高速銑削刀具懸伸量的試驗(yàn)研究

1．引言

    高速切削刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。在高速銑削中，刀具懸伸量即刀尖到主軸伸出端的長度對(duì)加工過程的影響很大，并且直接影響刀具磨損。傳統(tǒng)上認(rèn)為，增大刀具的懸伸量勢(shì)必會(huì)造成刀具剛度降低，特別是在加工淬硬鋼等硬度比較高的難加工材料時(shí)，習(xí)慣于選擇小的刀具懸伸量。刀具安裝時(shí)盡量多夾持刀柄部分，可以提高刀具的剛度，減小振動(dòng)，使切削過程更加穩(wěn)定，刀具磨損更小，從而使得模具深腔必須采用電火花加工，加工時(shí)間長，效率低。因此刀具懸伸量對(duì)加工過程的影響逐漸引起關(guān)注。

    國外通過刀具剛度對(duì)刀具壽命影響的研究表明，球頭立銑刀兩切削刃上的受力不均使刀具壽命急劇下降，適當(dāng)改變銑刀懸伸長度，可以改善銑刀兩切削刃上刀具磨損不平衡，從而延長刀具壽命。S Smith也提出高速銑削中刀具長徑比對(duì)金屬切除率影響很大，并以穩(wěn)定的最大金屬切除率為目標(biāo)，通過直徑12.7mm端銑刀高速銑削實(shí)驗(yàn)測(cè)量的加工穩(wěn)定性耳垂圖，證明不同刀具懸伸量的穩(wěn)定切削范圍有明顯變化。目前國內(nèi)尚無這方面的試驗(yàn)研究報(bào)道。

2.試驗(yàn)

    試驗(yàn)在Gentiger105立式高速加工機(jī)床上進(jìn)行。YDM-III99型整體式三向壓電式測(cè)力平臺(tái)和YD-8型壓電式加速度傳感器分別測(cè)量切削力和振動(dòng)。XT53022-CTV高倍連續(xù)變倍攝影體視顯微鏡采集刀具后刀面磨損，TR100表面粗糙度儀測(cè)量工件表面粗糙度。工件材料為塑料模具鋼 S136H，淬火后硬度為51HRC。刀具選擇STANA直徑2mm的AlTiN涂層硬質(zhì)合金4刃銑刀，根據(jù)銑刀的長度選取了生產(chǎn)中的懸伸量13mm、 15mm和刀桿長度的1/2即19mm進(jìn)行比較。通過改變不同的刀具懸伸量，測(cè)量和記錄加工過程中的切削力、切削振動(dòng)、刀具后刀面磨損面積和表面粗糙度。

    其他試驗(yàn)條件:?切削條件：主軸轉(zhuǎn)速n=14330r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.03mm/齒，進(jìn)給速度Vf＝860mm/min，軸向切深A(yù)d＝ 0.1mm，徑向切深Rd＝1.5mm；順銑；空氣冷卻刀具：涂層：AlTiN；前角：8°；后角：6°；螺旋角：30°；D1：2mm；D2：3mm； L1：38mm；L2：9mm。

3．試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 切削力

    隨著刀具加工長度的增加，對(duì)不同懸伸量條件下的銑削力進(jìn)行了測(cè)量，由不同條件下三個(gè)方向切削力的合力變化情況可知：隨切削長度的增大，刀具急劇磨損，切削力上升很快，刀具磨損達(dá)到穩(wěn)定后，切削力略有下降，然后繼續(xù)增大。不同懸伸量的切削力大小不同，懸伸量15mm的切削力最大，懸伸量19mm時(shí)切削力反而減小，這說明切削力和懸伸量無正比關(guān)系，并不是懸伸量越小，切削力越小。實(shí)際上，存在著一個(gè)不適合加工的懸伸量，當(dāng)超過該懸伸量后切削力反而減小。此外刀具達(dá)到穩(wěn)定切削的加工長度也存在相同規(guī)律。

3．2 切削振動(dòng)

    記錄不同條件下的振動(dòng)時(shí)域波形，并進(jìn)行頻率分析。試驗(yàn)記錄的不同刀具懸伸量下振動(dòng)波形及其功率譜表明，振動(dòng)功率譜中出現(xiàn)的主要頻率成分為：每齒切刃嚙合頻率957.03Hz及其倍頻1914.06Hz和1669.92Hz。從齒嚙合頻率fo的幅值變化情況來看，隨著切削長度的增加，不同刀具懸伸量下的振動(dòng)幅值變化都有一個(gè)增加后減小再增加的過程。在刀具初期磨損階段，由于刀具磨損加快，切削力增加，振動(dòng)加強(qiáng)，隨后切削進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，切削力相對(duì)初期磨損時(shí)小，振動(dòng)也會(huì)減小。但當(dāng)?shù)毒吣�損達(dá)到一定程度，振動(dòng)再次加強(qiáng)。

    隨著切削長度的增加，試驗(yàn)范圍內(nèi)最大懸伸量19mm的功率譜振幅幅度整體上最小，這說明并不是刀具懸伸量越大，高速切削振動(dòng)就越強(qiáng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是高速切削時(shí)激振頻率較大，懸伸量增加后可降低刀具的固有頻率，避免引起共振、顫振的發(fā)生，從而使切削過程中的振動(dòng)強(qiáng)度降低，因此可適當(dāng)提高懸伸量。

3.3 刀具磨損和表面粗糙度

    在體式顯微鏡下拍攝刀具后刀面磨損情況，利用圖形軟件計(jì)算磨損面積，由不同刀具懸伸量的刀具磨損曲線可見，刀具磨損面積隨加工長度的增加而增大。但刀具磨損并不隨刀具懸伸量的增加呈正比關(guān)系，當(dāng)?shù)毒邞疑扉L度為19mm時(shí)刀具磨損面積反而有所降低。這是因?yàn)殡S著懸伸量增加，刀具系統(tǒng)固有頻率升高使得振動(dòng)減小，刀具磨損相應(yīng)減小。不同刀具懸伸量下表面粗糙度的變化同切削力和刀具磨損的變化規(guī)律大體相同。當(dāng)懸伸量增大超過某一數(shù)值后，表面粗糙度有所減小。

4．結(jié)論 

   增加刀具懸伸量長度，切削力和切削振動(dòng)增大，刀具磨損加劇，表面質(zhì)量下降。但懸伸量長度超過某一數(shù)值后，切削力、切削振動(dòng)和刀具磨損并不是一味的增加反而下降，加工質(zhì)量有所提高。對(duì)本實(shí)驗(yàn)采用的直徑2mm銑刀，懸伸量19mm時(shí)比15mm的加工效果更優(yōu)。因此進(jìn)行模具型腔加工時(shí)，在刀具成本允許的情況下，適當(dāng)增大刀具懸伸量，可以在一定范圍擴(kuò)大目前模具型腔加工時(shí)刀具加工范圍，避免進(jìn)行電火花加工，降低模具加工的綜合成本。