命會縮短，工件表面質(zhì)量會降低。同時也會造成銑削力的增大，進而會導(dǎo)致機床發(fā)生振動，直接影響機床的精度以及壽命。銑刀嚴重磨損時，會產(chǎn)生崩刃，甚至斷裂的現(xiàn)象，在導(dǎo)致工件報廢的同時還可能對機床造成一定程度的損傷[2]。而在高速銑削時，銑刀與工件有著更短的接觸時間、更高的接觸頻率，使得高速銑削過程中工件被加工表面與銑刀的接觸表面處于比傳統(tǒng)銑削更嚴峻的高速、高溫、高壓環(huán)境中，在擠壓和剪切滑移的作用下，銑刀磨損形態(tài)和磨損機理與傳統(tǒng)銑削時相比都存在一定差異[3]。因而，研究高速銑削銑刀磨損及其變化規(guī)律，對于分析和優(yōu)化高速銑削工藝參數(shù)、提高銑削效率、降低生產(chǎn)成本等有著重要的指導(dǎo)意義。

在實際生產(chǎn)過程中，刀具磨損是無法避免、不容忽視的，因此需要對刀具磨損狀態(tài)進行監(jiān)測。可是復(fù)雜的刀具磨損又是一個十分緩慢的過程，影響因素多種、磨損形式多樣，這給刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測帶來了很大的困難[4]。本文結(jié)合多種刀具狀態(tài)監(jiān)測方法，在高速銑削刀具磨損實驗過程中，使用測力儀及熱像儀實時采集銑削力及銑削溫度的變化情況，間接地監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)[5]。銑削結(jié)束后，在超景深三維立體顯微鏡下直接觀察刀具磨損情況[6]。

1 刀具磨損規(guī)律實驗研究

1.1 工件材料及刀具

工件材料選用45鋼，其屬于機械制造中最常用的中碳結(jié)構(gòu)鋼，其冷熱加工性能和機械性能較好，強度高、塑性和韌性好、資源豐富、價格低廉，廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域中。實驗中工件尺寸為115mm×100mm×20mm。為了將工件安裝在測力儀上，按照測力儀安裝要求設(shè)計如圖1所示安裝孔，并于實驗開始前依據(jù)示意圖鉆好安裝孔。

圖1 工件示意圖

1.2 實驗條件

實驗機床選用715D立式數(shù)控加工中心，測力儀選用Kistler 9257B三向動態(tài)壓電式測力儀[5]。銑削力檢測系統(tǒng)由測力儀、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組成，如圖2所示。Kistler 9257B三向動態(tài)壓電式測力儀主要是由4個壓電式三維力傳感器組成，每個傳感器包含3對石英板，分別響應(yīng)x、y、z3個方向的壓力，實現(xiàn)力的3個正交分量的測量。溫度檢測系統(tǒng)選用Fluke TiX640 紅外熱像儀，其能夠精確、快速地以非接觸方式測量物體的表面溫度。為更好地觀察刀具磨損情況，選用VHX-1000C超景深三維立體顯微鏡，在高倍觀察細節(jié)的前提下實現(xiàn)大視場高景深全面觀察，能更好地實現(xiàn)對刀具磨損區(qū)域圖像進行精確觀察和測量。

圖2 銑削力檢測系統(tǒng)示意圖

實驗刀具使用整體式直柄圓柱立銑刀，實驗中選用2刃的右旋直柄圓柱立銑刀，刀具直徑為4mm，螺旋角為35°。刀具裝在刀柄上，通過刀柄與機床主軸鏈接(圖3)。

圖3 工件示意圖

1.3 實驗方案

為達到用較少試驗次數(shù)得到理想實驗結(jié)果的目的，避免實驗的浪費和盲目性，選擇具有代表性的機組銑削參數(shù)進行試驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 切削力及切削溫度分析

在高速銑削加工過程中，切削力直接決定了切削熱的產(chǎn)生，進而影響刀具的磨損、破損。高速銑削刀具磨損實驗時，通過銑削力檢測系統(tǒng)和紅外熱像儀，可以得到如圖4、圖5所示的一系列銑削力和銑削溫度的原始數(shù)據(jù)。其中Fx為進給方向銑削力，F(xiàn)y為徑向切深方向銑削力，F(xiàn)z為軸向切深方向銑削力。

圖4 銑削力原始數(shù)據(jù)

圖5 銑削溫度原始數(shù)據(jù)

銑削實驗中，每銑削100mm的長度，記為一次銑削，分析采集到的每次銑削銑削力和銑削溫度信號，選擇銑削周期內(nèi)具有代表性的銑削力和銑削溫度的數(shù)據(jù)點。當力增大到初始切削力的30%時就停止加工，將實驗中的銑削力和銑削溫度最大值的平均值作為研究對象，制成如圖6所示的銑削力和銑削溫度變化趨勢圖。

圖6 銑削力和銑削溫度與刀具典型磨損曲線變化趨勢圖

通過分析各組銑削力和銑削溫度變化趨勢圖可以發(fā)現(xiàn)：隨著銑削次數(shù)增加，進給方向的銑削力Fx、徑向切深方向的銑削力Fy及軸向切深方向的銑削力Fz都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。其中，徑向切深方向的銑削力Fy變化趨勢最為明顯，軸向切深方向的銑削力Fz變化趨勢較小。銑削溫度雖然出現(xiàn)小幅度波動，但在整體趨勢上仍是逐漸增大。高去除率時刀具的一次接觸去除體積較大，單位體積磨損較小，刀具的切削長度較長。

2.2 刀具磨損分析

1)刀具磨損機理分析

根據(jù)超景深三維顯微鏡對實驗中銑刀的觀測情況，可以得到如圖7所示的刀具磨損形態(tài)圖，進而分析硬質(zhì)合金立銑刀高速銑削45鋼磨損機理。

圖7 刀具磨損形態(tài)圖

利用超景深三維顯微鏡對銑刀進行實時觀測，得到如表1所示的立銑刀磨損量直觀分析結(jié)果。刀具磨損是多種磨損形式同時發(fā)生，多種成因相互作用的結(jié)果。正常磨損是連續(xù)的、逐漸形成的，主要有磨粒磨損、冷焊磨損、擴散磨損和氧化磨損[6]。實驗結(jié)果表明，在銑削過程中，工件表面和切屑與立銑刀前刀面、后刀面及切削刃發(fā)生摩擦，涂層材料一層層被磨損掉，然后磨損蔓延到基底材料中，發(fā)生正常的磨料磨損，如圖7(a)所示。隨著銑削溫度的升高，在強烈的壓力、劇烈的摩擦力以及分子吸附力的作用下，因相對運動刀具基底材料的微顆粒被工件或切屑帶走，形成如圖7(b)所示的冷焊磨損，銑削溫度是影響冷焊磨損的主要因素，銑削溫度越高，冷焊磨損越嚴重。圖7(c)為斷續(xù)切削綜合影響的結(jié)果，切削刃會有層狀剝落。

表1 立銑刀磨損量直觀分析表

3 結(jié)語

本文對硬質(zhì)合金立銑刀高速銑削45鋼刀具磨損規(guī)律展開了研究。首先建立高速銑削磨損實驗平臺，以45鋼為銑削材料，采用正交實驗方案，進行高速銑削刀具磨損實驗，通過測力儀和紅外熱像儀實時采集銑削力和銑削溫度數(shù)據(jù)。銑削實驗結(jié)束后，在超景深三維顯微鏡下觀測刀具磨損情況。通過對實驗結(jié)果的分析，研究在不同銑削參數(shù)下，銑削力、銑削溫度以及硬質(zhì)合金立銑刀磨損量的變化規(guī)律。得到以下結(jié)論：

1)硬質(zhì)合金立銑刀在不同銑削參數(shù)下銑削45鋼時，隨著銑削次數(shù)增加，進給方向、徑向切深方向和軸向切深方向上的銑削力都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，和刀具磨損曲線表現(xiàn)形式相同，可以用于判斷刀具的磨損過程。徑向切深方向銑削力變化趨勢最為明顯，軸向切深方向銑削力變化最小。銑削溫度雖然出現(xiàn)小幅度波動，但在整體仍是逐漸增大趨勢。

2)通過超景深三維顯微鏡觀察硬質(zhì)合金立銑刀前刀面、后刀面以及切削刃的磨損形貌，在銑削過程中，工件表面和切屑與前刀面、后刀面以及切削刃發(fā)生摩擦，隨著涂層材料一層層被磨損掉，磨損逐漸蔓延到基底材料中。

3)縱向?qū)Ρ炔煌娤鳁l件下，硬質(zhì)合金立銑刀的磨損形貌。發(fā)現(xiàn)不同的銑削加工參數(shù)下，刀具磨損形貌大體相似，磨損量的大小隨銑削參數(shù)的變化有所不同。